組込み技術を課題とするエンジニアリング・
デザイン教育村上純一＊

白石 啓一＊＊Engineering Design Education by using Embedded Technology
Junichi MURAKAMI，Keiichi SHIRAISHI

Abstract
The purpose of the report is to discuss engineering design education for advanced course students by aprocess of designing and making a prototypical machine which has mechanism, electronic circuits andsoftware. Teaching materials about microcomputer were developed and used in Experiments and Exercise
II for 2nd year students of advanced course for past three years. The challenges, the processes and theprototypical machines are shown in the report.

Keywords: embedded technology, engineering design, engineering education

１．はじめに本校専攻科電子情報通信工学専攻では，2 年次の特成果を問うよう求めることとした。このようなロボコ別実験・演習Ⅱにおいて JABEE のエンジニアリング・ン型の創造教育はすでに実施例が報告されており 1,2)，デザイン教育（以下，デザイン教育）を実施している。

JABEE のエンジニアリング・デザイン教育とも合致しデザイン教育の方法については，
平成 19 年度より準備ている。

を始め，
平成 20 年度よりスタッフによるワーキンググ

平成 19 年の試行段階では創造教育に重点を置いたループを組織して検討を進めてきた。その結果，本専ため，設計仕様は学生自身が作成するよう求めていた。

攻は通信，電子，制御，情報の基礎技術を修得した 4しかし，仕様の設定に時間がかかり，試作の完成度が学科出身の学生により構成されていることから，学生低くなった。完成度を上げるためには，演習時間を確が興味をもつ分野から課題を設定できるよう出身学科保すればよいが，カリキュラムの制約から困難であっ毎に実施することとした。そこで，電子制御工学科出た。そこで，与えられた設計仕様に基づいて設計する

身学生の課題には，マイコンに代表される組込み技術ように変更した。また，電子制御工学科においても組を取り入れることとした。その方法は，マイコンを用込み技術の講義は行っていないことから，速やかに効いた自律型ロボットによるコンテスト（以下ロボコン）率よく設計に取りかかることができるようにプログラを想定し，学生数名のグループ毎に与えられた競技課ミング演習書を教材として整備することとした。
本稿では，過去 3 年間の実績を報告するとともに，題と制約条件の下にロボットを組み立て，競技により課題として与えた仕様及び制約条件の妥当性について＊

香川高等専門学校詫間キャンパス 電子システム工述べる。また，必ずしも試作が完成しなかった原因に学科ついて考察する。

香川高等専門学校詫間キャンパス 通信ネットワー

＊＊

ク工学科

２．デザイン教育の進め方

191

香川高等専門学校研究紀要 2(2011)

2.1 課題設定

分岐

課題は，ロボットコンテストに見立てたテーマ，及び，競技ルールを与え，マイコンを用いた自律型ロボ

スタート／
ゴール

ットの設計演習に設定した。与えられた課題の条件を破断
大周回コース

小周回コース満たすロボットの設計・製作過程からメカトロニクス

合流破線分野の技術者として必要な設計力を養うことを目的とする。なお，一般に設計は設計図の完成をもって終了

図 1 ライントレーサの課題コースするが，設計上の問題点を明らかにするためにチーム当たり１台の試作を行う。

(c)自動搬送ロボット（平成 22 年度課題）

試作機製作の条件は，課題毎に与えるものとした。

課題は，1m 四方のフィールド内の一端に任意の状態

結果は，成果発表会において発表し，レポートによりで置かれた対象物を自動検出し，把持し，スタート位報告する。また，設計の各段階における検討結果を記置まで持ち帰る自走式ロボットを設計，製作すること録するため，概要設計，計画立案，詳細設計，製作，とした。

動作検証，問題報告の各シート，及び，製作ノートに3 組の班別に合わせるため，仕様は共通項目と班別項記入することとした。また，適宜，製作図面，プログ目に分けた。第 1 班は，2 名のチームであり，対象物は，ラミング資料を作成することを求めた。次に，過去 3

直径約 60mm，5g の球とする。第 2 班も 2 名のチームで年間の課題を示す。

あり，対象物は，直径 44mm，長さ 70mm，54g の円柱物(a)ライントレーサ（平成 20 年度課題）体とした。第 3 班は 3 名のチームとし，対象物は，第 2競技エリアに移動ルート，出発点，到着点，障害エ班と同等の物体（直径 30mm 長さ 115mm，39g）とした。

リアを設ける。移動ルートは大小２つの周回コースか

この班の付帯事項としてフィールドの 2 カ所に障害物ら成り，大周回コースは移動時間を要するが障害の少を置き，障害物の位置をパソコンから指示できるものとないコースとし，小周回コースは時間短縮できるが障した。ロボットは，パソコンから指示される障害物を回害の難度を高く設定した。開始，終了は別途製作する避する経路を選択できなければならない。ただし，フィ自動計測器（スタータ）によって行う。計時スタート

ールド，対象物のサイズは 10%の誤差を許容するものしは，スタータの高輝度 LED の点灯により行い，計時停た。

止は近接スイッチにより停止する。したがって，マシンにはスタータからの合図を検知するセンサを設け，2.2 制約条件自動的に発進するものとする。周回は１周のみとし，ロボコンには，ロボットの移動手段，経路の障害，ゴール直後で停止しなければならない。移動ルートはオブジェクトまたは相手ロボットの探索・回避・妨害，白地の用紙に引かれた黒線によって示され，障害は欠オブジェクト搬送等の解くべき種々の問題が存在する。

落した黒線（破線）によって示される（図 1 参照）。成問題の一部は，制約条件として示している。

績は，周回に要する時間，及び，走行状況により順位使用するマイコンは，16 ビット以上とする。実質的付けされる。には文献 3)及び演習書で扱う 16 ビットマイコン(b)マインスイーパ（平成 21 年度課題）

H8/3694F を用いている。ロボットの本体，及び駆動系

機雷に見立てた突起のあるボールをエリア内で探索には，タミヤ製の「楽しい工作シリーズ」を用いる。

し，把持して所定の位置に回収する課題とした。エリ

センサ類は，別途指示される予算の範囲内で購入してアは，約１m×１m のフィールドとした。ボールの設置よいものとする。使用するプログラム言語は，C 言語

方法は任意とし，マシンのスタート位置はボールに対とする。

して 50cm 以上離れていることとした。直径約 60mm のマシンは，マシン底面のサイズが A4 版用紙程度の大球形，ゴム製のボールを機雷に見立てる（図 3(a)参照）。

きさとする。明示的に与えず，試作の過程で問題点とボールには全体に突起物があり，その分布が粗である

して発見すべき項目として，マイコンのメモリ容量，赤道部を把持することとする。ただし，ボールは最大ボードのノイズ対策，電源容量，デバッグ方法などが±15°傾斜して置かれる。位置検出には，カメラを使ある。

用してよい。また，カメラの画像処理にはパソコンを2.3 実施スケジュール用いてもよい。

192

村上純一 他 : 組込み技術を課題とするエンジニアリング・デザイン教育

デザイン教育は，
表 1 に示すように後期 15 週で実施

表 1 実施計画している。平成 20，21 年度は週 2 回各 3 時間で行い，週平成 22 年度より週 3 回各 3 時間とした。
同表は概略の

12

基本検討

34システム
設計

5678

詳細設計

9101112131415

試作機製作

流れを示したものである。学生には，これを基にした

内 容スケジュールを立てることを求めている。試作過程には変更や修正が伴うため余裕をみた計画を立てなければならない。
2.4 教材の提示
試作の基礎として使用するプラットフォームは，タミヤ製楽しい工作シリーズから選択することとし，拡張部材も購入して提供した。また，マイコンは，H8/3694F を準備しているが，別途購入してよいものとし，3.に述べる H8/3694F を使用する演習書を提供した。
センサは，所定の予算内で購入するものとしたが，自作も可とした。部品は，可能な限りグループ間の差がでないよう標準化するよう求め，使用上の留意点や試作機製作説 明
課題の理解，達成するための手段の検討，外部仕様書の作成，開発環境の整備
システム設計内部仕様書の作成，センサ部品の決定
ハードウェア，ソフトウェア詳細設計
プログラム設計，製
作

提出書類
概要設計
シート

計画立案
シート
詳細設計
シート
製作シー
ト

試作機製作

動作検証
シート
試作機製作
試作機製作
問題報告
シート
プレゼンテーショ 製作ノー
発表準備ト
プレゼンテー ン，及び相互評価
報告書
レポート提出ション

ノウハウをグループ間で共有するようにした。
本科低学年の工学実験と時間割が重複しないように教務関係に依頼し，実施場所を確保した。また，材料えられないことが多く，その場合には設計者が補完しは主としてプラスティックであるので，大型の工作機なければならない。そのためには，設計の背景や目的械を使用しなくてもよいように実験室の一隅にドリル，を理解していることが必要である。

フライス盤，バンドソー等の卓上型工作機械を置いた。

計画立案シートには，システムが満たすべき用件おさらに，プラスティック加工に適したハンドグライン

よびそのシステムの概要を明確に記述する。特に，設ダを数セット準備し，半田ごて等の工具を組み合わせ計仕様は項目ごとに数値化しなければならない。
また，た工具箱を学生毎に準備した。

設計上の制約もできる限り数量化しなければならない。
与えられた課題では明確でない項目は，設計者の裁量で数値目標を決定してよい。
また，製作スケジュール，2.5 実施記録
設計の各段階では，様々の問題や検討事項が発生す設計条件（予算，期間，人数等），運用形態，外部条件る。これらの問題解決の成果として設計図が完成する（信号，電力，データの入手方法等）を明記する。

が，設計図から問題解決に至った過程を読み取ること

詳細設計シートは，設計図の内容説明である。各部は困難である。そこで，各段階の思考過程を記録するの回路図，接続図を示して，検討項目を如何に達成し設計シートの提出を求めた。設計シートは，ワーキンたかを示す。ハードウェアのシステムは一般に複数のググループの検討結果から，概要設計，計画立案，詳ユニットで構成されている。各ユニットは回路図で示

細設計，製作，動作検証，問題報告，成果報告シート

され，全体はユニット間の接続図で示される。ソフトとした。設計シートは企業技術者がデザインレビュー

ウェア・システムについても同様に，システムは複数のために作成する資料を簡略化したものである。のモジュール（1 個または数個の関数）から成る。モ
ジュール間の連携，スケジューリング，相互呼出条件

設計過程は，概ね，設計シート順の段階を経ることを明示しておく。になる。各シートの記述方法は設計対象によって異なり，固定した書式に当てはめるには無理があるので，製作シートは，製作項目ごとの部品図，組立図，配各自の工夫で変更してもよいこととした。学生は，設線図から構成される。それぞれの手順，方法を簡潔に計シートに記録することにより，仕様を満足する設計説明する。動作検証シートは，検証すべき項目と試験について考察を深めることができ，報告書の作成が容方法を明示する。単に動作していることを目視するだ易になることを学ぶ。

けではなく，仕様を満足しているかどうかの試験である。動作検証の結果，明らかになった問題点も列挙す

概要設計シートには，設計の背景，目的など，何のる。

ためのシステムかを明記する。設計仕様は，明確に与193

香川高等専門学校研究紀要 2(2011)

問題報告シートは，動作試験の結果判明した問題点

は8チャネルのA/D変換器をスキャンモードで使用し，について,状況および現象，推定原因，対策と結果の順連続したデータを収集するべきであるが，演習書ではに記述する。問題の解決にあたっては，独力では問題シングルモードのみを扱い，詳細はマイコンメーカの解決ができなくても，教師やチームメンバの助言によ発行するハードウェアマニュアルを当たるよう解説をり問題を解決できればよい。その場合には，問題解決加えた。演習書による演習を加えたため，表１の実施の方針，教師やチームメンバからの助言，判明した原計画には遅れが生じることとなったが，後半のプログ

因，原因究明のための実験，解決方法，助言と自身にラム作成がスムーズに進められた。

よる解決の別なども記録しておく。

センサには浅草ギ研製の赤外線，及び，超音波セン設計シートにまとめる前段階のアイデア等を記録すサを用いることとし，それらを使用した演習書も第 2るために，製作ノートと称する大学ノートを配布した。

部として作成した。今年度は，新たに，Aki-H8/3069

製作ノートには，毎時間の作業記録，採用したアイデ（秋月電子製），及び，SH2/Tiny マイコンを用いた

ア，採用されなかったアイデア等，シートに記録するSTK-7125EVB（アルファプロジェクト製）のプログラミ前の自己分析を記入するよう求めた。

ング演習書も作成し選択の幅を広げた。

2.6 評価の方法

４．実施事例

評価は，達成度に基づく評価と報告書の内容評価を併用した。達成度評価では，以下の観点と根拠資料に

4.1 ライントレーサ

基づき学科の審査会において評価することとした。

平成 20 年度の課題では，7 名の学生が各々設計仕様(1) 役割を分担し，相互に協力して作業できている。に基づくライントレーサを製作することとした。設計(2) 計画を立案できている。

条件に加えて各々がユニークなマシンであること，ラ(3) 回路又はシステムを設計できている。

インセンサを自作することを求めた。結果として，外(4) 回路を組み立てることができている。又は，シス

観は個性的なマシンとなったが，プログラムはほぼ同テムを構築することができている。

じとなった。センサを高輝度 LED スタータの合図によ(5) 回路又はシステムの問題点を見つけることができり自動発進し，破線や分岐のないテストコースをライている。

ントレース走行することには成功した。しかし，分岐(6) 問題点を解決できている。

や破線の処理までには至らなかった。この原因として(7) 粘り強く取り組んでいる。

は，自作したラインセンサの感度調整や C 言語のプログラミングに時間を要したことがあげられる。また，

３．教材の作成

分岐や破線部分を処理するためには，1 列のセンサ配置では不足であり，2 列以上で面状に検出すべきであ

本校の電子制御工学科では，工学実験においてマイるが，これは達成できなかった。図 2 に，タミヤ楽しコンをテーマとした実験として，アセンブラ，及び，Cい工作シリーズのショベルドーザを用いたライントレ言語による 8 ビットマイコンのメカトロニクス実験をーサを示す。

行っているが，16 ビット以上のマイコンは扱っていな
い。また，割り込み処理については学習項目としてい4.2 マインスイーパない。16 ビットマイコンの参考書では，開発環境やマ

平成 21 年度の課題では，5 名を 2 班に分けて実施しイコン種別，CPU ボードの機能に依存するため，使用た。パソコンに接続したカメラと台車に搭載したマイする実験環境に一致する解説を期待することはできなコンを通信しながら制御するサブシステムを 3 名で行い。そこで，文献 3)で扱われる H8/3694F マイコンをい，機雷に見立てた突起付きのボールを突起に衝突し用いたプログラミング演習書を作成することとした。

ないように把持するサブシステムを 2 名で行った。台

マイコンボードは，パソコンとの接続機能を持つ評価

車の駆動は，LabVIEW を用いた USB カメラの制御とシボードである秋月電子製 TERA6 を用いることとした。

リアル通信機能によりボールに近接するまでの経路発演習書では，I/O ポート，割り込み処理，A/D 変換器，見を達成できたが，突起付きボールの検出は，把持位タイマを用いた PWM 信号の発生を取り扱う。しかし，置の特定ができなかった。図 3 に，マインスイーパに演習書だけでは，課題を達成できないように注意した。

用いたボール，ハンド部，駆動部を示す。突起付きボ

例えば，複数のセンサからの信号を一度に得るためにールの検出には 5 チャネルの反射形赤外線センサを用

194村上純一 他 : 組込み技術を課題とするエンジニアリング・デザイン教育

いたが，小さな突起が密集しているため高々数個の赤外線センサでは検出が困難であったと考えられる。ハンド部が完成しなかったため，台車駆動は別のマシンを作成した。台車に色紙のカラーマーカを備え，カメラからの画像解析で進行方向を判断する工夫がなされた。
4.3 自動搬送ロボット
平成 22 年度の課題である自動搬送ロボットは，7 名を 3 班に分けて実施した。3 班とも対象物を発見し，図 2 ショベルドーザを用いたライントレーサ把持するまでは達成できたが，帰還するまでには至らなかった。図 4 に，各マシンを示す。同図(a)のマシン
では，コストの制約を達成するため，1 個の距離センサを用いて対象物を発見した後，後部方向に回転させて帰路の探索に用いている。同図(b)のマシンでは，ボールからの反射信号が微弱であったため，複数のセンサ信号を平均化している。同図(c)のマシンでは，センサの消費電流を押さえるため，対象物に接近した場合にのみ第3のセンサを用いる工夫が見られた。
図5に，(a) 機雷に見立てたボール(b)ハンド部

設計シートの一例を示す。
帰還までを含めたプログラムの完成に至らなかった
理由として，マイコンの RAM 容量不足があげられる。
容量の大きいプログラムは，フラッシュ ROM に書き込まなければならないが，フラッシュメモリの書き込み回数には制限があるため，プログラム完成まではモニタを使用することとした。モニタを使用する場合にはプログラムは RAM 領域のみにロードされる。モニタを使用すれば書き込みの時間を節約できる利点がある。

(c) 台車駆動部

モニタは，H8 マイコン供給元であるルネサスエレクト

図 3 マインスイーパ

ロニクスの WEB サイトから最新版を入手し，CPU に合わせた変更を加えてコンパイル，ROM への書き込みを表 2 成果発表会の評点（4 段階評価の平均値）行うことにより使用可能となる。モニタの内部関数を年度

課題平均全体の評価呼び出すことにより，動作状態をパソコンに送りなが20

2.94

3.08

らデバッグができるようになった。完成したプログラ

212.983.08

ムの一部をモニタの空き領域に組み込むことにより使223.083.23用できる RAM 領域が増えるが，この技法を修得するまでには至らなかった。

週 9 時間になったこともあり全体的に向上したことが窺える。

4.4 成果発表会
デザイン教育の実施結果は，対象学生全員が参加す５．おわりにる成果発表会において報告することとしている。発表会の参加教員には，発表内容と会場に展示した試作機専攻科の特別実験・演習Ⅱで行っている組込み技術により評価を求めた。表 2 に，成果発表会における 4を課題としたデザイン教育の実施について述べた。

段階評価の平均点を示す。年度が下るにつれて徐々に実施に当たってはマイコン教育教材を開発した。過去向上していることが認められる。
同表の全体の評価は，3 年間の実績によれば着実な成果が認められる。今後全学生の平均値を示す。平成 22 年度は，実習時間が 1195

香川高等専門学校研究紀要 2(2011)の課題は，完成度を一層向上させることである。
参考文献
1) 今井裕司，熊谷和志，山内誠，遠藤雄定，大泉哲
哉：“ロボット製作実習における課題内容とアンケート調査の評価”，論文集「高専教育」，第 30 号，pp.293-298，2007.
2) 松尾芳樹：“チームとしての創造性をめざすロボコン型授業科目「創造設計第二」”，
工学教育，
54-2，pp.21-29，2006.
3) 島田義人：H8/Tiny マイコン完璧マニュアル，CQ
出版社，2006.

(a) 製作シート(a) 1 個の距離センサを前後の検出に用いるマシン(b) 複数のセンサによりボールからの反射を平均化し(b) 動作検証シート

たマシン

図 5 設計シートの例(c) 対象物に接近した場合に用いるセンサを備えたマシン
図 4 自動搬送ロボット

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