抽象的
工業機器人幾乎應用於所有製造業，僱用了數千名工人。 然而，由於其在全球範圍內的廣泛使用，在教育環境中引入工業機器人技術很難實現，並且在實踐中受到限制。 本文概述了在教育環境中引入工業機器人的障礙，並提出了使用名為 VEX V5 Workcell 的機械手臂的解決方案。 VEX V5 Workcell 的開發是為了提高中學生和技術學生對工業機器人的了解。 在教育環境中引入工業機器人技術的可訪問性問題是尺寸限制、安全性問題、高成本和有限的程式設計經驗的結合。 VEX Robotics 創建的硬體和軟體為學生提供了透過使用五軸機器人構建和編程模擬製造工作單元來發展技術和解決問題的技能的機會。
關鍵字：
教授工業機器人；幹; Python; C++，基於區塊的編碼； VEX 機器人；機械手臂；教育機器人
我。 介紹
機器人技術在教育中的使用已成為所有年齡層學生的跨學科、實踐性、真實的學習體驗。12 在教育中加入機器人技術可以激發年輕學生對科學的興趣，並為他們提供學習邏輯思維、排序和解決問題等重要技能的經驗和媒介。 隨著學生在機器人技術教育生涯中取得進步，他們可以在解決問題和邏輯思維的基本技能的基礎上學習更複雜的工程和電腦科學概念，將抽象的物理和數學概念帶入生活。12
「建造機器人是在課堂上實施基於問題的學習 (PBL) 的一個流行項目選擇。 它如此受歡迎的原因可以透過該主題的多學科性質來解釋：機器人技術需要許多不同的科學、技術和工藝技能，例如物理、電子、數學和程式設計。 這是一門理想的學科，因為可以將許多不同的課程與其聯繫起來。 此外，機器人本身也能激發兒童和青少年的想像力，提供靈感和動力」。13
隨著技術的不斷發展和程式設計成為一項理想的技能，教育機構希望透過向學生介紹工業機器人和製造來為他們的勞動力做好準備。 工業機器人和機械手臂是可程式機器，旨在執行特定任務或功能。1
「機器人系統通常用於執行不安全、危險甚至重複性的操作任務。 它們具有許多不同的功能，例如物料搬運、組裝、焊接、機器或工具的裝載和卸載，以及諸如噴漆、噴塗等功能。 大多數機器人都是透過教學技術和重複來配置操作的。”1
研究表明，學生在課堂上使用機器人會產生積極的態度和體驗。16 然而，儘管學生態度積極，工業機器人在教育環境中的使用仍存在一些障礙：尺寸限制、安全問題、高成本和有限的程式設計經驗。 本文將討論 VEX V5 Workcell 如何作為在教育環境中引入工業機器人的解決方案。
二. 新型且經濟實惠的機器人模型（硬體）：
隨著科技的進步，越來越多的學生開始對機器人作為職業感興趣。 機器人技術可以激發學生對科學和數學領域的興趣，並為學生提供練習解決問題和邏輯思維的機會。12 透過教育機器人培養的技能（例如問題解決和邏輯思維）也可以應用於工業機器人和製造業的職業生涯，並且是基礎技能。 為了滿足機器人領域專家獲得編碼、解決問題和邏輯思維能力的需求，教育指導希望在課堂上引入工業機器人。17 然而，將工業機器人引入教育環境以幫助學生在製造業職業生涯中取得成功是有限制的。 不僅購買成本高昂，維護工作機械手臂的成本也很高。 這種成本可能會限制學生可以與之互動的機器人數量，從而限制學生獨立動手參與的數量。11 工業尺寸的機械手臂也需要大量的空間，並且在使用工業機器人時始終存在安全風險。 缺乏經驗的學生可能會意外傷害自己、設備或他人。11 由於這些因素，教育機構正在轉向更小、更安全、更具成本效益的工業機器人模型。
「雖然大型機器人的搬運需要持續的監督，並且必須在專用的機器人單元中完成，但許多大學現在選擇購買額外的桌面大小的機器人，讓學生能夠獨立工作。 由於這些機器的編程方式與大型機器人相同，因此結果可以立即應用於大型機器以進行全面應用。”2
VEX V5 Workcell 是一款更小、更安全、更具成本效益的工業機器人模型，它足夠小，可以放置在教室桌子上，並建議採用三比一的機器人比例，讓學生有機會親自參與機器人。 V5 Workcell 尺寸更小，並且能夠對保險桿開關進行編程，在需要時充當緊急停止功能，因此更加安全。
V5 工作單元也讓學生參與原本不可能實現的拼搭體驗。 從事專業工業規模機械手臂工作的學生獲得了對其進行程式設計的寶貴知識和技能，但可能不了解它們如何移動和操作，因為他們沒有參與建造過程。 參與搭建過程不僅讓學生有機會在硬體和軟體之間建立更牢固的聯繫，還讓學生獲得更多有關機器人物理工作原理的基礎知識。 這個機會可以為學生提供所需的知識和建構經驗，以便更有效地排除硬體故障並解決問題。13 將機器人的物理構建納入工業機器人教育也使學生有機會將物理、工程和數學的抽象概念和方程式帶入生活。 在上下文中實踐這些 STEM 概念還可以讓學生了解它們如何應用於行業。
大多數其他較小且更具成本效益的工業機器人型號都是預先組裝的，並且通常僅針對一種功能而建造。 V5 Workcell 硬體的一個優點是學生不限於建造一個機器人。 學生使用 VEX Robotics V5 系統中的零件來建造 V5 工作單元，該系統具有多種不同的建造方式，包括機器人手臂的基本功能（如圖 1 所示）、更改 EOAT（手臂末端工具）以及添加多個傳送帶和感測器（如圖2 所示）。 這不僅為學生提供了建造機器人手臂本身的經驗，還為學生提供了建造整個小型製造工作單元模型的經驗。 這使得學生能夠參與到強調數學和工程概念的建構過程中，如果不進行構建，學生將無法體驗這些概念。 這也使學生能夠了解 V5 Workcell 如何在物理層面上運行，這也可以轉移到程式設計上。 這使得 V5 Workcell 成為一種教學工具，不僅向學生介紹工業機器人和程式設計概念，還向他們介紹建造、工程和數學概念，例如笛卡爾座標系和在 3D 空間中操作機器人。
圖 1：Lab 1 建構（機械手臂）
圖 2：Lab 11 建置（機械手臂以及傳送帶和感測器）
建構說明中提供了不同的構建，指導學生逐步建構（如圖 3 所示）。 這使得那些可能沒有任何一般建築經驗、金屬建築經驗或使用工具經驗的學生也能輕鬆建造 V5 工作單元。
圖 3：實驗室步驟 4 建置說明
VEX V5 Workcell 為教育機構提供了更小、更安全、更具成本效益的工業機器人模型選項，與專業工業規模機器人相比，它不僅具有多功能的建造功能，而且為學生提供了更獨立、更實踐的學習體驗武器。
三． 教學程式設計（軟體）：
隨著技術呈指數級發展，工業製造中的許多體力勞動工作現在都得到了自動化的補充。4 這可以補充勞動力，甚至在某些情況下可以創造更多的勞動力需求，但也要求工人具有很強的程式設計知識，以便操作、維修和維護自動化。4 程式設計是一項需要數年時間才能精通的技能，工業中使用的大多數程式語言都很複雜，並且是為專業工程師使用而設計的。3 這意味著要讓機器人執行最簡單的任務所需的程式也需要聘請程式專家。3
「例如，手動編程用於製造大型車輛車體的機器人弧焊系統需要八個多月的時間，而焊接過程本身的週期時間只有十六個小時。 在這種情況下，程式設計時間大約是執行時間的 360 倍」。9
這種程式設計專業知識水平限制了想要了解工業機器人程式設計基礎知識但幾乎沒有程式設計經驗的學生和教育工作者的訪問。
「機器人程式設計非常耗時、複雜、容易出錯，並且需要任務和平台方面的專業知識。 在工業機器人領域，有許多供應商特定的程式語言和工具，需要一定的熟練程度。 然而，為了提高工業自動化水平，以及擴大機器人在其他領域的使用，例如服務機器人和災難管理，非專家必須能夠指導機器人。”10
在任何年齡段，作為新手學習程式設計都是具有挑戰性的。8 在學習文法的基礎上學習如何理解專案流程不僅會令人不知所措，而且會令人沮喪，甚至令人恐懼。5 為了讓學生和教育工作者獲得工業機器人技術的經驗，需要降低這些機器人編碼的複雜性，以便新手程式設計師也可以參與。 這可以透過簡化傳統基於文本的語言的程式語言來完成。 簡化程式語言已經成功地向幼兒介紹和教授如何在不同領域（包括教育）進行程式設計。3 由於這一成功，簡化的程式語言可用於教授個人工業機器人程式設計的基礎知識，並使他們能夠建立基礎技能，以便日後在工業領域取得成功。3
VEX V5 Workcell 讓學生可以使用 VEXcode V5（一種由 Scratch 區塊支援的基於區塊的語言）對工業機器人手臂模型進行程式設計。18 (scratch.mit.edu) 學生能夠使用簡化的程式語言 VEXcode V5 進行程式設計。 學生可以建立一個專案來成功操作工作單元，並更深入地了解專案的目的和流程。 研究表明，沒有程式設計經驗的新手可以成功編寫基於區塊的程式來完成基本的工業機器人任務。3
研究還表明，學生們表示，基於區塊的程式語言（例如 VEXcode V5）的性質很容易，因為區塊的自然語言描述、與區塊互動的拖放方法以及易於使用的方法。閱讀該專案。6 與更傳統的基於文字的方法相比，VEXcode V5 也解決了基於區塊的程式語言的關注點。 一些已發現的缺點是缺乏真實性和不夠強大。6 VEXcode V5 透過合併一個名為「代碼檢視器」的工具，解決了人們所認為的缺乏真實性和功能不夠強大的問題。 程式碼檢視器允許學生建立區塊項目，然後以 C++ 或 Python 的文字形式查看相同項目。 這種轉換使學生能夠超越基於區塊的語言的限制，並為他們提供成功彌合從區塊到文本的語法差距所需的鷹架工具。 VEXcode V5 對區塊和命令使用類似的命名約定，以使從區塊到文字的轉換更容易。
Weintrop 和 Wilensky7 進行的一項研究比較了高中計算機科學課堂中基於塊的編程和基於文本的編程，發現使用基於塊的語言的學生在學習中表現出更大的收穫，並對未來計算表現出較高的興趣培訓班。 使用基於文字的語言的學生認為他們的程式設計體驗與程式設計師在行業中所做的更相似，並且在提高他們的程式設計技能方面更有效。 VEXcode V5 為新手程式設計師提供了兩全其美的機會，讓他們先建立堅實的程式設計概念基礎，然後在過渡到 C++ 或 Python（VEXcode V5 中支援的兩種基於文字的語言）時可以使用這些概念。
VEXcode V5 是一種可存取且免費的基於區塊的程式語言，適用於教育環境中使用的工業機器人模型，這使得無法使用機器人的學生和教育工作者更容易使用機器人程式設計。 製造工作環境隨著技術的發展而不斷變化，像VEXcode V5 這樣的基於區塊的程式語言也許能夠更好地為那些渴望成為未來製造工人的學生提供他們在製造和工業工作中取得成功所需的技能和基礎程式設計知識。3
四． 大創意
V5 Workcell 的最大優勢之一是，學生有機會學習並專注於更大的概念和基本原理，這些概念和基本原理不僅是程式設計的基礎，也是工程和工業機器人專業領域的基礎。 專注於一些可以應用於不同環境和情況的更大概念，使學生有機會獲得對這些技能和主題的更深入的理解和更深入的學習體驗。 哈爾彭和哈克爾認為，「與對廣泛主題的百科全書式覆蓋相比，強調對基本原理的深入理解通常構成更好的教學設計」。14
學生將研究不同的概念，例如：
- 用金屬和電子產品建造
- 笛卡爾座標系
- 機械手臂如何在 3D 空間中移動
- 程式碼復用
- 變數
- 二維列表
- 自動化感測器回饋
- 輸送系統等等。
學生將獲得這些概念的基礎知識，這些知識可以在以後轉移並應用到數學、程式設計、工程和製造等廣泛領域。 在了解這些概念的同時，學生能夠積極解決問題、協作、發揮創造力並建立彈性。 所有這些在任何環境中都是重要技能，並且與當今 21 世紀的技能緊密相關。
「知識在 21 世紀變得至關重要，人們需要獲得這些技能才能進入勞動市場，稱為 21 世紀技能。 一般來說，21 世紀技能包括協作、溝通、數位素養、公民意識、解決問題、批判性思考、創造力和生產力。 這些技能被稱為21世紀技能，顯示它們與當前經濟和社會發展的關係比上世紀工業生產方式的技能更相關」。15
五、 結論
本文的目的是在教育環境中展示 VEX V5 Workcell 的優勢，以介紹工業機器人技術。 本文表明，VEX V5 Workcell 提供了一個全方位的解決方案，可以在具有成本效益的教育環境中向學生介紹工業機器人，降低程式設計入門門檻，並專注於幫助學生髮展的大創意重要的技能。