レター

卓上 4 軸ロボットアームによるクラフトボックス組み立てチャレンジ―ロボット SIer 育成のための実践的 PBL 授業の試行―
藤平祥孝*1，花島直彦*1

Craft Box Assembly Challenge with Desktop 4-Axis Robot Arm
Yoshinori Fujihira*1 and Naohiko Hanajima*1
This paper introduces a craft box assembly challenge conducted in a fourth-year undergraduate PBL (Project-basedlearning) class aimed at training robot SIers. Although robot competitions are held for various tasks, there are few
beginner-level assembly challenges that focus on mechanical design. Therefore, we propose a challenge to build a robot
system that automatically assembles a craft box using a desktop 4-axis robot arm. This paper presents the study of theassembly task, the contents of the class, and some of the systems created by the students.
Key Words: Robot SIer, Grasping and Manipulation Competition, PBL class, Assembly Challenge, Robot Education

1. はじめにロボット SI に関する引き合いは増加しているが，ロボットSIer 人材が不足しているとの調査結果が FA・ロボットシステムインテグレータ協会より発表されている[1]．今後のロボットSI 市場の拡大を考えるとロボット SIer 育成は急務であり，PBL（Project Based Learning）授業[2]を通してロボット SIer の基礎的な課題解決能力を養う授業開発が求められている．
ロボット SIer の直面する実課題には高度な物体の把持・操作が求められる場合が多い．次世代ロボットエンジニア支援機構
がまとめている国内のロボット競技会一覧[3]を見ると，移動ロボットまたはピッキングを組み合わせた題材が多く，ロボットアームによる物体の把持・操作（組み立て作業等）を題材としたものは WRS Assembly Challenge のみである．以前に室蘭工業大学の機械系学科で実施されていた PBL 授業も移動ロボットを題材[4]としたものである．
スマートファクトリーを題材に産業用ロボットを用いた教育訓練[5]の試行はあるが，訓練対象者は1 名であり複数名（本授業では 70 名規模）を対象としたものではない．
Table 1 に競技者のレベル別に分類した物体の把持・操作を題材としたロボット競技会を表に示す．プロのエンジニアや研究者，サークル活動を通してロボット製作に精通した大学生（上級者），高校生以下の初心者を対象とした競技会／教材はあるが，授業でロボット工学について学習したことはあっても実践したことはない大学生（初心者）を対象とした競技会／教材はほとんどない．
あったとしてもソフトウェアが主な AI についての教材であり，機械設計を含んだメカトロニクス要素が複合したシステムインテグレーション課題はない．
本論文では，70 名規模の大学生（初心者）が対象の機械設計・製作に重点をおいた把持・操作系のロボット SI の PBL 授業として，クラフトボックス組み立てチャレンジを提案し授業を試行したことについて報告する．提案課題では，ロボットシステムの中核として，近年，教育用として普及が進んでいる卓上 4 軸ロボットアームを使用する．まず，いくつかの組み立て対象をコスト，組み立て難易度等で比較検討した結果について述べる．
その比較結果より採用したクラフトボックスの組み立てチャレンジの授業内容について述べ，最後に学生が製作したシステムの中で特徴的であったものを紹介する．
Table 1 Grasping and manipulation competitions classified
according to the level of the competitor
Level ofcompetitor
Professional
engineers
Advancedstudents
Beginner
students
Students inhigh schooland below

Competition Title
Amazon Picking Challenge
WRS Assembly ChallengeWRS Future Convenience Store Challenge
Tomato Robot Competition
Catchrobo battle
None
Color block sorting(Educational materials included with DOBOT)

原稿受付 2023 年 7 月 18 日
*1 室蘭工業大学*1 Muroran Institute of Technology■本論文は XX 性（XXX 分野）で評価されました．

2. クラフトボックス組み立てチャレンジ
本授業では，DOBOT Magician Lite（以下，DOBOT）を用いた

クラフトボックスの組み立てを行うロボットシステムを製作す くなる．3D パズルは抜き差しにより摩耗しやすいので，クラフる課題を提案する．まず，受講生の特徴と使用機材について整 トボックスほどではないが特性が変化することに注意しなけれ理し，課題とする組み立て対象の検討を行う．その後，提案す ばならない．クラフトボックスやレゴは規格が決まっており入る課題の詳細について述べる．
手性が良い．
2.1 機械ロボット工学設計法
パーツの形状について，幼児向けのおもちゃとレゴは 3 次元
室蘭工業大学創造工学科機械ロボット工学コースの 4 年次前 的に複雑な多様な形状で多様なサイズのパーツから構成されて期に 4 時限/週で開講する授業である．対象学生は 1 年次に いる．また組み付けるときに大きな力も必要である．DOBOT にPython の基礎的演習，3 年次に Python の復習と 3D CAD の演習 は，標準で吸盤と 3 指のソフトグリッパが付属しているが，こを履修済みの学生である．本コースの学習・教育到達目標に「機 れらの形状，剛性，把持力だけでは幼児向けのおもちゃとレゴ械システムを設計，製作，評価できる」が掲げられており，そ のパーツの把持・操作は難しい．3D パズルは 2 次元的な複雑形れを元に本授業の到達度目標に「課題解決のための機械・ロボ 状なので，付属の吸盤で把持できるが，パーツ同士のはめあいットシステムの機能や機構を考案することができる」と「機械 の挿し込みが難しい．クラフトボックスは，矩形な面が連なっ工学の基礎知識を課題解決に応用できる」を設定した．
従って， て構成されており付属の吸盤での把持は容易である．また組み本授業の課題は機械設計・機械製作に重きを置いた課題となる 立てに必要な力も小さいので付属の吸盤の把持力で十分である．
ことが望ましい．
特に標準の吸盤とグリッパが使えない場合は，新たにグリッ2.2 DOBOT Magician Lite
パを製作する必要があるが，DOBOT Magician Lite は先端接続課題を検討する前に今回使用する卓上 4 軸ロボットアーム 部の図面が完全に公開されておらず，また先端ユニットのモーDOBOT について紹介する．可搬重量は 250[g]，最大リーチは ターの電極も特殊なため，DOBOT Magician Lite に適合したエ340[mm]である．DOBOT Studio という専用ソフト上でティーチ ンドエフェクタの製作は初心者には難しい．
ング&プレイバック，Blockly，Python 等で動作プログラムをユ
そこで，未使用という制約を考えなければ低コストかつ標準ーザーのレベルに合わせて作成することができる．特に本授業 の吸盤でも組み立て可能で入手性の良いクラフトボックスを本の受講生は機械系であるためプログラミングが苦手な学生が多 授業では採用する．
いので，ティーチングや Blockly を用いて簡単に動作プログラムを作成できることはメリットである．
Table 2 Comparison of assembly tasks
Assembly
MagicBox という付属のコントローラーには様々な IO があり，LEGO
Craft Box
Toy for3D puzzle
classicinfants
例えば，スイッチ，サーボモーター，ステッピングモーターをCost
50 yen/box
5,000 yen/set
3,000 yen/set
100 yen/set
XH コネクタ（JST 製）で簡単に接続することができる．これまReuse
Not Available
Available
Available
Available
でのマイコンを用いた教材[4]の場合，電気回路に苦戦する学生
Elasto‐Elasto‐plasticity
No elasticity
No elasticity
No elasticity
plasticity
が多く，正常に動作させることに時間が掛かっていた．DOBOT
2D simple
3D complex
3D complex
2D complex
Shaperectangularを導入することでこれらの利用が容易になった．特にステッピ
shapesshapesthin shapes
shapesングモーターの場合，通常は専用のドライバモージュールが必
Number of parts
15 – 10
10 – 20
5Required force
Small
Large
Large
Large
要になるが，MagicBox の場合は中にドライバが内蔵されている
Hand
Available
Not Available
Not Available
Not Available
ため直接接続して動かすことができるため利用しやすい．
(accessories)
Standardあり
なし
あり
なし
以前のカリキュラムでの課題[4]は，Arduino，各種センサ，Availability
GoodBad
Good
Bad
サーボモーターを用いて移動ロボットを０から製作する課題であった．このときハードウェアができていないとプログラミン
2.4 課題の概要
グ（デバッグ）ができなかったため，競技会本番でほとんど動
ここでは課題に使用するクラフトボックスと主な制約についかない班も多かった．ほとんどロボットが動かないと学生は達て紹介する．クラフトボックス（シモジマ社 H-76）のサイズは成感が得られなく，ロボット製作の楽しさ嬉しさを感じられな
縦横高さが 60[mm]のものを使用する．これより小さいと蓋のタくなってしまう．DOBOT という既製のロボットアームと開発環
ックや底面の凸面が挿し込む隙間に対して長くなり人手でもき境を用いることで，機械設計や製作が遅れてもロボットシステ
れいに挿し込み難い．逆に，これ以上大きいと DOBOT の吸盤にムを動かすことができることは大きなメリットである．
対して大きくなりすぎ，把持が安定しにくかったためである．
2.3 組み立て課題の検討
折り畳まれた状態から立体に展開した後の状態において，立Table 2 に検討した組み立て課題の比較を示す．ここで，体の断面が正方形を保てず平行四辺形になってしまうことや，組み立てとは，複数のパーツ合わせて組み立てることだけでな辺の中心付近の剛性が低いので吸盤を押し付けにくくハンドリ
く，クラフトボックスのように 1 つの平面的パーツを塑性変形ングが難しくなってしまうことがあり課題の難易度が上がってさせて立体に組み立てることも含む．
クラフトボックス以外に，しまう．そこで提案課題では，クラフトボックスの剛性を補強
幼児向け組み立ておもちゃ（大きいプラスチックのネジでパーするために中にフレームを入れた状態から組み立てをスタートツを組み立てる），4 歳時程度が対象のレゴ（CLASSIC シリーズ），することにする．つまりクラフトボックスの底面と上面の組み100 円ショップで取り扱われている 3D パズルの組み立ての課題立てが主題になっている．Fig. 1 にフレームを入れたクラフトを検討した．
ボックスとフレームの例を示す．フレームの形状はボックス内コストについて，クラフトボックスや 3D パズルの単価が低くに収まること以外に制約は設けない．
導入しやすい．しかし，クラフトボックスの素材は紙のため弾本来なら未使用のものだけに制約すべきであるが，コストの塑性体であり一度折ると特性が変化してしまい再利用が難しい．
関係から今回は使用済み（数度折ったもの）のものの組み立て
未使用品のみの組み立てを課題の対象とするとコストは最も悪を対象とする．

Fig. 1 Craft box before assembly and inner frame
製作するシステムの大きな制約条件としては Fig.2 に示すスペースである．各班に支給する 300x600[mm]のアルミフレームの台上に製作するシステムを収めなければならない．また開始時にボックスを置くエリア（開始エリア）と組立後にボックスを置くエリア（終了エリア）も指定されている．この両エリアを DOBOT の可動範囲外に設定することで，DOBOT の他に何か機械的な機構がないと解決できない課題となるように設計した．
ただ初年度だったため，多くの班がボックスの組み立て機構の設計と製作に精一杯であり，この制約を守れた班は少なかった．

Fig. 3 Class schedule posted on the web materials for students
展示会では教員が次の観点で評価しそれぞれの項目で点数の高かった班を表彰する．
アイデア：システムのアイデア，機構，方式等が創造的／独創的か？
完成度：システムの完成度が高いか？クラフトボックスの組み
Fig. 2 Space constraints for installation of devices
立て精度は高いか？
技術：システムの実現に使用している技術力は高いか？技術的な工夫がある？技術的によく考えられている設計か？
3. 授業概要
プレゼンテーション：製作したシステムの良さをポスターや動画などにより上手くアピールできているか？
3.1 班編成
これらに加え各項目において全体的に点数が高かった班には優導入した DOBOT は 16 台であったため，受講者 72 名を 16 班に秀賞，TA からの評価が高かった班には TA 特別賞を授与する．
分けた．本授業の開講年次は学部 4 年前期であり，研究室配属
3.3 オンライン教材と同時期である．研究室ごとに人数のばらつきがあるため，1
本授業では Moodle と Notion を活用して教材を準備する．
班の人数は 4〜7 名とした．
Moodle は学生へのアナウンス，各種届出（欠席，機器の使用報研究室配属されているため研究室ごとの編成の方が授業時間告），提出物の管理に使用する．授業の説明用の教材は Notion
外での作業はしやすいといったメリットがあった．一方で，本上に作成した．
自作の WEB ページや Moodle 上で教材を準備する
コースのロボット系の研究室は 11 研究室中 2 研究室であり，研よりも作成，管理が簡便である，スマホでの表示に対応できる，究室ごとの技術力や設備等の差が出てしまう問題もあった．
動画やスライド等の各種メディアの埋め込みにも対応している，
3.2 授業日程
数式の入力が Tex 形式で簡単にできる等のメリットがあるため
Fig. 3 に授業日程を示す．第 1 週目のガイダンスではシラバ採用した．Fig. 4 に作成した教材ページの例を示す．
スの内容，準備した教材，ロボット SI 等について説明する．第3.4 データ共有
2〜3 週は設計資料を作成する期間であり，適宜レゴ等を用いて各班でデータを共有できるように各班の Microsoft OneDrive
試作を行いながら進める．
並行して DOBOT の講習会も開催する．
で共有フォルダを事前に準備しておく．また各提出物のサンプ
第 5 週目にこれまで作成した資料のレビューを教員が行い，アルファイルも OneDrive 上で共有する．
本学では Office365 のサ
イデアの実現性や実現方法へのアドバイスなどを行う．第 6〜
イトライセンスを購入しており教員・学生が OneDrive を使用で13 週は詳細設計・製作を行う期間になり 3D CAD での設計，製きる．
用意しておいた共有フォルダを多くの班が活用していた．
作，プログラミング，動作確認を行う．第 14 週は製作したシス
3.5 電子部品の教材
テムの発表会として展示会を開催する．学生は自分の班の製作
以前の課題ではブレッドボードを使用して回路を構築しておしたシステムの説明と他の班のシステムの見学をする．
り，配線ミスによる動作不良や機器の故障が多く，正常に動く

ハードウェアの準備に時間がかかる場合があった．そこで，本 最終報告書：班での提出物は，製作したシステムの説明，3D 図
授業では配線ミスを低減するために，MagicBox のポートの 5V， 面，プログラム，ガントチャートをまとめた資料である．加えGND，PWM のピンとサーボモーターを接続するための XH コネク て，個人の提出物は製作したシステムの良かった点，悪かった
タ付きケーブル，MagicBox のポートの GND とプルアップピンへ 点，改善案について 150 字以上で考察である．
接続できる XH コネクタ付きスイッチを準備しておいた．
3.7 製作したシステムの例
Fig. 5 に班ごとにサーボモーター，ステッピングモーター，
ここでは賞を受賞した中で特に特徴的であったFig. 6 に示す
スイッチの使用量をまとめたグラフを示す．サーボモーターよ 2 つのシステムについて紹介する．
2 班のシステムは DOBOT で動りステッピングモーターを使用した班の方が多かった．これは かすからくりや DOBOT が把持するツールが特徴的であった．10
PWM 制御よりパルス制御の方が分かりやすく使用しやすかった 班は電子部品を使用せず単純な治具（アルミフレーム）のみでためである．スイッチについては，提案課題の実施初年度のた 組み立てを行っていた．このシステムのポイントは吸盤を標準め本課題におけるシステム内での活用の実例が示せず，活用イ のものから大きいものに交換したことでボックスの把持が安定メージを持ってもらえなかったため使用する班が少なかった． したことと同じフラップを複数回折るように動作を工夫したこ
電子部品を使用しない班は 6 班あり，静的な機構や DOBOT を とで組み立て精度が向上していた．賞を受賞したシステムの詳駆動源としたからくりで組み立てを実現しようとしていた．モ 細な動作については添付動画を参照されたい．
ーターの機構での活用方法，電気的な接続方法，プログラムでの使用方法がよく分からなかったため，使用を避けた班もありモーターの教材について改善が必要であることがわかった．

Fig. 6 Examples of characteristic systems produced by students

4. おわりにFig. 4 Example of a class material page with Notion
6Servo motor
Stepper motor
SwitchUsage quantity
in produced system543

ロボット SIer の育成を目指し，70 人規模で機械設計に重きをおいた卓上 4 軸ロボットアームによるクラフトボックス組み立て課題を提案し試行した．実施初年度のため班ごとに完成度のばらつきが大きかったが，多くのモーターを使い機構を工夫する班やシンプルな機構でロボットの動作を工夫する班などいくつかの特徴的な課題解決アプローチが見られた．
電子部品の使用方法が分からず使用を避けた班もあったので，今後はそれらの使用を促すルールの追加や使用方法の理解を助ける授業資料の作成が課題である．参考文献

2[1] “引き合いは好調も 98％がエンジニア不足／FA・ロボットシステム

1インテグレータ協会”，ロボットダイジェスト, 2022,

0
1

2

34

5

678

9 10 11 12 13 14 15 16Group

Fig. 5 Usage quantity of electronic components used by grouphttps://www.robot-digest.com/contents/?id=1650954635-468018（参照日：2023 年 7 月 1 日）
[2] 藤井 隆司, 藤吉 弘亘, 鈴木 裕利, 石井 成郎, ”工学部における問題解決型授業の実践と効果の検証”, 日本ロボット学会誌, vol. 31,

3.6 提出物
次のものを学生には提出してもらい成績評価を行う．
作業報告：個人の提出物．授業時間内や授業時間外での作業について作業日，作業時間（分），簡単な作業内容を報告する．
中間報告書：班での提出物．思考展開図，思考展開図，ポンチ絵，フローチャート，設計計算，システム構成図，ガントチャートをまとめた資料である．
発表資料：班での提出物．製作したシステムの紹介動画（3 分以内）とポスター（A3 用紙 1 枚）である．動画は展示会本番で動かなくても想定していた動作を紹介できたので教員，TA，学生から好評であった．

no. 2, pp. 161-168, 2013.
[3] “ロボットコンテスト一覧”，次世代ロボットエンジニア支援機構, https://scramble-robot.org/robocon/robocon-list/（参照日：2023 年 7 月 1 日）
[4] 花島 直彦, 山下 光久, 風間 俊治, 湯浅 友典, 新井田 要一, 相津 佳永, 疋田 弘光, “ロボット・ベースド・ラーニング情報技術を身につけた機械技術者の育成に向けて”, 工学教育, vol. 56, no. 5, pp.
5_17-5_24, 2008[5] 佐藤 崇志, 菊池 拓男, 髙橋 宏冶, “スマートファクトリーに対応したロボット技能者に対する教育訓練の提案と試行”, 工学教育, vol.
68, no. 1, pp. 1_75-1_80, 2020