Στοιχεία επιβλεπόντων καθηγητών:
Χαράλαμπος Πατρικάκης, Καθηγητής, Τμήμα Ηλεκτρολόγων και Ηλεκτρονικών Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Δυτικής Αττικής
Περίληψη:
Η ραγδαία εξέλιξη του Διαδικτύου των Πραγμάτων (Internet of Things – IoT) και της Τεχνητής Νοημοσύνης (Artificial Intelligence – AI) τα τελευταία χρόνια, έχει δημιουργήσει τις προϋποθέσεις για την ευρεία διάδοση της τεχνολογίας Ψηφιακού Διδύμου (Digital Twin) σε διάφορους κλάδους, καθώς η τελευταία καθιστά εφικτή την ψηφιακή αναπαράσταση μιας συσκευής ή διαδικασίας. Ενώ η τεχνολογία αυτή χρησιμοποιείται ευρέως από τη βιομηχανία, λίγη προσπάθεια έχει αφιερωθεί στην εκπαίδευση. Ωστόσο, εταιρείες παγκόσμιας εμβέλειας έχουν ήδη αναπτύξει εφαρμογές Digital Twin για εκπαιδευτικούς σκοπούς, που απευθύνονται σε μικρότερες ηλικίες.
Λόγω των περιορισμένων εκπαιδευτικών συστημάτων Digital Twin που είναι διαθέσιμα για την υποχρεωτική εκπαίδευση, η παρούσα διπλωματική προτείνει ένα πρωτότυπο σύστημα Digital Twin, που εφαρμόζεται στη διδασκαλία ρομποτικών συστημάτων και αυτοματισμών. Η λέξη ρομπότ ετυμολογικά προέρχεται από τη τσέχικη λέξη ρομπότα, που σημαίνει εργασία (Wallén, 2008). Καθιερώθηκε δε με τη σημερινή ορολογία, ως μηχανή που μπορεί να δράσει είτε υπό τον έλεγχο ενός ανθρώπου είτε αυτόνομα, προγραμματίζοντάς το. Ένα ρομποτικό σύστημα, είναι ένα έξυπνο σύστημα, το οποίο με χρήση αισθητήριων συστημάτων, μπορεί να αναγνωρίσει διάφορες καταστάσεις, να προειδοποιήσει και να δράσει. Σε ένα τέτοιο σύστημα εστιάζει και η παρούσα εργασία, αλλά για λόγους απλότητας και κατανόησης των εννοιών, δίνεται έμφαση σε μια συγκεκριμένη κατάσταση. Πρόκειται για μια μελέτη περίπτωσης, όπου το ρομποτικό σύστημα με τη βοήθεια αισθητήρων ανιχνεύει την απόσταση και κάποιο εμπόδιο, μια περίπτωση που είναι άρρητα συνδεδεμένη με την αυτοκίνηση όπου εντοπίζονται αντίστοιχα αισθητήρια συστήματα, όπως το αυτόματο φρενάρισμα στα αυτοκίνητα. Για την υποστήριξη του εν λόγω συστήματος αξιοποιήθηκε το Lego WeDo 2.0 kit για ρομποτική και η διαδικτυακή πλατφόρμα προγραμματισμού Scratch. Ένα προκατασκευασμένο ρομποτικό σύστημα θα δίνεται στους μαθητές, οι οποίοι στη συνέχεια θα πρέπει να κατασκευάσουν στο φυσικό περιβάλλον ένα ολοκληρωμένο αυτοματοποιημένο σύστημα με συγκεκριμένες λειτουργικότητες, αφού πρωτίστως εξασκηθούν και κατασκευάσουν το ψηφιακό δίδυμο (Digital Twin) του ρομπότ στο εικονικό περιβάλλον που θα αναπτυχθεί με το λογισμικό Scratch. Οι μαθητές θα έχουν την ευκαιρία να εργαστούν με το περιβάλλον Digital Twin και να προσομοιώσουν τη λειτουργικότητα του έργου τους πριν κατασκευάσουν τη φυσική συσκευή Lego, αποφεύγοντας έτσι σφάλματα στο φυσικό αντικείμενο. Επιπλέον, μπορούν να δουν τις δυνατότητες που δίνει η χρήση υπολογιστών και τεχνολογιών εικονικοποίησης για διάγνωση προβλημάτων και στον πραγματικό κόσμο (με τον έλεγχο για ανθρώπινα σφάλματα και την έγκαιρη πρόληψή τους, ενώ τους παρουσιάζεται η σημαντικότητα της προτυποποίησης και συμμόρφωσης σε κανόνες κατά τη διάρκεια δοκιμών και ελέγχων.
Το πρωτότυπο αυτό σύστημα παρουσιάστηκε σε ειδικούς (εκπαιδευτικούς και μηχανικούς που ειδικεύονται και αξιοποιούν συστήματα αυτοματισμών και ρομποτικής) μέσω μιας λίστας με βίντεο, τα οποία παρουσιάζουν τη λειτουργία της εφαρμογής και σενάρια χρήσης του φυσικού μοντέλου σε πραγματικές συνθήκες. Η αξιολόγηση πραγματοποιήθηκε με χρήση ηλεκτρονικού ερωτηματολογίου, με σκοπό την διερεύνηση της εκπαιδευτικής αξίας ενός τέτοιου συστήματος, τη χρησιμότητά του, το πεδίο εφαρμογής του και τυχόν βελτιώσεις που απαιτούνται, και την εξαγωγή συμπερασμάτων που θα βοηθούσαν στην ολοκληρωμένη παρουσίαση μίας πιλοτικής εφαρμογής, έτοιμης να συμμετάσχει σε μία εκπαιδευτική παρέμβαση (ως επόμενο στάδιο). Από την αξιολόγηση προέκυψαν θετικά αποτελέσματα ως προς την εκπαιδευτική αξία της εφαρμογής στην διδασκαλία των ρομποτικών συστημάτων και των αυτοματισμών. Επιπλέον από τα σχόλια που προτάθηκαν, ως μέρος της αξιολόγησης, προέκυψαν οι δυνατότητες βελτίωσης του συστήματος καθώς και μελλοντικές προεκτάσεις της εφαρμογής.
Λέξεις-κλειδιά:
Ψηφιακό δίδυμο, ρομποτική, αυτοματισμοί, Lego, Scratch
