PBL におけるロボット教育活動
Education using robots in PBL
福田 靖，水野 真，岡田 浩之，アツアンヤ 亜伊子
Yasushi Fukuda, Makoto Mizuno, Hiroyuki Okada, Aiko Atuanya
玉川大学工学部機械情報システム学科，194-8610 東京都町田市玉川学園 6-1-1
Department of Intelligent Mechanical Systems, Tamagawa University,
6-1-1 Tamagawa Gakuen, Machida, Tokyo 194-8610
Abstract
This review presents an educational program by applying robots’ technology to PBL (Project Based Learning) for
the freshman and sophomore students in the Department of Intelligent Mechanical Systems, College ofEngineering. In PBL, all students belong to one of several groups. They design their original robot system anddevelop the robot using mechanical elements, microcomputers, and sensors, with the other members in a group.
They can simultaneously learn the basic background knowledge of hardware and software which are necessary forengineering, together with the cooperation, communication and presentation skill in PBL.
Keywords: Project Based Learning, education, robot, contest, mechanism, program, sensor

1. はじめに

2. ミニロボット・コンテスト

工学部機械情報システム学科では，1，2 年次において，ロボットを用いた創造教育の一環として PBL (Project Based Learning) を実施している．

１年次の最初の課題がミニロボット・コンテストである．
ミニロボット・コンテストでは，２～３人のグループ毎にボールを運搬するロボットを製作

PBL では，学生を数人のグループに分けて，する．２つのグループが対戦で勝敗を決し，総ロボットの構想を検討し，機械要素，マイコン，当たり戦の得点結果で優勝チームを決定する．

センサなどを用いてロボット製作を行う．このフィールドは，図１に示すように，縦 0.9[m]，過程で，ハードウェア，ソフトウェアの基礎的

横 1.8[m]のフィールドを２つのエリアに分けたな知識とともに，協調性やコミュニケーションもので，各々エリアには 0.3[m]四方のスター力，プレゼンテーション力などを習得する．

ト・ゾーンと，0.3[m]四方で段違いのゴール・ゾ

PBL で実施しているミニロボット・コンテス
ト，大道芸ロボット，ライントレースロボット，ロボカップ・プロジェクトを紹介する．

ーンを設けている．
スタート・ゾーンに，白色ピンポン玉５個（各１点），オレンジ色ピンポン玉５個（各３点），ゴルフボール２個（各５点）を置き，制限時間（３分間）でゴール・ゾーンに運んだボールの合計点数により，勝敗を決定する．

Memoirs of The Faculty of Engineering, Tamagawa University, No.4 6 (2011)

示す．
このロボットは，角柱状のボール収集箱をアームで前後に移動する方式で，ボール収集箱の両側をオープンにして，ボールの入口，出口としている．入口側に２本のゴムを張り，ボールが入った後，外に出ないようにするとともに，出口側に工作用紙で緩衝部分を設け，ボールで
図１ ミニロボット・コンテストのフィールド出る速度を遅くして，ボールを確実に自分たちのゴール・ゾーンに置く工夫をしている．スタ

ロボット製作においては，タミヤのロボット

ート・ゾーン内のボールに上方から収集箱をかキットを使用し，DC モータ，減速機，タイヤ，ぶせボール収集箱に入れ，ゴール・ゾーン近傍構造材料，ねじ，操作ボックスなどを配布する．にロボットを移動し，アームでボール収集箱をさらに，金属板，アクリル板，工作用紙などを後方に回して，出口側からそっとゴール・ソー配布する．ロボット製作上，スタート時のロボンにボールを落とす，という作戦である．非常ットの大きさが長さ 0.3[m]，幅 0.3[m]以内といに単純かつ合理的な機構と動作により，このロう制約条件を設けている．また，競技中の相手ボットが優勝した．

への妨害行為は禁止としている．
学生は，１月半ほど，ロボット製作に取り組み，その後，ミニロボット・コンテストを実施する．
全体の日程は，以下の通りである．
・１回目：ガイダンス（授業の進め方，グループ分け，ルールや配布部品の説明など），
・２～４回目：機構検討，ロボット製作，フィールド・テスト，操作練習，・５回目：ミニロボット・コンテスト．

図２ 2009 年度優勝のロボット

この日程の途中で，ロボット紹介のプレゼンテーションを行い，製作中のロボットの構想図を提出する．

このミニロボット・コンテストは新入生の最初の課題であるため，専門的な予備知識を必要

ミニロボット・コンテストでは，各グループがほぼ同一の部品を使用しながらも，ロボットとせず，自らの創意工夫でロボット製作を行える課題としている．の方式により勝敗に明らかな差が出ることを体感できる．また，DC モータの動作原理，減速機の使い方，ボール持ち上げに必要な関節トルクの算出方法，垂直抗力と摩擦の関係などを理解することもできる．

3. 大道芸ロボット
１年次に，ミニロボット・コンテストの次に行う課題が大道芸ロボットである．
大道芸ロボットでは，何かパフォーマンスを

図２に 2009 年度の優勝チームのロボットをして人を楽しませるロボットを考え，実際にロ

玉川大学工学部紀要 第 46 回(2011)

ボットを製作し，最後にパフォーマンスを行う．
３～５人を１チームとして，アイデア検討，設計製作などをすべて自分で行う．そして，春学期の最終週に大道芸ロボットのデモを行う．さらに，夏期休暇中に開催される「脳とロボット」で大道芸ロボットのパフォーマンスを披露する．
ルールとしては，パフォーマンスを行い，人を楽しませることが出来れば何でも良く，ロボ

図３ JOYQ

ット操作はジョイ・スティックによる遠隔制御，マイコンを用いた自動制御のどちらも良い．ロ
ボット製作においては，タミヤのロボットキッ
トの DC モータ，減速機，タイヤ，構造材料，ねじ，操作ボックスなどを使用可能としている．
これらの他に，予算を決めて，モータ，減速機，ベルト，板，棒などの機械部品，マイコン，抵抗，コンデンサなどの電子部品，その他，パフォーマンスに必要な材料を購入可能としている．
これらの部品は，ロボットの部品ガイドや WEBなどで自ら調べて，教員に購入を申し出る．
全体のスケジュールは下記の通りである．

図４ 歌うボーカロイド

・１回目：ガイダンス（授業の進め方，グループ分け，ルールなど），アイデア検討．
・２回目以降：設計製作．
・最終週：大道芸ロボット・デモ．
・「脳とロボット」：大道芸ロボット・デモを披露．

4. ライントレースロボット
大道芸ロボットの後，秋学期からの課題がライントレースロボットである．
ライントレースロボットでは，ラインに沿ってコースを走行するロボットを製作し，スピー

2009 年度は，JOYQ（自動ビリヤード装置，図３），歌うボーカロイド（歌を歌うロボット，ドを競う．
ロボットの製作は以下の手順で行う．

図４）などを製作しパフォーマンスを披露した．

① 一人 1 台ずつロボット本体を製作する．タミ

工学の心髄は「もの」を媒体とした新しい価

ヤのダブルギアボックス，タイヤ，ボールキ値の創造である．新しくて独創的なパフォーマ

ャスター，ユニバーサルプレートを使いロボンスを行うロボットの構想を考え，メンバーがット本体を作る．使用している CPU ボード協力して，DC モータや様々な部品を用いてロボ

VS-WRC003 は，ルネサスエレクトロニクスットを製作することを通じて，ハードウェア，製 H8 マイコン H8/36064 を搭載しており，Cソフトウェアの基礎的な知識とともに，協調性言語でプログラミングができる（図５）．

やプレゼンテーション力，コミュニケーション② プログラミングの開発環境設定を行なう．ル

力なども合わせて習得する.

ネサスエレクトロニクスより無料配布されMemoirs of The Faculty of Engineering, Tamagawa University, No.4 6 (2011)ている High-performance Embedded Workshop(HEW)と H8SX,H8S,H8 C/C++コンパイラパッケージ，フラッシュ開発ツールキット(FDT)をインストールする．
③ PC と CPU ボードとの接続，書き込みの方法について，LED を点滅させるサンプルプロ
グラムを実行させ確認する．
④ 関数を用いてモータを動かす基本的なプログラムを作成する．VS-WRC003 に搭載され

図５ ロボット本体ている２チャンネルの DC モータドライバを用いて，プログラムより２つのモータの回転方向や速度を制御する．また，PWM 端子より任意のデューティー比の PMW 指令を与え速度制御を行う．
⑤ 赤外線センサ（反射型フォトセンサ）を用いて，基本であるライン（楕円形）に沿って進むようにプログラミングを行なう．赤外線センサの入力の値よりしきい値を求める．
⑥ 楕円形のライントレースが上手く走行できるようになったら，複雑なコースに挑戦する．

図６ 赤外線センサを 4 つ付けた基本型

１つのセンサではジグザグになりスムーズな走行難しいため，センサを 2～４個に増やして直線や直角，鋭角なコーナーにも対応できるようにする（図６）．
⑦ 障害物，コースの途中のラインの切れ目，坂道などにも対応できるようロボット本体に超音波センサや３軸加速度センサをなど取り付け，また，自作センサを製作してプログラミングを行う（図７）．
このライントレースロボットでは，センサや制御プログラムの基本を学ぶことができ，コースの難易度が増すことにより試行錯誤するなか

図７ センサ追加の拡張型で，学生一人一人が実力を伸ばすことができる．
また，光センサの製作により，電子回路の基礎

5. ロボカップ・プロジェクト

を学び，センサの組み合わせなどを考え工夫す

ライントレースロボットの後，さらに高度なることにより，ロボット制御の可能性が広がり，応ロボット開発を行いたい学生は，ロボカップ・用・発展問題に取り組むことができる．

プロジェクトに参加する．
このプロジェクトでは，上級生とともに，玉川大学工学部紀要 第 46 回(2011)

eR@sers のメンバーとして，ロボカップ＠ホー②画像認識モジュール：カメラを使い，人，ムリーグに出場するための，ロボット開発やソ物体の検出，人とのインタラクション動フトウェアの作成を行う．

作であるジェスチャー検出を行うモジュ

ロボカップは，ール．

「西暦 2050 年にサ③アーム制御モジュール：画像処理など得らッカーの世界チャれた情報を元に，主に物体の把持を行う

ンピオンチームにモジュール．画像認識から得られる座標勝てる自律型ロボとアーム自身の座標をマッチングさせ，ット・チームを作る」

物体の距離を算出から物体の把持を行う．

ことを目標として２年で PBL は終了するが，その後も引き続き，いる．

ロボカップ・プロジェクトに参加することがでその中の１つのきる．

リーグであるロボ

また，ロボカップ・プロジェクトの他にも，カップ＠ホームリ

自分の創りたいロボットを製作することが可能

ーグでは，家庭のキである．図９にロボット・ハンド，図 10 にロボッチンやリビングットランサーの例をしめす．

ルームなどでさまざまな課題に取り組み，その達成度を

図８ 2010 年世界大会優勝ロボット競う（図８）．

このリーグでの課題をタスクと呼び，代表的なタスクには，複数の人間の名前や顔を記憶し，再会した時に認識できるかを試す「Who Is Who」
や，人のあとを安全について歩く「Follow Me」，指定された物を別の部屋に探しに行き，持ってくる「Go Get It」などがある．

図９ ロボット・ハンド

ロボカップ・プロジェクトでは，まず，タスクの実現に必要な機能を抽出し，ロボットのハードウェアを決定する．次に，タスク実現に必要な細分化された機能（モジュール）の割り出し，実際のモジュールの開発を行う．
タスク実現に必要なモジュールは，以下の通りである．
①台車制御モジュール：家庭内での移動を実現するモジュール．車輪制御とともに，距離センサを用いた地図作成，経路検索なども行う．

図 10 ロボットランサー

Memoirs of The Faculty of Engineering, Tamagawa University, No.4 6 (2011)

6. まとめ
工学部機械情報システム学科の PBL におけるロボット教育活動について紹介した．
PBL においては，実際に自分たちでロボットの機構，制御などを考え，自分たちでロボットを製作し，動作させることにより，通常の講義では体験できないものづくりやプログラム制御の面白さを学ぶことができる．そして，課題を解決する過程を通じて，問題発見，問題解決，チームワーク，リーダシップ，自主性，プレゼンテーション，コミュニケーションなど，社会に出て必要とされるスキルを身につけることが可能である．
PBL は，工学教育おいて極めて有効な方法であると考える．

参考文献
1）広瀬 茂男：ロボットコンテストはなぜ必要な の か ， 日 本 ロ ボ ッ ト 学 会 誌 , Vol.15, No.1,
pp.17-21 (1997)．
2）米田 完，坪内 孝司，大隈 久：はじめてのロボット創造設計，講談社 (2001)．
3）ロボコン部品ガイド 2011 年版，オーム社(2010)．
２０１１年２月１４日原稿受付
Received, February 14, 2011

玉川大学工学部紀要 第 46 回(2011)