VEX V5 Workcell: industrieel robotarmmodel voor STEM-onderwijs

Abstract

Industriële robotica wordt in bijna alle productie-industrieën gebruikt en biedt werk aan duizenden werknemers. Maar vanwege het wijdverbreide gebruik ervan over de hele wereld, is de introductie van industriële robotica in een onderwijsomgeving moeilijk te verwezenlijken en is in de praktijk beperkt. Dit document schetst de belemmeringen voor de introductie van industriële robotica in een educatieve omgeving en presenteert de oplossing met behulp van een robotarm genaamd de VEX V5 Workcell. De VEX V5 Workcell is ontwikkeld om de toegankelijkheid van industriële robotica voor middelbare leerlingen en technische studenten te verbeteren. De toegankelijkheidsproblemen bij de introductie van industriële robotica in een onderwijsomgeving zijn een combinatie van beperkingen qua omvang, veiligheidsoverwegingen, hoge kosten en beperkte programmeerervaring. De hardware en software die door VEX Robotics zijn gemaakt, bieden leerlingen de mogelijkheid om technische en probleemoplossende vaardigheden te ontwikkelen door een gesimuleerde productiewerkcel met een vijfassige robot te bouwen en te programmeren.

Trefwoorden:

lesgeven in industriële robotica; STEM; Python; C++, op blokken gebaseerde codering; VEX-robotics; robotarm; educatieve robotica

I. Inleiding

Het gebruik van robotica in het onderwijs is een interdisciplinaire, praktijkgerichte, authentieke leerervaring geworden voor leerlingen van alle leeftijden. Betrokkenheid bij robotica in het onderwijs kan de belangstelling van jongere leerlingen voor wetenschap aanwakkeren en hen de ervaring en het medium geven om belangrijke dingen te leren. Vaardigheden zoals logisch denken, volgorde en probleemoplossing. Naarmate leerlingen vorderen in hun educatieve carrière met robotica, kunnen ze voortbouwen op de basisvaardigheden van probleemoplossing en logisch denken om complexere technische en computerwetenschappelijke concepten te bestuderen die abstracte natuurkundige en wiskundige concepten tot leven brengen.

“Het bouwen van robots is een populaire projectkeuze voor de implementatie van probleemgestuurd onderwijs (PGO) in klaslokalen. De reden waarom het zo'n populaire keuze is, kan worden verklaard door het multidisciplinaire karakter van het onderwerp: robotica vereist veel verschillende wetenschappelijke, technische en technologische vaardigheden, zoals natuurkunde, elektronica, wiskunde en programmeren. Het is een ideaal vak omdat er zoveel verschillende vakken aan gekoppeld kunnen worden. Bovendien spreken robots zelf tot de verbeelding van kinderen en tieners en bieden ze inspiratie en motivatie”.

Nu technologie voortdurend evolueert en programmeren een wenselijke vaardigheid wordt, willen onderwijsinstellingen hun leerlingen voorbereiden om toekomstig personeel te zijn door ze kennis te laten maken met industriële robotica en productie. Industriële robots en robotarmen zijn programmeerbare machines die zijn ontworpen om een specifieke taak of functie uit te voeren.

“Robosystemen worden over het algemeen gebruikt om onveilige, gevaarlijke en zelfs repetitieve operatortaken uit te voeren. Ze hebben veel verschillende functies, zoals materiaalbehandeling, montage, lassen, laden en lossen van een machine of gereedschap, en functies zoals: schilderen, spuiten, enz. De meeste robots zijn geconfigureerd voor gebruik door techniek en herhaling aan te leren”.

Onderzoek toont aan dat leerlingen positieve attitudes en ervaringen hebben door het gebruik van robots in de klas. Ondanks de positieve attitudes van leerlingen zijn er echter barrières die het gebruik van industriële robotica in een onderwijsomgeving beperken: een combinatie van beperkingen qua omvang, veiligheidsoverwegingen, hoge kosten en beperkte programmeerervaring. In dit artikel wordt besproken hoe de VEX V5 Workcell een oplossing is voor de introductie van industriële robotica in een onderwijsomgeving.

II. Nieuwe en betaalbare robotmodellen (hardware):

Naarmate de technologie vordert, raken steeds meer leerlingen geïnteresseerd in robotica als carrière. Robotica kan de interesse van leerlingen in de natuurwetenschappen en wiskunde wekken en leerlingen de kans geven om probleemoplossing en logisch denken te oefenen. De vaardigheden die zijn ontwikkeld door te werken met educatieve robotica, zoals probleemoplossing en logisch denken, kunnen ook worden toegepast, en zijn fundamenteel, in de carrière van industriële robotica en productie. Om te voldoen aan de behoefte en vraag van specialisten op het gebied van robotica die vaardigheden op het gebied van coderen, probleemoplossing en logisch denken hebben verworven, willen educatieve instructies industriële robotica in hun klaslokalen introduceren. Er zijn echter beperkingen aan het introduceren van industriële robots in een educatieve instelling om deze leerlingen voor te bereiden op een succesvolle carrière in de productie. Het is niet alleen kostbaar om een werkende robotarm te kopen, maar ook om deze te onderhouden. Deze kosten kunnen het aantal robots beperken waarmee de studenten kunnen communiceren en bijgevolg de hoeveelheid onafhankelijke hands-on betrokkenheid van leerlingen beperken. Robotarmen van industriële grootte vereisen ook veel ruimte en er is altijd een veiligheidsrisico bij het werken met industriële robots. Onervaren leerlingen kunnen zichzelf, de apparatuur of anderen per ongeluk verwonden. Vanwege deze factoren schakelen onderwijsinstellingen over op kleinere, veiligere en meer kosteneffectieve industriële robotmodellen.

“Terwijl het hanteren van grote robots constant toezicht vereist en in speciale robotcellen moet gebeuren, kiezen veel universiteiten er nu voor om extra robots van desktopformaat aan te schaffen waarmee studenten zelfstandig kunnen werken. Aangezien deze machines op dezelfde manier geprogrammeerd zijn als de grotere robots, kunnen de resultaten onmiddellijk worden toegepast op de grote machines voor volledige toepassingen”.

De VEX V5 Workcell is een kleiner, veiliger en kosteneffectiever industrieel robotmodel, dat klein genoeg is om op een bureau in een klaslokaal te worden geplaatst en met een aanbevolen verhouding van drie leerlingen op één robot, biedt de leerlingen de mogelijkheid om hands-on bezig te zijn met de robot. De V5 Workcell is veiliger omdat hij kleiner is en de mogelijkheid heeft om een bumperschakelaar te programmeren die indien nodig als noodstop fungeert.

De V5 Workcell stelt leerlingen ook in staat om een bouwervaring op te doen die anders niet mogelijk zou zijn. Leerlingen die zich bezighouden met professionele robotarmen van industrieel formaat doen waardevolle kennis en vaardigheden op door ze te programmeren, maar begrijpen misschien niet hoe ze bewegen en werken omdat ze niet betrokken waren bij het bouwproces. Betrokken zijn bij het bouwproces geeft leerlingen niet alleen de mogelijkheid om een sterkere verbinding te maken tussen de hardware en software, maar stelt leerlingen ook in staat om meer fundamentele kennis op te doen over hoe de robot fysiek werkt. Deze mogelijkheid kan lerlingen de kennis en bouwervaring geven die ze nodig hebben om problemen met de hardware effectiever op te lossen en problemen op te lossen. Door het fysieke bouwen van robots op te nemen in het industriële robotonderwijs, krijgen leerlingen ook de kans om abstracte concepten en vergelijkingen van de fysica in te brengen. , techniek en wiskunde tot leven. Door deze STEM-concepten in context te oefenen, kunnen leerlingen ook zien hoe ze toepasbaar zijn in de industrie.

De meeste andere kleinere en meer kosteneffectieve industriële robotmodellen worden voorgemonteerd geleverd en zijn vaak slechts voor één functie gebouwd. Een voordeel van de V5 Workcell-hardware is dat leerlingen niet beperkt zijn tot één robotbouw. De leerlingen bouwen de V5-workcell met onderdelen van het VEX Robotics V5-systeem, dat talloze verschillende bouwontwerpen heeft, waaronder de basisfunctie van de robotarm (weergegeven in figuur 1), het wijzigen van de EOAT (end-of-arm-tooling) en het toevoegen meerdere transportbanden en sensoren (weergegeven in figuur 2). Dit geeft leerlingen niet alleen ervaring met het bouwen van de robotarm zelf, maar met het geheel van een klein productiewerkcelmodel. Hierdoor kunnen de leerlingen deelnemen aan een bouwproces dat wiskundige en technische concepten benadrukt die leerlingen niet zouden kunnen ervaren zonder te bouwen. Hierdoor kunnen leerlingen ook begrijpen hoe de V5 Workcell op fysiek niveau werkt, wat ook wordt overgedragen op programmeren. Dit maakt de V5 Workcell tot een pedagogisch hulpmiddel dat leerlingen niet alleen kennis laat maken met industriële robotica en programmeerconcepten, maar hen ook kennis laat maken met bouw-, engineering- en wiskundige concepten zoals het cartesiaanse coördinatensysteem en het besturen van een robot in 3D-ruimte.

De verschillende bouwwerken worden gegeven in bouwinstructies die de leerling stap voor stap door het bouwen leiden (weergegeven in figuur 3). Dit maakt het bouwen van de V5 Workcell toegankelijk voor studenten die misschien geen ervaring hebben met bouwen in het algemeen, bouwen met metaal of het gebruik van gereedschap.

Figure 3: A step from the Lab 4 Build Instructions

De VEX V5 Workcell biedt onderwijsinstellingen een kleinere, veiligere en meer kosteneffectieve industriële robotmodeloptie die niet alleen veelzijdig is in zijn bouwmogelijkheden, maar leerlingen ook een meer onafhankelijke, praktische leerervaring biedt in vergelijking met professionele industriële robots armen.

III. Lesgeven Programmeren (software):

Nu de technologie zich exponentieel ontwikkelt, worden veel handmatige banen in de industriële productie nu aangevuld met automatisering. Dit kan arbeid aanvullen en in sommige gevallen zelfs meer vraag naar arbeid creëren, maar vereist ook dat werknemers een sterke kennis van programmeren hebben. om de automatisering te bedienen, te repareren en te onderhouden. Programmeren is een vaardigheid die jaren kan duren voordat een persoon bekwaam wordt, en de meeste programmeertalen die in de industrie worden gebruikt, zijn complex en ontworpen om te worden gebruikt door professionele ingenieurs. Dit betekent dat voor de programma's die nodig zijn om de robot zelfs de eenvoudigste taken uit te voeren, een programmeerspecialist moet worden ingehuurd

“Het manueel programmeren van een gerobotiseerd booglassysteem voor de vervaardiging van een grote voertuigromp duurt bijvoorbeeld meer dan acht maanden, terwijl de cyclustijd van het lasproces zelf slechts zestien uur bedraagt. In dit geval is de programmeertijd ongeveer 360 keer de uitvoeringstijd”.

Dit niveau van programmeerexpertise beperkt de toegang voor studenten en docenten die willen leren over de basisprincipes van programmeren van industriële robotica, maar weinig tot geen programmeerervaring hebben

“Robot programming is time consuming, complex, error-prone, and requires expertise both of the task and the platform. Within industrial robotics, there are numerous vendor-specific programming languages and tools, which require certain proficiency. However, to increase the level of automation in industry, as well as to extend the use of robots in other domains, such as service robotics and disaster management, it has to be possible for non-experts to instruct the robots”.

Leren programmeren als een beginner op elke leeftijd is een uitdaging. Leren hoe je projectflow begrijpt bovenop het leren van syntaxis kan niet alleen overweldigend zijn, maar ook ontmoedigend en zelfs ronduit beangstigend.5 Om ervoor te zorgen dat lerlingen en docenten ervaring opdoen met industriële robotica , moet de complexiteit van het coderen van deze robots worden verminderd, zodat beginnende programmeurs kunnen deelnemen. Dit kan worden gedaan door de programmeertaal te vereenvoudigen van traditionele op tekst gebaseerde talen. Het vereenvoudigen van een programmeertaal is succesvol geweest bij het introduceren en leren programmeren van jonge kinderen op verschillende gebieden, waaronder onderwijs. Vanwege dit succes kan een vereenvoudigde programmeertaal worden gebruikt om individuen de basisprincipes van het programmeren van industriële robots te leren, en zou hen in staat stellen om de basisvaardigheden op te bouwen die ze later kunnen gebruiken om succesvol te zijn in de industrie.

Met de VEX V5 Workcell kunnen studenten een industrieel robotarmmodel programmeren met behulp van VEXcode V5, een op blokken gebaseerde taal die wordt aangedreven door Scratch-blokken. (scratch.mit.edu) De leerling kan programmeren met VEXcode V5, een vereenvoudigde programmeertaal. Studenten kunnen een project bouwen om de workcell met succes te manipuleren en begrijpen ook het doel en de stroom van het project op een dieper niveau. Studies hebben aangetoond dat beginners zonder eerdere programmeerervaring met succes blokgebaseerde programma's kunnen schrijven om elementaire industriële robottaken uit te voeren.

Studies hebben ook aangetoond dat leerlingen melden dat de aard van een op blokken gebaseerde programmeertaal, zoals VEXcode V5, gemakkelijk is vanwege de natuurlijke taalbeschrijving van blokken, de drag-and-drop-methode voor interactie met de blokken en het gemak van het lezen van het project. VEXcode V5 behandelt ook punten van zorg voor een op blokken gebaseerde programmeertaal in vergelijking met de meer conventionele op tekst gebaseerde benadering. Enkele van de geïdentificeerde nadelen zijn een waargenomen gebrek aan authenticiteit en minder krachtig zijn. VEXcode V5 pakt zowel het waargenomen gebrek aan authenticiteit aan als minder krachtig lijken door een tool op te nemen die bekend staat als de 'codeviewer'. hetzelfde project in tekstvorm in C++ of Python. Deze conversie stelt leerlingen in staat om verder te groeien dan de beperking van een op blokken gebaseerde taal en biedt hen ook de steigertools die ze nodig hebben om succesvol te zijn om de kloof in syntaxis van blokken naar tekst te overbruggen. VEXcode V5 gebruikt vergelijkbare naamgevingsconventies voor blokken en commando's, om de overgang van blokken naar tekst gemakkelijker te maken.

Een studie uitgevoerd door Weintrop en Wilensky7 om op blokken gebaseerde en op tekst gebaseerde programmering te vergelijken in klaslokalen op het gebied van computerwetenschappen op de middelbare school, toonde aan dat leerlingen die de op blokken gebaseerde taal gebruikten meer leerwinst boekten en meer interesse toonden in toekomstige computercursussen. Leerlingen die de op tekst gebaseerde taal gebruikten, beschouwden hun programmeerervaring als meer vergelijkbaar met wat programmeurs in de industrie doen en als effectiever in het verbeteren van hun programmeervaardigheden. VEXcode V5 geeft beginnende programmeurs het beste van twee werelden door hen in staat te stellen eerst een sterke basis van programmeerconcepten op te bouwen die ze vervolgens kunnen gebruiken bij de overgang naar C++ of Python, beide op tekst gebaseerde talen die worden ondersteund in VEXcode V5.

VEXcode V5 is een toegankelijke en gratis op blokken gebaseerde programmeertaal voor een industrieel robotmodel voor gebruik in educatieve omgevingen, waardoor programmeerrobots toegankelijker worden voor studenten en docenten die ze anders niet zouden kunnen gebruiken. Werkomgevingen in productie veranderen constant met technologie, en op blokken gebaseerde programmeertalen zoals VEXcode V5 kunnen leerlingen die toekomstige productiemedewerkers willen worden mogelijk beter de vaardigheden en fundamentele programmeerkennis bieden die ze nodig hebben om succesvol te zijn in productie- en industriële banen.

IV. Grote ideeën

Een van de grootste voordelen van de V5 Workcell is dat leerlingen de kans krijgen om te leren en zich te concentreren op grotere concepten en basisprincipes die niet alleen fundamenteel zijn voor programmeren, maar ook voor engineering en het professionele veld van industriële robotica. Door zich te concentreren op enkele grotere concepten die in verschillende omgevingen en situaties kunnen worden toegepast, krijgen studenten de kans om een dieper inzicht en een diepere leerervaring van die vaardigheden en onderwerpen op te doen. Halpern en Hackel suggereren dat "een nadruk op een diepgaand begrip van basisprincipes vaak een beter instructieontwerp vormt dan een meer encyclopedische dekking van een breed scala aan onderwerpen".

Leerlingen zullen verschillende concepten onderzoeken, zoals:

• Bouwen met metaal en elektronica
• Het Cartesiaanse coördinatenstelsel
• Hoe een robotarm in de 3D-ruimte beweegt
• code hergebruiken
• variabelen
• 2D-lijsten
• Sensorfeedback voor automatisering
• Transportsystemen en nog veel meer.

Leerlingen zullen fundamentele kennis van deze concepten opdoen die later kunnen worden overgedragen en toegepast op een breed scala van gebieden, zoals wiskunde, programmeren, engineering en productie. Terwijl ze een inleiding krijgen tot deze concepten, zijn leerlingen actief in staat om problemen op te lossen, samen te werken, creatief te zijn en veerkracht op te bouwen. Dit zijn allemaal belangrijke vaardigheden in elke omgeving en sluiten aan bij de vaardigheden van de 21e eeuw.

“Kennis is van vitaal belang geworden in de 21e eeuw en mensen moeten dergelijke vaardigheden verwerven om toegang te krijgen tot de beroepsbevolking, de zogenaamde 21e-eeuwse vaardigheden. Over het algemeen omvatten 21e-eeuwse vaardigheden samenwerking, communicatie, digitale geletterdheid, burgerschap, probleemoplossing, kritisch denken, creativiteit en productiviteit. Deze vaardigheden worden 21e-eeuwse vaardigheden genoemd om aan te geven dat ze meer verband houden met de huidige economische en sociale ontwikkelingen dan met die van de vorige eeuw die wordt gekenmerkt als een industriële productiewijze”.

V. Conclusies

Het doel van dit document is om de voordelen van de VEX V5 Workcell te presenteren in een educatieve omgeving om industriële robotica te introduceren. Door dit te doen, laat deze paper zien dat de VEX V5 Workcell een allesomvattende oplossing biedt om studenten kennis te laten maken met industriële robotica in een onderwijsomgeving die kosteneffectief is, de programmeerdrempel verlaagt en zich richt op grote ideeën die leerlingen helpen ontwikkelen belangrijke vaardigheden.