Cellule de travail VEX V5 : Modèle de bras robotique industriel pour l'enseignement des STIM

visibility3533 Views

Résumé

La robotique industrielle est utilisée dans presque toutes les industries manufacturières et emploie des milliers de travailleurs. Pourtant, malgré son utilisation répandue dans le monde entier, l'introduction de la robotique industrielle dans un cadre éducatif est difficile à réaliser et limitée dans la pratique. Cet article décrit les obstacles à l'introduction de la robotique industrielle dans un cadre éducatif et présente la solution à l'aide d'un bras robotique appelé VEX V5 Workcell. Le VEX V5 Workcell a été développé pour améliorer l'accessibilité de la robotique industrielle aux étudiants du secondaire et des filières techniques. Les problèmes d'accessibilité liés à l'introduction de la robotique industrielle dans un cadre éducatif sont dus à la fois aux restrictions de taille, aux problèmes de sécurité, au cout élevé et à l'expérience limitée en matière de programmation. Le matériel et le logiciel créés par VEX Robotics offrent aux élèves la possibilité de développer des compétences techniques et de résolution de problèmes en construisant et en programmant une cellule de fabrication simulée avec un robot à cinq axes.

Mots-clés :

enseignement de la robotique industrielle, STEM, Python, C++, codage par blocs, VEX Robotics, bras robotique, robotique éducative

I. Introduction

L'utilisation de la robotique dans l'éducation est devenue une expérience d'apprentissage interdisciplinaire, pratique et authentique pour les élèves de tous âges. L'utilisation de la robotique dans l'enseignement peut susciter l'intérêt des jeunes élèves pour les sciences et leur donner l'expérience et le moyen d'acquérir des compétences importantes telles que la pensée logique, le séquençage et la résolution de problèmes. Au fur et à mesure que les élèves progressent dans leur parcours éducatif avec la robotique, ils peuvent s'appuyer sur les compétences fondamentales de la résolution de problèmes et de la pensée logique pour étudier des concepts d'ingénierie et d'informatique plus complexes qui donnent vie à des concepts physiques et mathématiques abstraits.

“La construction de robots est un choix de projet populaire pour la mise en œuvre de l'apprentissage par problèmes (APP) dans les salles de classe. La raison pour laquelle il s'agit d'un choix si populaire peut s'expliquer par la nature multidisciplinaire du sujet : la robotique requiert de nombreuses compétences scientifiques, techniques et technologiques différentes, telles que la physique, l'électronique, les mathématiques et la programmation. C'est une matière idéale, car de nombreux cours différents peuvent y être liés. De plus, les robots eux-mêmes captent l'imagination des enfants et des adolescents, leur fournissant inspiration et motivation”.

La technologie évoluant sans cesse et la programmation devenant une compétence souhaitable, les établissements d'enseignement souhaitent préparer leurs étudiants à la main-d'œuvre en les initiant à la robotique et à la fabrication industrielles. Les robots industriels et les bras robotiques sont des machines programmables conçues pour exécuter une tâche ou une fonction spécifique.

“Les systèmes robotiques sont généralement utilisés pour effectuer des tâches non sécurisées, dangereuses et même répétitives de l'opérateur. Ils ont de nombreuses fonctions différentes, telles que la manipulation de matériaux, l'assemblage, le soudage, le chargement et le déchargement d'une machine ou d'un outil, et des fonctions telles que : la peinture, la pulvérisation, etc. La plupart des robots sont configurés pour fonctionner par l'apprentissage de la technique et la répétition”.

La recherche montre que les étudiants ont des attitudes et des expériences positives en utilisant des robots dans la salle de classe. Cependant, malgré les attitudes positives des élèves, il existe des obstacles qui limitent l'utilisation de la robotique industrielle dans un cadre éducatif : une combinaison de restrictions de taille, de problèmes de sécurité, de cout élevé et d'expérience limitée en matière de programmation. Cet article explique comment la VEX V5 Workcell est une solution pour introduire la robotique industrielle dans un cadre éducatif.

II. Nouveaux modèles de robots abordables (matériel)

À mesure que la technologie progresse, de plus en plus d'élèves s'intéressent à la robotique en tant que carrière. La robotique peut susciter l'intérêt des élèves pour les domaines scientifiques et mathématiques, et leur donner l'occasion de s'exercer à la résolution de problèmes et à la pensée logique. Les compétences acquises en travaillant avec la robotique éducative, comme la résolution de problèmes et la pensée logique, peuvent également être appliquées, et sont fondamentales, dans la carrière de la robotique industrielle et de la fabrication. Pour répondre au besoin et à la demande de spécialistes dans le domaine de la robotique qui ont acquis des compétences en codage, en résolution de problèmes et en raisonnement logique, les instructions pédagogiques veulent introduire la robotique industrielle dans leurs salles de classe. Cependant, il y a des limites à l'introduction de robots industriels dans un cadre éducatif pour préparer ces étudiants à réussir une carrière dans la fabrication. L'achat, mais aussi l'entretien d'un bras robotique en état de marche sont couteux. Ce cout peut limiter le nombre de robots avec lesquels les élèves peuvent interagir et, par conséquent, limiter la quantité d'engagements pratiques indépendants des élèves. Les bras robotiques de taille industrielle nécessitent également beaucoup d'espace, et il y a toujours un risque de sécurité lorsqu'on travaille avec des robots industriels. Les étudiants inexpérimentés peuvent accidentellement se blesser, endommager l'équipement ou blesser d'autres personnes. En raison de ces facteurs, les établissements d'enseignement se tournent vers des modèles de robots industriels plus petits, plus sûrs et plus rentables.

“Alors que la manipulation de gros robots nécessite une supervision constante et doit se faire dans des cellules robotiques dédiées, de nombreuses universités optent désormais pour l'achat de robots supplémentaires de la taille d'un bureau qui permettent aux étudiants de travailler de manière indépendante. Comme ces machines sont programmées de la même façon que les grands robots, les résultats peuvent être immédiatement appliqués aux grandes machines pour des applications à grande échelle”.

Le VEX V5 Workcell est un modèle de robot industriel plus petit, plus sûr et plus rentable. Il est suffisamment petit pour être placé sur le bureau d'une salle de classe et, avec un ratio recommandé de trois étudiants pour un robot, il donne aux étudiants la possibilité de s'impliquer dans le robot. Le V5 Workcell est plus sûr grâce à sa taille plus petite et à la possibilité de programmer un interrupteur de parechoc qui fonctionne comme un arrêt d'urgence si nécessaire.

La cellule de travail V5 permet également aux étudiants de s'engager dans une expérience de construction qui ne serait pas possible autrement. Les étudiants qui utilisent des bras robotiques professionnels de taille industrielle acquièrent des connaissances et des compétences précieuses en les programmant, mais ils ne comprennent pas toujours comment ils se déplacent et fonctionnent parce qu'ils n'ont pas été impliqués dans le processus de construction. Participer au processus de construction permet non seulement aux élèves d'établir un lien plus fort entre le matériel et le logiciel, mais aussi d'acquérir des connaissances plus fondamentales sur le fonctionnement physique du robot. Cette opportunité peut donner aux élèves les connaissances et l'expérience de construction dont ils ont besoin pour dépanner le matériel plus efficacement et pour résoudre les problèmes. L'intégration de la construction physique de robots dans l'enseignement de la robotique industrielle donne aussi aux élèves la possibilité de donner vie à des concepts et équations abstraits de physique, d'ingénierie et de mathématiques. La mise en pratique de ces concepts STEM en contexte permet également aux étudiants de voir comment ils sont applicables dans l'industrie.

La plupart des autres modèles de robots industriels, plus petits et plus économiques, sont livrés préassemblés et sont souvent conçus pour une seule fonction. L'avantage du matériel V5 Workcell est que les élèves ne sont pas limités à la construction d'un seul robot. Les élèves construisent la cellule de travail V5 à partir de pièces du système VEX Robotics V5, qui offre de nombreuses possibilités de construction, notamment la fonction de base du bras du robot (illustrée à la figure 1), la modification de l'EOAT (end-of-arm-tooling) et l'ajout de plusieurs convoyeurs et capteurs (illustrée à la figure 2). Les élèves ont ainsi l'occasion de construire non seulement le bras robotique lui-même, mais aussi l'ensemble d'un modèle de cellule de travail de fabrication de petite taille. Cela permet aux élèves de s'engager dans un processus de construction qui met en évidence des concepts mathématiques et d'ingénierie que les élèves ne pourraient pas expérimenter sans construire. Cela permet également aux étudiants de comprendre le fonctionnement de la cellule de travail V5 au niveau physique, ce qui est également valable pour la programmation. Cela fait du V5 Workcell un outil pédagogique qui, non seulement initie les étudiants à la robotique industrielle et aux concepts de programmation, mais qui les initie également aux concepts de construction, d'ingénierie et de mathématiques tels que le système de coordonnées cartésiennes et le fonctionnement d'un robot dans un espace 3D.

Figure 1 : La construction du Lab 1 (le bras robotique)

Figure 1 : La construction du Lab 1 (le bras robotique)

Figure 2 : La construction du Lab 11 (le bras robotique ainsi que les convoyeurs et les capteurs)

Figure 2 : La construction du Lab 11 (le bras robotique ainsi que les convoyeurs et les capteurs)

Les différentes constructions sont fournies dans des instructions de construction qui guident l'élève étape par étape (voir la figure 3). Cela rend la construction de la cellule de travail V5 accessible aux étudiants qui n'ont peut-être aucune expérience de la construction en général, de la construction métallique ou de l'utilisation d'outils.

Figure 3 : Une étape des instructions de construction du Lab 4
Figure 3 : Une étape des instructions de construction du Lab 4

Le VEX V5 Workcell offre aux établissements d'enseignement une option de modèle de robot industriel plus petit, plus sûr et plus rentable, qui est non seulement polyvalent dans ses capacités de construction, mais qui offre aux étudiants une expérience d'apprentissage pratique plus indépendante par rapport aux bras robotiques professionnels de taille industrielle.

III. Enseigner la programmation (logiciel):

La technologie progressant à un rythme exponentiel, de nombreux emplois manuels dans la fabrication industrielle sont désormais complétés par l'automatisation. Cela peut compléter la main-d'œuvre et même, dans certains cas, créer une plus grande demande de main-d'œuvre, mais cela exige également que les travailleurs aient de solides connaissances en programmation afin de faire fonctionner, réparer et entretenir l'automatisation. La programmation est une compétence qui peut prendre des années à acquérir, et la plupart des langages de programmation utilisés dans l'industrie sont complexes et conçus pour être utilisés par des ingénieurs professionnels. Cela signifie que les programmes nécessaires pour que le robot effectue même les tâches les plus simples nécessitent l'embauche d'un spécialiste de la programmation.

“Par exemple, la programmation manuelle d'un système de soudage à l'arc robotisé pour la fabrication d'une grande coque de véhicule prend plus de huit mois, alors que le temps de cycle du processus de soudage lui-même n'est que de seize heures. Dans ce cas, le temps de programmation est environ 360 fois supérieur au temps d'exécution”.

Ce niveau d'expertise en programmation limite l'accès aux étudiants et aux éducateurs qui souhaitent apprendre les principes fondamentaux de la programmation de la robotique industrielle, mais qui ont peu ou pas d'expérience en programmation.

“La programmation des robots est longue, complexe, sujette aux erreurs et nécessite une expertise à la fois de la tâche et de la plateforme. Dans le domaine de la robotique industrielle, il existe de nombreux outils et langages de programmation propres à chaque fournisseur, qui requièrent une certaine maitrise. Cependant, pour accroitre le niveau d'automatisation dans l'industrie, ainsi que pour étendre l'utilisation des robots à d'autres domaines, tels que la robotique de service et la gestion des catastrophes, il doit être possible pour des non-experts de donner des instructions aux robots”.

Apprendre à programmer en tant que novice à tout âge est un défi. Apprendre à comprendre le déroulement d'un projet en plus de l'apprentissage de la syntaxe peut non seulement être accablant, mais aussi décourageant et même carrément effrayant. Pour que les étudiants et les éducateurs puissent acquérir de l'expérience en matière de robotique industrielle, la complexité du codage de ces robots doit être réduite afin que les programmeurs novices puissent y prendre part. Cela peut se faire en simplifiant le langage de programmation à partir des langages textuels traditionnels. La simplification d'un langage de programmation a permis d’initier et d'apprendre aux jeunes enfants à programmer dans différents domaines, notamment l'éducation. En raison de ce succès, un langage de programmation simplifié peut être utilisé pour enseigner aux individus les bases de la programmation des robots industriels et leur permettre d'acquérir les compétences de base qu'ils pourront ensuite utiliser pour réussir dans l'industrie.

La cellule de travail VEX V5 permet aux étudiants de programmer un modèle de bras robotique industriel à l'aide de VEXcode V5, un langage à base de blocs alimenté par des blocs Scratch (scratch.mit.edu). L'étudiant est en mesure de programmer avec VEXcode V5, un langage de programmation simplifié. Les étudiants peuvent construire un projet pour manipuler la Workcell avec succès et également comprendre le but et le déroulement du projet à un niveau plus profond. Des études ont montré que des novices sans expérience préalable de la programmation peuvent écrire avec succès des programmes basés sur des blocs pour accomplir des tâches de robotique industrielle de base.

Des études ont également montré que les étudiants déclarent que la nature d'un langage de programmation basé sur des blocs, tels que VEXcode V5, est facile en raison de la description en langage naturel des blocs, de la méthode de glisser-déposer pour interagir avec les blocs et de la facilité de lecture du projet. VEXcode V5 abordent également les points de préoccupation d'un langage de programmation basé sur les blocs par rapport à l'approche plus conventionnelle basée sur le texte. Certains des inconvénients identifiés sont un manque d'authenticité perçu et le fait d'être moins puissant. VEXcode V5 répondent à la fois au manque d'authenticité perçu et à l'impression d'être moins puissant en incorporant un outil connu sous le nom de " visionneur de code ". Le visualiseur de code permet à un étudiant de créer un projet de blocs, puis de visualiser ce même projet sous forme de texte en C++ ou en Python. Cette conversion permet aux étudiants de dépasser la contrainte d'un langage basé sur les blocs et leur fournit également les outils d'échafaudage dont ils ont besoin pour réussir à combler l'écart syntaxique entre les blocs et le texte. VEXcode V5 utilise des conventions de dénomination similaires pour les blocs et les commandes, afin de faciliter le passage des blocs au texte.

Une étude réalisée par Weintrop et Wilensky7 pour comparer la programmation par blocs et la programmation en mode texte dans les classes d'informatique des lycées a révélé que les étudiants utilisant le langage par blocs ont montré de plus grands progrès dans leur apprentissage et un plus grand intérêt pour les futurs cours d'informatique. Les étudiants utilisant le langage textuel considéraient que leur expérience de programmation était plus proche de ce que font les programmeurs dans l'industrie et plus efficaces pour améliorer leurs compétences en programmation. VEXcode V5 offre aux programmeurs débutants le meilleur des deux mondes en leur permettant d'acquérir une base solide de concepts de programmation qu'ils pourront ensuite utiliser lors de la transition vers C++ ou Python, les deux langages textuels pris en charge par VEXcode V5.

VEXcode V5 est un langage de programmation par blocs accessibles et gratuits pour un modèle de robot industriel à utiliser dans des contextes éducatifs, ce qui rend la programmation de robots plus accessible aux étudiants et aux éducateurs qui, autrement, ne seraient pas en mesure de les utiliser. Les environnements de travail de la fabrication évoluent constamment avec la technologie, et les langages de programmation par blocs tels que VEXcode V5 peuvent être en mesure de mieux fournir aux étudiants qui aspirent à devenir de futurs travailleurs de la fabrication les compétences et les connaissances de base en programmation dont ils ont besoin pour réussir dans la fabrication et les emplois industriels.

IV. Les grandes idées

L'un des plus grands avantages de la cellule de travail V5 est que les étudiants ont la possibilité d'apprendre et de se concentrer sur des concepts plus larges et des principes de base qui sont fondamentaux non seulement pour la programmation, mais aussi pour l'ingénierie et le domaine professionnel de la robotique industrielle. En se concentrant sur quelques concepts plus larges qui peuvent être appliqués dans différents contextes et situations, les étudiants ont la possibilité d'acquérir une compréhension plus approfondie et une expérience d'apprentissage plus profonde de ces compétences et sujets. Halpern et Hackel suggèrent que "l'accent mis sur la compréhension approfondie des principes de base constitue souvent une meilleure conception pédagogique que la couverture plus encyclopédique d'un large éventail de sujets".

Les étudiants étudieront différents concepts tels que:

  • Construire avec du métal et de l'électronique
  • Le système de coordonnées cartésiennes
  • Comment un bras robotique se déplace dans l'espace 3D
  • Réutilisation du code
  • Variables
  • Listes 2D
  • Retour d'information des capteurs pour l'automatisation
  • Systèmes de convoyage, et bien d'autres encore.

Les élèves acquièrent une connaissance fondamentale de ces concepts qui peuvent être transférés et appliqués ultérieurement dans un large éventail de domaines tels que les mathématiques, la programmation, l'ingénierie et la fabrication. Tout en acquérant une introduction à ces concepts, les élèves sont activement capables de résoudre des problèmes, de collaborer, d'être créatifs et de développer leur résilience. Toutes ces compétences sont importantes dans n'importe quel environnement et sont liées aux compétences actuelles du 21e siècle.

“Le savoir est devenu vital au XXIe siècle et les gens doivent acquérir de telles compétences pour entrer dans la vie active, appelées compétences du XXIe siècle. En général, les compétences du XXIe siècle comprennent la collaboration, la communication, la culture numérique, la citoyenneté, la résolution de problèmes, la pensée critique, la créativité et la productivité. Ces compétences sont appelées compétences du XXIe siècle pour indiquer qu'elles sont davantage liées aux développements économiques et sociaux actuels qu'à ceux du siècle dernier, caractérisé par un mode de production industrielle”.


V. Conclusions

L'objectif de cet article est de présenter les avantages du VEX V5 Workcell dans un cadre éducatif pour introduire la robotique industrielle. Ce faisant, cet article montre que le VEX V5 Workcell offre une solution complète pour initier les élèves à la robotique industrielle dans un cadre éducatif. Cette solution est rentable, réduit la barrière d'entrée de la programmation et se concentre sur les grandes idées qui aident les élèves à développer des compétences importantes.

Dimanche Lundi Mardi Mercredi Jeudi Vendredi Samedi January February March April May June July August September October November December