抽象的
工业机器人几乎应用于所有制造业，雇用了数千名工人。 然而，由于其在全球范围内的广泛使用，在教育环境中引入工业机器人技术很难实现，并且在实践中受到限制。 本文概述了在教育环境中引入工业机器人的障碍，并提出了使用名为 VEX V5 Workcell 的机械臂的解决方案。 VEX V5 Workcell 的开发是为了提高中学生和技术学生对工业机器人的了解。 在教育环境中引入工业机器人技术的可访问性问题是尺寸限制、安全问题、高成本和有限的编程经验的结合。 VEX Robotics 创建的硬件和软件为学生提供了通过使用五轴机器人构建和编程模拟制造工作单元来发展技术和解决问题的技能的机会。
关键词：
教授工业机器人；干; Python; C++，基于块的编码； VEX 机器人；机械臂；教育机器人
我。 介绍
机器人技术在教育中的使用已成为所有年龄段学生的跨学科、实践性、真实的学习体验。12 在教育中加入机器人技术可以激发年轻学生对科学的兴趣，并为他们提供学习逻辑思维、排序和解决问题等重要技能的经验和媒介。 随着学生在机器人技术教育生涯中取得进步，他们可以在解决问题和逻辑思维的基本技能的基础上学习更复杂的工程和计算机科学概念，将抽象的物理和数学概念带入生活。12
“建造机器人是在课堂上实施基于问题的学习 (PBL) 的一个流行项目选择。 它如此受欢迎的原因可以通过该主题的多学科性质来解释：机器人技术需要许多不同的科学、技术和工艺技能，例如物理、电子、数学和编程。 这是一门理想的学科，因为可以将许多不同的课程与其联系起来。 此外，机器人本身也能激发儿童和青少年的想象力，提供灵感和动力”。13
随着技术的不断发展和编程成为一项理想的技能，教育机构希望通过向学生介绍工业机器人和制造来为他们的劳动力做好准备。 工业机器人和机械臂是可编程机器，旨在执行特定任务或功能。1
“机器人系统通常用于执行不安全、危险甚至重复性的操作任务。 它们具有许多不同的功能，例如物料搬运、装配、焊接、机器或工具的装载和卸载，以及诸如喷漆、喷涂等功能。 大多数机器人都是通过教学技术和重复来配置操作的。”1
研究表明，学生在课堂上使用机器人会产生积极的态度和体验。16 然而，尽管学生态度积极，但工业机器人在教育环境中的使用仍存在一些障碍：尺寸限制、安全问题、高成本和有限的编程经验。 本文将讨论 VEX V5 Workcell 如何作为在教育环境中引入工业机器人的解决方案。
二. 新型且经济实惠的机器人模型（硬件）：
随着技术的进步，越来越多的学生开始对机器人作为职业感兴趣。 机器人技术可以激发学生对科学和数学领域的兴趣，并为学生提供练习解决问题和逻辑思维的机会。12 通过教育机器人培养的技能（例如问题解决和逻辑思维）也可以应用于工业机器人和制造业的职业生涯，并且是基础技能。 为了满足机器人领域专家获得编码、解决问题和逻辑思维能力的需求，教育指导希望在课堂上引入工业机器人。17 然而，将工业机器人引入教育环境以帮助学生在制造业职业生涯中取得成功是有局限性的。 不仅购买成本高昂，维护工作机械臂的成本也很高。 这种成本可能会限制学生可以与之交互的机器人数量，从而限制学生独立动手参与的数量。11 工业尺寸的机械臂也需要大量的空间，并且在使用工业机器人时始终存在安全风险。 缺乏经验的学生可能会意外伤害自己、设备或他人。11 由于这些因素，教育机构正在转向更小、更安全、更具成本效益的工业机器人模型。
“虽然大型机器人的搬运需要持续的监督，并且必须在专用的机器人单元中完成，但许多大学现在选择购买额外的桌面大小的机器人，让学生能够独立工作。 由于这些机器的编程方式与大型机器人相同，因此结果可以立即应用于大型机器以进行全面应用。”2
VEX V5 Workcell 是一款更小、更安全、更具成本效益的工业机器人模型，它足够小，可以放置在教室桌子上，并且建议采用三比一的机器人比例，让学生有机会亲自参与机器人。 V5 Workcell 尺寸更小，并且能够对保险杠开关进行编程，在需要时充当紧急停止功能，因此更加安全。
V5 工作单元还允许学生参与原本不可能实现的拼搭体验。 从事专业工业规模机械臂工作的学生获得了对其进行编程的宝贵知识和技能，但可能不了解它们如何移动和操作，因为他们没有参与构建过程。 参与搭建过程不仅让学生有机会在硬件和软件之间建立更牢固的联系，还让学生获得有关机器人物理工作原理的更多基础知识。 这个机会可以为学生提供所需的知识和构建经验，以便更有效地排除硬件故障并解决问题。13 将机器人的物理构建纳入工业机器人教育还使学生有机会将物理、工程和数学的抽象概念和方程带入生活。 在上下文中实践这些 STEM 概念还可以让学生了解它们如何应用于行业。
大多数其他较小且更具成本效益的工业机器人型号都是预先组装的，并且通常仅针对一种功能而构建。 V5 Workcell 硬件的一个优点是学生不限于构建一个机器人。 学生使用 VEX Robotics V5 系统中的零件构建 V5 工作单元，该系统具有多种不同的构建方式，包括机器人手臂的基本功能（如图 1 所示）、更改 EOAT（手臂末端工具）以及添加多个传送带和传感器（如图 2 所示）。 这不仅为学生提供了构建机器人手臂本身的经验，还为学生提供了构建整个小型制造工作单元模型的经验。 这使得学生能够参与到强调数学和工程概念的构建过程中，如果不进行构建，学生将无法体验这些概念。 这也使学生能够了解 V5 Workcell 如何在物理层面上运行，这也可以转移到编程上。 这使得 V5 Workcell 成为一种教学工具，不仅向学生介绍工业机器人和编程概念，还向他们介绍构建、工程和数学概念，例如笛卡尔坐标系和在 3D 空间中操作机器人。
图 1：Lab 1 构建（机械臂）
图 2：Lab 11 构建（机械臂以及传送带和传感器）
构建说明中提供了不同的构建，指导学生逐步构建（如图 3 所示）。 这使得那些可能没有任何一般建筑经验、金属建筑经验或使用工具经验的学生也能轻松构建 V5 工作单元。
图 3：实验室步骤 4 构建说明
VEX V5 Workcell 为教育机构提供了更小、更安全、更具成本效益的工业机器人模型选项，与专业工业规模机器人相比，它不仅具有多功能的构建功能，而且为学生提供了更独立、更实践的学习体验武器。
三． 教学编程（软件）：
随着技术呈指数级发展，工业制造中的许多体力劳动工作现在都得到了自动化的补充。4 这可以补充劳动力，甚至在某些情况下可以创造更多的劳动力需求，但也要求工人具有很强的编程知识，以便操作、维修和维护自动化。4 编程是一项需要数年时间才能精通的技能，工业中使用的大多数编程语言都很复杂，并且是为专业工程师使用而设计的。3 这意味着要让机器人执行最简单的任务所需的程序也需要聘请编程专家。3
“例如，手动编程用于制造大型车辆车体的机器人弧焊系统需要八个多月的时间，而焊接过程本身的周期时间只有十六个小时。 在这种情况下，编程时间大约是执行时间的 360 倍”。9
这种编程专业知识水平限制了想要了解工业机器人编程基础知识但几乎没有编程经验的学生和教育工作者的访问。
“机器人编程非常耗时、复杂、容易出错，并且需要任务和平台方面的专业知识。 在工业机器人领域，有许多供应商特定的编程语言和工具，需要一定的熟练程度。 然而，为了提高工业自动化水平，以及扩大机器人在其他领域的使用，例如服务机器人和灾难管理，非专家必须能够指导机器人。”10
在任何年龄段，作为新手学习编程都是具有挑战性的。8 在学习语法的基础上学习如何理解项目流程不仅会令人不知所措，而且会令人沮丧，甚至令人恐惧。5 为了让学生和教育工作者获得工业机器人技术的经验，需要降低这些机器人编码的复杂性，以便新手程序员也可以参与。 这可以通过简化传统基于文本的语言的编程语言来完成。 简化编程语言已经成功地向幼儿介绍和教授如何在不同领域（包括教育）进行编程。3 由于这一成功，简化的编程语言可用于教授个人工业机器人编程的基础知识，并使他们能够建立基础技能，以便日后在工业领域取得成功。3
VEX V5 Workcell 允许学生使用 VEXcode V5（一种由 Scratch 块支持的基于块的语言）对工业机器人手臂模型进行编程。18 (scratch.mit.edu) 学生能够使用 VEXcode V5（一种简化的编程语言）进行编程。 学生可以构建一个项目来成功操作工作单元，并更深入地了解项目的目的和流程。 研究表明，没有编程经验的新手可以成功编写基于块的程序来完成基本的工业机器人任务。3
研究还表明，学生们表示，基于块的编程语言（例如 VEXcode V5）的性质很容易，因为块的自然语言描述、与块交互的拖放方法以及易于使用的方法。阅读该项目。6 与更传统的基于文本的方法相比，VEXcode V5 还解决了基于块的编程语言的关注点。 一些已发现的缺点是缺乏真实性和不够强大。6 VEXcode V5 通过合并一个名为“代码查看器”的工具，解决了人们所认为的缺乏真实性和功能不够强大的问题。 代码查看器允许学生创建块项目，然后以 C++ 或 Python 的文本形式查看同一项目。 这种转换使学生能够超越基于块的语言的限制，并为他们提供成功弥合从块到文本的语法差距所需的脚手架工具。 VEXcode V5 对块和命令使用类似的命名约定，以使从块到文本的转换更容易。
Weintrop 和 Wilensky7 进行的一项研究比较了高中计算机科学课堂中基于块的编程和基于文本的编程，发现使用基于块的语言的学生在学习中表现出更大的收获，并对未来计算表现出更高的兴趣培训班。 使用基于文本的语言的学生认为他们的编程体验与程序员在行业中所做的更相似，并且在提高他们的编程技能方面更有效。 VEXcode V5 为新手程序员提供了两全其美的机会，让他们首先建立坚实的编程概念基础，然后在过渡到 C++ 或 Python（VEXcode V5 中支持的两种基于文本的语言）时可以使用这些概念。
VEXcode V5 是一种可访问且免费的基于块的编程语言，适用于教育环境中使用的工业机器人模型，这使得无法使用机器人的学生和教育工作者更容易使用机器人编程。 制造工作环境随着技术的发展而不断变化，像 VEXcode V5 这样的基于块的编程语言也许能够更好地为那些渴望成为未来制造工人的学生提供他们在制造和工业工作中取得成功所需的技能和基础编程知识。3
四． 大创意
V5 Workcell 的最大优势之一是，学生有机会学习并专注于更大的概念和基本原理，这些概念和基本原理不仅是编程的基础，也是工程和工业机器人专业领域的基础。 专注于一些可以应用于不同环境和情况的更大概念，使学生有机会获得对这些技能和主题的更深入的理解和更深入的学习体验。 哈尔彭和哈克尔认为，“与对广泛主题的百科全书式覆盖相比，强调对基本原理的深入理解通常构成更好的教学设计”。14
学生将研究不同的概念，例如：
- 用金属和电子产品建造
- 笛卡尔坐标系
- 机械臂如何在 3D 空间中移动
- 代码复用
- 变量
- 二维列表
- 自动化传感器反馈
- 输送系统等等。
学生将获得这些概念的基础知识，这些知识可以在以后转移并应用到数学、编程、工程和制造等广泛领域。 在了解这些概念的同时，学生能够积极解决问题、协作、发挥创造力并建立弹性。 所有这些在任何环境中都是重要技能，并且与当今 21 世纪的技能紧密相关。
“知识在 21 世纪变得至关重要，人们需要获得这些技能才能进入劳动力市场，称为 21 世纪技能。 一般来说，21 世纪技能包括协作、沟通、数字素养、公民意识、解决问题、批判性思维、创造力和生产力。 这些技能被称为21世纪技能，表明它们与当前经济和社会发展的关系比上世纪工业生产方式的技能更相关”。15
五、 结论
本文的目的是在教育环境中展示 VEX V5 Workcell 的优势，以介绍工业机器人技术。 本文表明，VEX V5 Workcell 提供了一个全方位的解决方案，可以在具有成本效益的教育环境中向学生介绍工业机器人，降低编程入门门槛，并专注于帮助学生发展的大创意重要的技能。