VEX V5 Workcell: Mô hình cánh tay robot công nghiệp cho giáo dục STEM

trừu tượng

Robot công nghiệp được sử dụng trong hầu hết các ngành sản xuất và sử dụng hàng nghìn công nhân. Tuy nhiên, do được sử dụng rộng rãi trên toàn cầu, việc giới thiệu robot công nghiệp trong môi trường giáo dục rất khó thực hiện và bị hạn chế trong thực tế. Bài viết này phác thảo những rào cản trong việc giới thiệu robot công nghiệp trong môi trường giáo dục và trình bày giải pháp sử dụng cánh tay robot có tên VEX V5 Workcell. VEX V5 Workcell được phát triển để cải thiện khả năng tiếp cận robot công nghiệp cho học sinh trung học và kỹ thuật. Các vấn đề về khả năng tiếp cận khi giới thiệu robot công nghiệp trong môi trường giáo dục là sự kết hợp của các hạn chế về quy mô, mối lo ngại về an toàn, chi phí cao và kinh nghiệm lập trình hạn chế. Phần cứng và phần mềm do VEX Robotics tạo ra mang đến cho sinh viên cơ hội phát triển kỹ năng kỹ thuật và giải quyết vấn đề bằng cách xây dựng và lập trình một ô sản xuất mô phỏng với robot năm trục.

Từ khóa:

giảng dạy robot công nghiệp; THÂN CÂY; Trăn; C++, mã hóa dựa trên khối; Robot VEX; Cánh tay robot; robot giáo dục

TÔI. Giới thiệu

Việc sử dụng robot trong giáo dục đã trở thành một trải nghiệm học tập thực tế, liên ngành, thực tế cho học sinh ở mọi lứa tuổi.¹² Việc sử dụng robot trong giáo dục có thể khơi dậy niềm yêu thích của học sinh nhỏ tuổi đối với khoa học cũng như mang lại cho các em trải nghiệm và phương tiện để học các kỹ năng quan trọng như tư duy logic, trình tự và giải quyết vấn đề. Khi học sinh tiến bộ trong sự nghiệp giáo dục với robot, các em có thể xây dựng các kỹ năng nền tảng về giải quyết vấn đề và tư duy logic để nghiên cứu các khái niệm khoa học máy tính và kỹ thuật phức tạp hơn giúp đưa các khái niệm toán học và vật lý trừu tượng vào cuộc sống.¹²

“Chế tạo robot là một lựa chọn dự án phổ biến để triển khai phương pháp học tập dựa trên vấn đề (PBL) trong lớp học. Lý do tại sao nó là một lựa chọn phổ biến có thể được giải thích bởi tính chất đa ngành của chủ đề: robot đòi hỏi nhiều kỹ năng khoa học, kỹ thuật và công nghệ khác nhau, chẳng hạn như vật lý, điện tử, toán học và lập trình. Đây là một môn học lý tưởng vì có thể liên kết rất nhiều khóa học khác nhau với nó. Ngoài ra, bản thân robot còn thu hút trí tưởng tượng của trẻ em và thanh thiếu niên, mang lại nguồn cảm hứng và động lực”.¹³

Với công nghệ liên tục phát triển và lập trình trở thành một kỹ năng đáng mơ ước, các tổ chức giáo dục đang muốn chuẩn bị cho sinh viên của mình tham gia lực lượng lao động bằng cách giới thiệu cho họ về robot công nghiệp và sản xuất. Robot công nghiệp và cánh tay robot là những cỗ máy có thể lập trình được thiết kế để thực hiện một nhiệm vụ hoặc chức năng cụ thể.¹

“Các hệ thống robot thường được sử dụng để thực hiện các nhiệm vụ không an toàn, nguy hiểm và thậm chí lặp đi lặp lại của người vận hành. Chúng có nhiều chức năng khác nhau, chẳng hạn như xử lý vật liệu, lắp ráp, hàn, bốc dỡ máy hoặc dụng cụ và các tính năng như: sơn, phun, v.v. Phần lớn robot được cấu hình để vận hành bằng việc dạy kỹ thuật và sự lặp lại.”¹

Nghiên cứu cho thấy học sinh có thái độ và trải nghiệm tích cực khi sử dụng robot trong lớp học.¹⁶ Tuy nhiên, bất chấp thái độ tích cực của sinh viên, vẫn có những rào cản hạn chế việc sử dụng robot công nghiệp trong môi trường giáo dục: sự kết hợp của các hạn chế về quy mô, lo ngại về an toàn, chi phí cao và kinh nghiệm lập trình hạn chế. Bài viết này sẽ thảo luận về cách VEX V5 Workcell là giải pháp giới thiệu robot công nghiệp trong môi trường giáo dục.

II. Các mẫu robot mới và giá cả phải chăng (phần cứng):

Khi công nghệ tiến bộ, ngày càng có nhiều sinh viên quan tâm đến robot như một nghề nghiệp. Robotics có thể khơi dậy sự quan tâm của học sinh đối với các lĩnh vực khoa học và toán học, cũng như mang đến cho học sinh cơ hội thực hành giải quyết vấn đề và tư duy logic.¹² Các kỹ năng được phát triển khi làm việc với robot giáo dục như giải quyết vấn đề và tư duy logic cũng có thể được áp dụng và là nền tảng trong sự nghiệp sản xuất và chế tạo robot công nghiệp. Để đáp ứng nhu cầu của các chuyên gia trong lĩnh vực robot đã có được kỹ năng viết mã, giải quyết vấn đề và tư duy logic, các hướng dẫn giáo dục muốn giới thiệu robot công nghiệp trong lớp học của họ.¹⁷ Tuy nhiên, có những hạn chế trong việc đưa robot công nghiệp vào môi trường giáo dục nhằm chuẩn bị cho những học sinh này thành công trong sự nghiệp sản xuất. Không chỉ tốn kém để mua mà còn tốn kém để duy trì một cánh tay robot hoạt động. Chi phí này có thể hạn chế số lượng robot mà sinh viên có thể tương tác và do đó, hạn chế số lượng sinh viên tham gia thực hành độc lập.¹¹ Cánh tay robot kích thước công nghiệp cũng đòi hỏi nhiều không gian và luôn tiềm ẩn rủi ro về an toàn khi làm việc với robot công nghiệp. Những học sinh thiếu kinh nghiệm có thể vô tình làm hại bản thân, thiết bị hoặc người khác.¹¹ Vì những yếu tố này, các cơ sở giáo dục đang chuyển sang sử dụng các mẫu robot công nghiệp nhỏ hơn, an toàn hơn và tiết kiệm chi phí hơn.

“Trong khi việc xử lý các robot lớn đòi hỏi phải có sự giám sát liên tục và phải được thực hiện trong các buồng robot chuyên dụng, nhiều trường đại học hiện đang chọn mua thêm các robot có kích thước bằng máy tính để bàn cho phép sinh viên làm việc độc lập. Vì các máy này được lập trình giống như các robot lớn hơn nên kết quả có thể được áp dụng ngay lập tức cho các máy lớn để có các ứng dụng quy mô đầy đủ”.²

VEX V5 Workcell là mẫu robot công nghiệp nhỏ hơn, an toàn hơn và tiết kiệm chi phí hơn, đủ nhỏ để đặt trên bàn trong lớp và với tỷ lệ ba sinh viên trên một robot được khuyến nghị, cho phép sinh viên có cơ hội tham gia thực hành với người máy. V5 Workcell an toàn hơn nhờ có kích thước nhỏ hơn cũng như có khả năng lập trình một công tắc cản có chức năng dừng khẩn cấp nếu cần.

V5 Workcell cũng cho phép sinh viên tham gia vào trải nghiệm xây dựng mà nếu không thì không thể thực hiện được. Những học sinh làm quen với các cánh tay robot chuyên nghiệp có kích thước công nghiệp sẽ thu được kiến ​​thức và kỹ năng quý giá khi lập trình chúng, nhưng có thể không hiểu cách chúng di chuyển và vận hành vì chúng không tham gia vào quá trình xây dựng. Việc tham gia vào quá trình xây dựng không chỉ mang đến cho sinh viên cơ hội tạo ra sự kết nối mạnh mẽ hơn giữa phần cứng và phần mềm mà còn cho phép sinh viên có thêm kiến ​​thức nền tảng về cách thức hoạt động vật lý của robot. Cơ hội này có thể cung cấp cho sinh viên kiến ​​thức và kinh nghiệm xây dựng mà họ cần để khắc phục sự cố phần cứng cũng như giải quyết vấn đề hiệu quả hơn.¹³ Việc kết hợp việc xây dựng vật lý của robot vào chương trình giảng dạy về robot công nghiệp cũng mang đến cho học sinh cơ hội áp dụng các khái niệm và phương trình trừu tượng của vật lý, kỹ thuật và toán học vào cuộc sống. Việc thực hành các khái niệm STEM này trong bối cảnh cũng cho phép sinh viên thấy chúng được áp dụng như thế nào trong ngành.

Hầu hết các mẫu robot công nghiệp nhỏ hơn và tiết kiệm chi phí hơn đều được lắp ráp sẵn và thường chỉ được chế tạo cho một chức năng. Ưu điểm của phần cứng V5 Workcell là học sinh không bị giới hạn trong việc chế tạo một robot. Học sinh chế tạo V5 Workcell từ các bộ phận của Hệ thống VEX Robotics V5, có nhiều cấu trúc khác nhau bao gồm chức năng cơ bản của cánh tay robot (thể hiện trong Hình 1), thay đổi EOAT (công cụ cuối cánh tay) và thêm nhiều băng tải và cảm biến (thể hiện trong hình 2). Điều này mang lại cho sinh viên trải nghiệm không chỉ về việc chế tạo cánh tay robot mà còn về toàn bộ mô hình tế bào sản xuất cỡ nhỏ. Điều này cho phép học sinh tham gia vào một quá trình xây dựng làm nổi bật các khái niệm toán học và kỹ thuật mà học sinh sẽ không thể trải nghiệm nếu không xây dựng. Điều này cũng cho phép sinh viên hiểu cách V5 Workcell hoạt động ở cấp độ vật lý, từ đó chuyển sang lập trình. Điều này làm cho V5 Workcell trở thành một công cụ sư phạm không chỉ giới thiệu cho sinh viên các khái niệm lập trình và robot công nghiệp mà còn giới thiệu cho họ các khái niệm xây dựng, kỹ thuật và toán học như hệ tọa độ Descartes và vận hành robot trong không gian 3D.

Các cách xây dựng khác nhau được cung cấp trong hướng dẫn xây dựng nhằm hướng dẫn học sinh xây dựng từng bước (thể hiện trong Hình 3). Điều này giúp cho những sinh viên chưa có kinh nghiệm xây dựng nói chung, xây dựng bằng kim loại hoặc sử dụng công cụ có thể tiếp cận được việc xây dựng V5 Workcell.

Hình 3: Một bước trong Hướng dẫn xây dựng Lab 4

VEX V5 Workcell cung cấp cho các tổ chức giáo dục tùy chọn mô hình robot công nghiệp nhỏ hơn, an toàn hơn và tiết kiệm chi phí hơn, không chỉ linh hoạt về khả năng xây dựng mà còn cung cấp cho sinh viên trải nghiệm học tập thực hành, độc lập hơn so với robot quy mô công nghiệp chuyên nghiệp cánh tay.

III. Lập trình giảng dạy (phần mềm):

Với công nghệ tiến bộ theo cấp số nhân, nhiều công việc lao động thủ công trong sản xuất công nghiệp hiện đang được bổ sung tự động hóa.⁴ Điều này có thể bổ sung cho lao động, thậm chí trong một số trường hợp có thể tạo ra nhiều nhu cầu về lao động hơn nhưng cũng đòi hỏi người lao động phải có kiến ​​thức vững chắc về lập trình để vận hành, sửa chữa và bảo trì tự động hóa.⁴ Lập trình là một kỹ năng mà một người có thể phải mất nhiều năm mới thành thạo và hầu hết các ngôn ngữ lập trình được sử dụng trong công nghiệp đều phức tạp và được thiết kế để sử dụng bởi các kỹ sư chuyên nghiệp.³ Điều này có nghĩa là các chương trình cần thiết để robot thực hiện ngay cả những nhiệm vụ đơn giản nhất cũng cần phải thuê chuyên gia lập trình.³

“Ví dụ, việc lập trình thủ công một hệ thống hàn hồ quang robot để sản xuất thân xe lớn mất hơn 8 tháng, trong khi thời gian chu kỳ của quá trình hàn chỉ là 16 giờ. Trong trường hợp này, thời gian lập trình gấp khoảng 360 lần thời gian thực hiện”.⁹

Trình độ chuyên môn lập trình này hạn chế khả năng tiếp cận của sinh viên và nhà giáo dục muốn tìm hiểu về các nguyên tắc lập trình cơ bản của robot công nghiệp nhưng có ít hoặc không có kinh nghiệm lập trình.

“Lập trình robot tốn thời gian, phức tạp, dễ xảy ra lỗi và đòi hỏi chuyên môn cả về nhiệm vụ cũng như nền tảng. Trong lĩnh vực robot công nghiệp, có rất nhiều ngôn ngữ và công cụ lập trình dành riêng cho nhà cung cấp, đòi hỏi trình độ thành thạo nhất định. Tuy nhiên, để tăng mức độ tự động hóa trong công nghiệp, cũng như mở rộng việc sử dụng robot trong các lĩnh vực khác, chẳng hạn như robot dịch vụ và quản lý thảm họa, những người không phải là chuyên gia phải có thể hướng dẫn robot”.¹⁰

Học lập trình khi mới bắt đầu ở mọi lứa tuổi đều là một thách thức.⁸ Học cách hiểu quy trình dự án bên cạnh việc học cú pháp không chỉ có thể khiến bạn choáng ngợp mà còn khiến bạn nản lòng và thậm chí là hoàn toàn đáng sợ.⁵ Để sinh viên và nhà giáo dục có được kinh nghiệm về robot công nghiệp, độ phức tạp của việc mã hóa các robot này cần được giảm bớt để những lập trình viên mới vào nghề có thể tham gia. Điều này có thể được thực hiện bằng cách đơn giản hóa ngôn ngữ lập trình từ các ngôn ngữ dựa trên văn bản truyền thống. Đơn giản hóa ngôn ngữ lập trình đã thành công trong việc giới thiệu và dạy trẻ nhỏ cách lập trình trong các lĩnh vực khác nhau, bao gồm cả giáo dục.³ Nhờ thành công này, một ngôn ngữ lập trình đơn giản hóa có thể được sử dụng để dạy các cá nhân những kiến ​​thức cơ bản về lập trình robot công nghiệp và cho phép họ xây dựng các kỹ năng nền tảng mà sau này họ có thể sử dụng để thành công trong ngành.³

VEX V5 Workcell cho phép sinh viên lập trình mô hình cánh tay robot công nghiệp bằng cách sử dụng VEXcode V5, một ngôn ngữ dựa trên khối được hỗ trợ bởi các khối Scratch.¹⁸ (scratch.mit.edu) Học sinh có thể lập trình với VEXcode V5, một ngôn ngữ lập trình đơn giản hóa. Học sinh có thể xây dựng một dự án để thao tác Workcell thành công và cũng có thể hiểu mục đích và quy trình của dự án ở mức độ sâu hơn. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng những người mới không có kinh nghiệm lập trình trước đó có thể viết thành công các chương trình dựa trên khối để hoàn thành các nhiệm vụ robot công nghiệp cơ bản.³

Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng các sinh viên báo cáo rằng bản chất của ngôn ngữ lập trình dựa trên khối, chẳng hạn như VEXcode V5, rất dễ dàng do mô tả ngôn ngữ tự nhiên của các khối, phương pháp kéo và thả để tương tác với các khối và sự dễ dàng sử dụng. đọc dự án.⁶ VEXcode V5 cũng giải quyết các điểm cần quan tâm đối với ngôn ngữ lập trình dựa trên khối so với cách tiếp cận dựa trên văn bản thông thường hơn. Một số nhược điểm được xác định là thiếu tính xác thực và kém hiệu quả hơn.⁶ VEXcode V5 giải quyết cả vấn đề được cho là thiếu tính xác thực và dường như kém hiệu quả hơn bằng cách kết hợp một công cụ được gọi là 'trình xem mã'. Trình xem mã cho phép sinh viên tạo một dự án khối, sau đó xem dự án tương tự ở dạng văn bản bằng C++ hoặc Python. Việc chuyển đổi này cho phép sinh viên phát triển vượt ra ngoài giới hạn của ngôn ngữ dựa trên khối và cũng cung cấp cho họ các công cụ khung mà họ cần để thành công trong việc thu hẹp khoảng cách về cú pháp từ khối đến văn bản. VEXcode V5 sử dụng quy ước đặt tên tương tự cho các khối và lệnh để giúp việc chuyển đổi từ khối sang văn bản dễ dàng hơn.

Một nghiên cứu được thực hiện bởi Weintrop và Wilensky⁷ để so sánh lập trình dựa trên khối và dựa trên văn bản trong các lớp học Khoa học Máy tính ở Trường Trung học đã phát hiện ra rằng học sinh sử dụng ngôn ngữ dựa trên khối cho thấy kết quả học tập tốt hơn và mức độ quan tâm cao hơn đến tính toán trong tương lai các khóa học. Các sinh viên sử dụng ngôn ngữ dựa trên văn bản xem trải nghiệm lập trình của họ giống với những gì các lập trình viên làm trong công nghiệp và hiệu quả hơn trong việc cải thiện kỹ năng lập trình của họ. VEXcode V5 mang đến cho những người lập trình mới làm quen những điều tốt nhất của cả hai thế giới bằng cách cho phép họ trước tiên xây dựng nền tảng vững chắc về các khái niệm lập trình mà sau đó họ có thể sử dụng khi chuyển sang C++ hoặc Python, cả hai ngôn ngữ dựa trên văn bản đều được hỗ trợ trong VEXcode V5.

VEXcode V5 là ngôn ngữ lập trình dựa trên khối miễn phí và có thể truy cập dành cho mô hình robot công nghiệp được sử dụng trong môi trường giáo dục, giúp sinh viên và nhà giáo dục dễ dàng tiếp cận robot lập trình hơn, những người không thể sử dụng chúng. Môi trường làm việc sản xuất luôn thay đổi theo công nghệ và các ngôn ngữ lập trình dựa trên khối như VEXcode V5 có thể cung cấp tốt hơn cho những sinh viên mong muốn trở thành công nhân sản xuất trong tương lai những kỹ năng và kiến ​​thức lập trình nền tảng mà họ cần để thành công trong các công việc sản xuất và công nghiệp.³

IV. Ý tưởng lớn

Một trong những lợi thế lớn nhất của V5 Workcell là sinh viên có cơ hội học hỏi và tập trung vào các khái niệm lớn hơn cũng như các nguyên tắc cơ bản làm nền tảng cho không chỉ lập trình mà còn cả kỹ thuật và lĩnh vực chuyên môn của robot công nghiệp. Việc tập trung vào một số khái niệm lớn hơn có thể áp dụng trong các bối cảnh và tình huống khác nhau sẽ mang lại cho học sinh cơ hội hiểu sâu hơn và trải nghiệm học tập sâu hơn về các kỹ năng và chủ đề đó. Halpern và Hackel gợi ý rằng, “việc nhấn mạnh vào sự hiểu biết sâu sắc về các nguyên tắc cơ bản thường tạo nên một thiết kế giảng dạy tốt hơn so với việc đưa ra một loạt bách khoa toàn thư về nhiều chủ đề”.¹⁴

Học sinh sẽ tìm hiểu các khái niệm khác nhau như:

• Xây dựng bằng kim loại và điện tử
• Hệ tọa độ Descartes
• Cách cánh tay robot di chuyển trong không gian 3D
• Tái sử dụng mã
• Biến
• Danh sách 2D
• Phản hồi cảm biến cho tự động hóa
• Hệ thống băng tải, và nhiều hơn nữa.

Học sinh sẽ có được kiến ​​thức nền tảng về những khái niệm này mà sau này có thể được chuyển giao và áp dụng trong nhiều lĩnh vực như toán học, lập trình, kỹ thuật và sản xuất. Trong khi được giới thiệu về những khái niệm này, học sinh có thể tích cực giải quyết vấn đề, hợp tác, sáng tạo và xây dựng khả năng phục hồi. Tất cả đều là những kỹ năng quan trọng trong bất kỳ môi trường nào và gắn liền với các kỹ năng của thế kỷ 21 ngày nay.

“Kiến thức đã trở nên quan trọng trong thế kỷ 21 và mọi người cần có được những kỹ năng đó để gia nhập lực lượng lao động được gọi là kỹ năng thế kỷ 21. Nói chung, các kỹ năng của thế kỷ 21 bao gồm hợp tác, giao tiếp, hiểu biết về kỹ thuật số, quyền công dân, giải quyết vấn đề, tư duy phê phán, sáng tạo và năng suất. Những kỹ năng này được gọi là kỹ năng của thế kỷ 21 để chỉ ra rằng chúng liên quan nhiều hơn đến sự phát triển kinh tế và xã hội hiện nay so với những kỹ năng của thế kỷ trước được đặc trưng là phương thức sản xuất công nghiệp”.¹⁵

V. Kết luận

Mục đích của bài viết này là trình bày những ưu điểm của VEX V5 Workcell trong môi trường giáo dục để giới thiệu về robot công nghiệp. Khi làm như vậy, bài viết này cho thấy VEX V5 Workcell cung cấp một giải pháp toàn diện để giới thiệu cho sinh viên về robot công nghiệp trong môi trường giáo dục tiết kiệm chi phí, giảm rào cản lập trình khi gia nhập và tập trung vào những ý tưởng lớn giúp sinh viên phát triển những kỹ năng quan trọng.

---