大分工業高等専門学校紀要

第 59 号 (令和 4 年 11 月)

機械工学科におけるメカトロニクス一貫教育の構築

中野 壽彦1・山本

通1・軽部周1

1機械工学科

産業界では従来の技術に高度IT技術を融合させて新たな価値を創出する「デジタライゼーション」が必要とされており，経済政策や情報教育強化の取り組みが促進されている．そこで本プロジェクトでは，「産業のデジタライゼーション」対応型人材育成のためのメカトロニクス一貫教育の構築を目標とし，現在の一部のメカトロニクス関連科目に，デジタルツイン環境の導入，情報・実験スキル向上に向けた教材開発，電気系スキル向上のカリキュラム構築，高度機械システム制御実験の計画と実施を行った．本稿では，本プロジェクトで構築を目指す一貫教育カリキュラムの目的と内容について説明し，構築した教育環境や教育実践について述べる．
キーワードメカトロニクス教育，シーケンス制御，，デジタルツイン，

１．緒言おける機械系技術者教育においても，情報技術を理解し，かつ既存技術と融合して応用できる素養を備えた技術者

本校機械工学科では，2001年に，工場自動化やロボットの育成が必要である．前述の通り，これまでの本校機械工などメカトロニクス技術に精通し，機械工学と電子工学と学科の教育では，機械工学と電気・電子工学を融合したメいう異なった分野についてバランスの良い知識を持ったカトロニクス教育を実践してきた．一方で，メカトロニク技術者を養成するために，大々的な実習環境を導入しメカス技術の本質である，機械・電気・情報の融合による技術トロニクス実習を開始した．ラック＆ピニオン，平カム，を実践する教育機会は，他科目との兼ね合いから時間数に偏心クランク，レバースライダーなどの機械モジュール，制限がある．特に前述した情報技術応用力を持つ人材育成

モーターおよびそれを制御するためのPLCとプログラムのためには，情報技術を扱う実践教育を強化する必要があ

作成用ソフトウェア，オルゴールの生産ラインを模擬した

る．

ミニメカトロ実習装置を導入し，機構・アクチュエータ・そこで，本校機械工学科のメカトロニクス教育について，センサの基礎的な知識の取得，およびPLCによるシーケン「産業のデジタライゼーション」対応型人材育成のためのス制御の理解を目的とした実習が計画され実践された．

一貫教育カリキュラムの新規構築を目指し，令和3年度か以降，学生の創造性を育てることを目的として，試行錯誤ら実験実習環境の導入，実施計画を行い，一部科目は令和で実習内容を変更しながらも，2年生機械実習Ⅱ，3年生工4年度前期から実践を開始した．本稿では，各科目・実験自学実験Ⅰにおいて，これら実習装置は今も現役でメカトロ習のカリキュラム構築の状況について報告する．第2章でニクス教育に活用されている．

は一貫教育カリキュラム全体について説明し，第3章以降

一方，ここ数年の社会動向に着目すると，内閣府が定めは各科目・実験自習での実践内容の詳細を述べる．

る「Society 5.0」
，あるいは経済産業省が策定している「デジタルトランスフォーメーション推進ガイドライン」で述べられている通り，今後の産業界はデジタル技術との融合

２．メカトロニクス一貫教育

による新たな価値の創出が必要とされている．今後は高度IT技術の活用による「産業のデジタライゼーション」が急本プロジェクトで構築を目指す「産業のデジタライゼー速に進むことが予想される ．また文部科学省は情報教育ション」対応型人材育成のための一貫教育カリキュラムのの推進のため学習指導要領を改訂した．本校においても，イメージを図-1に示す．令和4年度から開始した情報教育「数理・データサイエンス・AI教育プログラム」が実施さとの連携も意識しながら，低学年から段階的に基礎を積みれており，令和4年度の入学生から低学年における情報教上げ，高度なメカトロニクス技術の知識と理解を深める一育強化のためのカリキュラムとして「情報Ⅰ」「情報Ⅱ」の貫教育を目指している．

科目が開始された．このような背景から，高等専門学校にこの一貫教育を構築するにあたり，既存の講義・実験・―30―

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図-1

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図-2

科目間連携のイメージ

図-3シーケンス実習キット

提唱するメカトロニクス教育

実習科目を見直したうえで，具体的には以下の教育実践を新たに導入することとした．
①

仮想空間上に機構・アクチュエータを再現できるデジタルツイン教育環境を活用した応用力育成②

機械システム制御を題材とするフィジカルコンピューティング実践教育によるプログラミング応用実践力の育成③

座学による電気電子工学の学び直し機会の充実による専門基礎力の強化④

高度デジタル技術の融合による機械システムの知能会を提供するため，新規に図-3に示す，(株)アドウィン製化・自動化の体験学習の実習教材を導入した．メーカーのHPで紹介されている導科目間連携の全体イメージを図-2に示す．1～4年生まで入実績を見ると，既に全国で何校かの高専でも本時実習キメカトロニクス基礎教育と情報技術基礎教育を段階的にットを利用しているようである．本キットは卓上サイズの進めていき，5年生では総まとめとして，座学と実験を同時実習キットで，学生毎にキットを使用して実習を行うこと並行で実施して総合的に理解を深めることを目指す．図中が可能である．LEDのON回路から始まり，AND・OR回路，の太四角枠で示す実験実習・講義科目に対して，前述①～電磁リレーを用いた自己保持回路，小型DCモーターの駆④の教育実践の導入を目指す．

動・自動停止・回転方向切り替え，インターロック回路といったシーケンス制御の基礎を，配線作業を行いながら体験することができる．これらを段階的に効率よく学ぶため

３．電気回路によるリレーシーケンス制御実習の実習テキストも準備されている．
機械実習Ⅱでは，令和4年度前期に本キットを用いて実2年生の機械実習Ⅱでは，「メカトロ基礎」というテーマ習を行った．まずシーケンス制御とは何かを簡単に紹介しを通年で実施しており，シーケンス制御による機械制御技たのち，一週目と二週目で本キットによる実習を行い，三術を理解することを目的とした実習を行っている．2001年

週目でPLCによる制御を体験するというように構成した．に導入した小型機械モジュールとPLCを用いて，制御プロ

従来の実習はPLCでのシーケンス制御のみであった．しかグラムをPCで作成し，エスカレーター，天井クレーン，ベし本来，PLCにおけるリレー制御のプログラムの概念を理

ルトコンベヤーと空気圧シリンダを用いた部品輸送・ピッ解するためには，まず電磁リレーによるリレーシーケンスクアップ作業などを題材としたシーケンス制御実践を行制御を知っておく必要がある．そこでまず電気回路ベースっている．実体配線と電磁リレーを用いた電気回路ベースのシーケンス制御を体験してから，PLC制御へのステップでのシーケンス制御を学習する機会を提供できていない．

アップにつなげるようにした．

本校機械工学科のカリキュラムでは，電気回路を自分の手当初，電気回路配線は特に機械工学科の学生には敷居がで扱う実習機会が少ない．そこで電気回路技術に触れる機高いのではないかという懸念があったが，実際に始めてみ―31―大分工業高等専門学校紀要

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ると，やや苦戦する学生も一部見られたが，全体的には実NC 工作機械は，現代のものづくりにおいて欠かせない習時間内に十分余裕をもって，指定の課題を終えることがツールの 1 つであり，機械系の学生が，その特徴や操作方できた．次年度以降も継続できる実習内容を構築できたと法を修得しておくことは重要である．そこで，代表的な NC考えている．

工作機械であるマシニングセンタの NC プログラムを自動で生成できる CAM を自作させ，それにより作成した NCプログラムで実加工まで行うことで，実践的なプログラミ

４．情報スキルと実験スキルを向上させる新たな授業と教材の検討
産業界では，従来の技術に，高度技術を融合させて新ング教育が可能になるとともに，実験スキル向上にも効果があるのではと考えた．
(2) 自作CAMの詳細たな価値を創出するデジタライゼーションが必要とされ学生に自作させるは，任意画像を読込み，その濃淡情ており，高専でも更なる情報教育強化の取組みが必要とな報を高さ情報に変換し，プログラムとして出力させる．ってきている．ここで，現在，本校・機械工学科の各学年

その変換方法は，例えば，図-4 に示すように，単純な方法で実施されている主な情報教育に関する内容を表-1に示で，その変換式は，以下の式で表すことができる．

す．表を一見すると，普通高校等と比べ，実験実習的な要素が多く，情報教育が充実されているように見えるかもし

𝑍 = (𝑍 − 𝑍 )(𝑆 − 𝑁 )/𝑆𝑡 + 𝑍(1)

れない．しかし，実際には，本校の他学科に比べて情報関係の授業が苦手という学生の割合が多いのが現状である．
例えば，筆者は，表内の情報工学ⅠとⅡを担当し，主にC言ただし，𝑍 は画像部加工パスの座標最高設定値，𝑍 は座標最低設定値，𝑆𝑡はグレースケールの分解能，は各ピクセ

語でプログラミングを教えているが，プログラミングが苦ルから得た色情報である．

手で授業の内容が全く分からないと言う学生も受講してなお，無料で開発環境を容易に構築できることや，画像おり，そのような学生に，プログラミングの重要性の理解から濃淡情報等を容易に得られることから，開発用プログや授業に対するモチベーションアップをさせるのに苦労

ラミング言語は，Pythonを使用した．実際のコードの一部している．また，情報工学ⅠとⅡの授業で，現在使用してを図-5に示す．また，そのプログラムに，図-6(a)の画像をいるコンパイラでは，コマンドプロンプトに，コマンド読み込ませ，出力されたNCプログラムの軌跡を図-6(b)にを打ち込む作業が多く，実践的な授業を提供するという面示す．残念ながら，図-5のようなコードを見せると，本校・では，物足りない部分があると感じていた．

機械工学科学生の多くは理解に苦しむ可能性が高い．しか(1) 自作CAMによるプログラミング教育表-1 大分高専・機械工学科の情報教育(抜粋)
学年

内容

授業名

レゴを使ったプログラミング

機械実習Ⅰ

ゲームの製作競技会

機械実習Ⅱ

リテラシー

機械実習Ⅱ

リテラシー

機械実習Ⅱ



搬送ロボット組立
・プログラミング

機械実習Ⅱ

言語の基礎

情報工学Ⅰ
言語の応用

情報工学Ⅱ

図-4 濃淡情報から深さ情報への変換例

図-5 学生に配布するプログラム―32―

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第 59 号 (令和 4 年 11 月)(a) 読込画像
加工方向

図-7 本校のマシニングセンタ(b) 出力された NC プログラムの軌跡
図-6 NC プログラム例
し，まずは，それぞれの学生にあらかじめ好きな画像を準備させ，このコードを配布し画像から容易にNCプログラムが作成できる経験をさせる．その後，各自が作成したNCプログラムを市販のシミュレーションソフトに取り込み，ボールエンドミルにより加工されていく過程を見せる．このような過程が，これまでの教育方法よりプログラミング

図-8 デスクトップ CNC ルータに関する学生の興味を惹き，学習意欲の向上につながるのシニングセンタ台を使用することになる．ここで，ただ単ではないかと期待する．に，それぞれが作成したプログラムで実加工を行い考察するだけでも，それなりの教育効果はあるかもしれない(3) 加工機が，以下の制約を設けて実加工をさせる．つまり，実加工

現在，本校には，図-7に示すようなマシニングセンタが時は，時間の制約もあることから，加工範囲をあらかじめ台設置されているが，この台だけでは，加工できる数に決めて，学生にプログラムを作成させる．例えば，横

限りがある．そこで，図-8に示すような数万円で購入できるデスクトップルータを手始めに台購入し，問題ないようであれば，複数台購入し，なるべく多くの時間，学×縦の領域に，各班でデザインを決めさせる．
学生は，各自が選んだ画像を，画像処理ソフト等を使用して，決められた縦横比に入る画像に調整しなければならな生に実加工させる機会を与えたいと考えた．しかし，実際い．また，加工時間も評価の対象とすることとして，必要に使用してみると，購入したデスクトップルータでは， に応じてをアレンジし，プログラムを作成させる．
金属の加工は剛性的に難しく，値段相応の品質のようで， 次に，加工シミュレーションを行い，問題が起こらなかっ導入後，回程度加工しただけで修理が必要になった．したプログラムを使って，実加工を行う．また，実加工はたがって，複数台導入するとなると，維持管理が難しいこ

準備から片付けまでを，例えば分以内にするという条件とが容易に想像できたため，デスクトップルータを複もつけ，終了後は，加工品位，デザイン，加工時間準備時数台導入することは断念した．そのため，本校に設置され間も含む等の項目別に得点を与え，つの班で競わせる．ているマシニングセンタ台のみを使用することを想定し， このような方法であれば，実践的に情報科目や専門科目をどのように教材を導入するか検討を行った．ここで，本校・学べるうえ，協調性やリーダーシップ等の分野横断的能力
機械の各学年の実験実習は，人のクラスを人ずつグも育成できるのではないかと考えた．なお，最終的には実ループに分けて行っている．学生は，それぞれの担当教員

験実習のローテーションが全て終了した時点で，全班の結の実験実習を週間，時間数にすると合計時間の実験実習

果を評価する機会を設ければ，学生も全ての班の状況が確を行い，ローテーションしながら受講している．今回，作認でき，授業の振り返りやモチベーションアップにもつな成する教材も実験実習に導入することを想定し，回の実がるのではと考えている．

験実習で人が受講すると想定して準備を進めた．
(5) 予想される課題と今後の予定(4) 実加工以上のように，教材開発のおおよその目途はついたが，前述したように，度の実習で人に対し教材を展開す

実際に実施するとなると，様々な課題が発生することが予る計画のため，学生を班に分け，実加工は人の学生でマ想される．例えば，限られた時間内に，どれだけのチーム―33―

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が加工サンプル作成まで至ることができるのか，加工機を安全に使用できるか等の不安がある．また，マシニングセ
ンタの違いによる加工時間差が，どの程度あるのかも事前に確認し，もし大きく異なるようだと，何かしらの工夫が必要になる．ただ，方向性としては，有益な手法であると考えているので，まずは有志学生に対し，試験的に授業を行い，課題の確認と，その解決方法を考え，実験実習で，本教材が行えるように準備を進めていきたい．

５．デジタルツイン環境を活用した教育
図-9 垂直駆動アームの仮想空間モデル
３年生は座学として「機構学」，また工学実験Ⅰのテーマの一つとして機構学実験を行っている．リンク機構，クランク機構，カム，歯車などの機械要素について座学で学ぶとともに仮想空間上のアームが動作する．各ゲインを変更とともに，小型機械モジュールを用いた実験を通して，体したときの制御特性の変化が，グラフだけでなく物理モデ験的に理解を深める教育を行っている．今回，これら機械ルの実際の動作として再現されるため理解しやすくなっ要素をバーチャル空間上で再現し，動作に加えて各部に作ている．シミュレーションの実行プログラムは，ライブエ用するトルクなどもシミュレーションすることで，機構・ディタ―という，ソースコードや入出力を対話型環境で統アクチュエータを動力学の観点で理解を深められるので合したプログラムで作成した．これにより学生は，数回のはないかと考え，数値計算ソフトウェアによるデジタルツマウスクリック操作のみでシミュレーション実験を進めイン環境を準備することにした．ソフトウェアとしてることができるようにした．

Mathworks社のMATLABの教育用ライセンスを新規購入した．デジタルツイン環境の構築には，Toolboxの一つである視覚イメージを用いて動作を説明できるようになり，効率のよい実習ができるようになったと考えている．

「Simscape Multibody」を採用した．これは仮想空間上に3DCADと似たような感覚で様々な機械システムの物理モデルを構築して，動作をグラフィカルに表示することがで

６．メカトロニクス発展教育

きるものである．座学の「機構学」および工学実験Ⅰへの活用については，本年度中に試行的に取り入れてみて，効図-2で示す通り，5年生では座学・実験を通じて発展的な果の検証を行う予定で準備を進めている．一方，5年生の工メカトロニクス教育を行う．本章では講義，実験で構築し学実験Ⅲにおいて本ソフトウェアを用いたシミュレーシた教育環境，および実施内容について説明する．

ョンベースの実験を実施したので，簡単に紹介する．
工学実験Ⅲの自動制御のテーマでは，三週のうち一週分(1) 座学での電気工学学習機会の提供を，PID制御実験に充てている．機械工学科では4年生後期

機械工学科では従来から「メカトロニクスⅠ」という必（令和5年度より5年生前期に変更）に「制御工学Ⅰ」とし修科目を５年生で実施して，センサやアクチュエータの基て座学で講義を行っている．伝達関数，過渡応答，周波数礎を学ぶこととしていた．一方，メカトロニクス技術の要応答，安定性など制御工学の基礎を扱っているが，時間の素の一つである電気電子工学の学習機会は多く確保でき都合上，フィードバック制御の手法そのものを取り上げるていなかった．特に座学で電気工学を学ぶ機会は，物理系までには至っていない．一方で，産業界で広く利用されての科目以外ではなかった．学科内の議論で，電気系の学習

いるPID制御を理解しておくことは，機械系エンジニアと機会が不足気味であることが課題として挙がっていた．そして重要であると考えている．そこで工学実験の時間で，こで令和3年度から科目名を「メカトロニクス」に変更し，PID制御の座学＋演習という形態で補完する形をとってい学修単位化した．そして自主学習時間を活用して，講義演る．これまで様々な実験装置やシミュレーション環境を用習を主軸として電気電子工学の基礎力強化を図る講義をいてきたが，今回導入したデジタルツイン環境で新たにシ開始した．直流回路解析，交流回路解析，交流電力，さらミュレーションモデルを作成して実験を行った．図-9にシに三相交流の基礎などを講義内容に盛り込んだ．

ミュレーションモデルを示す．1自由度の垂直駆動アーム

令和3年度および4年度と二年間実施したが，授業アンケを題材として，アームを任意の角度に駆動するためのモーートなどを見ると，半期科目で時間があまりない中で多くタトルクをPID制御則によって与えるものとした．PID制御の内容を盛り込んだこともあり，学生にとってはやや負担ゲインを設定して実行すると，出力のグラフが生成されるが大きくなってしまったことが感じられた．また自主学習―34―大分工業高等専門学校紀要

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を前提として課題の模範解答を与え学習環境を整えたが，「講義中に解説してほしい」という声も聞かれた．講義内
容の取捨選択や，課題や定期試験のレベル設定など，今後も試行錯誤が必要であると考えている．
(2) 高度機械制御技術の体験
5年生「工学実験Ⅲ」の自動制御のテーマでは，機構・アクチュエータ・センサ・プログラム技術を融合したメカロトニクス技術の学習機会として実験を行っている．従来は，マイコンと環境センサ（気温，湿度，気圧）によるIoT環境計測システム，カメラと赤外線センサによる監視システム，台車ロボット自動走行のデモ実験などを取り上げて実験を行ってきたが，情報処理技術との融合によるより高度な機械システム制御を体験できる実験として改変すること

図-10 実験時の様子にした．Raspberry Piを使用したマイクロマウスを教材とし，LiDARによるSLAM(Simultaneous Localization and Mapping)
技術を扱う実験を計画し，実施した．図-10に実験の様子を示す．複数毎のプラダンの仕切りを準備し，学生に自由に配置させてテストコースを作る．その後，マイクロマウス上でROSのサンプルプログラムを起動し，ゲームパッドからマウスをコース上で操作してもらう．LiDARで取得した情報はリモートPCに転送され，それを基に環境地図が生成される．実際に作成された地図を図-11に示す．
環境地図が逐次更新されていく様子を見せると学生からは感嘆の声が上がり，反応は悪くなかった．一方で，一週分2コマで実施なければならない都合上，SLAMを実現するための具体的な理論や技術，ROSの扱い方などを説明する時間は確保が難しく，それらは概略の説明のみとして，図-11作成された環境地図

デモ実験を試しに行ってみる，という程度の実験にとどまった．次年度に向けては，自動制御実験の内容を再構成し，実験機会を二週分確保するなどして，SLAMやROS自体の理解をより深められるような実験内容へ変更することな謝辞

どを検討している．

本プロジェクトは，公益財団法人NSKメカトロニクス技術高度化財団の助成金交付（2019年度教育助成）により遂行されたものです．この場を借りて深く御礼申し上げます．

７．結言
参考文献
本稿では「産業のデジタライゼーション」対応型人材育1)成のための一貫教育カリキュラムの構築として，複数の講

高石伸一, 那賀修二, 小西忠司, 松本佳久, 菊川裕規：
創造性を伸ばすためのメカトロニクス教育(技術教育

義科目・実験実習テーマに教材を導入，一部について実践(2))，公開研究会・講演会技術と社会の関連を巡って :した教育内容について報告した．現在機械工学科では，こ技術史から経営戦略まで:講演論文集，2001巻，(2001).

こで紹介した取り組み以外でも，メカトロニクス教育の環2)

林 和弘, 吉本 陽子, 佐藤 遼, 鈴木 羽留香, デジタ

境整備，改善を進めている．例えば4年生の工学実験Ⅱにおライゼーションとイノベーション政策, 研究 技術 計いて，教育用の卓上ロボットアームを新たに導入して，ハ画, 34, 3, pp. 270-283, (2019).

ンド設計・制作・評価を題材としたPBL形式の実験を計画し

3) 金井 啓一, 世界の製造業におけるデータ活用のベス準備している．今後も継続して教育改善に取り組み，社会トプラクティス, システム／制御／情報, 62, 8, pp.

ニーズに応える人材輩出を行う教育カリキュラム構築を

328-335, (2018).

目指したい．

(2022.9.30受付)―35―