筑波学院大学紀要第16集

93 ～ 98 ページ

2021年＜研究ノート＞

IoT 機能を搭載した小型人型ロボットを活用したプログラミング教育の検討
高藤

清美＊・堀越眞理子＊

Study of programming education using a small humanoid robot equippedwith IoT function
TAKATO Kiyomi ＊ and HORIKOSHI Mariko ＊抄録

2017・2018年（平成29･30年）に改訂された学習指導要領により、2020年度から小学校でのプログラミング教育の全面実施がおこなわれ、順次、中学校、高等学校でもプログラミング教育への本格的な取り組みが始まる予定である。この改訂に対応するため、さまざまなプログラミング教材を用いた試行がおこなわれてきた。多くの場合は、コンピュータ内部だけで完結するバーチャルワールド（仮想世界）を対象とするに留まり、文部科学省が参考資料として用意1）した「小学校プログラミング教育の手引」 などで言及されているリアルな世界を意識した題材を利用する例はレアケースである。本論文では、小学生でも親しみやすく、リアルな世界を投影しやすく、動作の意味が直感的に理解しやすいと考えられるプログラミングが可能な小型人型ロボットに対し、プログラミング教育の題材としての可能性や適切性について検討をおこなった結果について示す。
キーワード：プログラミング教育、学習指導要領、ピッコロボ IoT、ロボホン、Scratch、Blockly

1 ．はじめにに意図した処理を行わせるために必要な論理
2）的思考の獲得」 、中学校では「計測・制御2017・2018年（平成29･30年）に改訂されのプログラミング」「ネットワークを利用した学習指導要領により、2020年度から小学校た双方向性のあるコンテンツのプログラミンでのプログラミング教育の全面実施がおこなグについて学ぶ」 、高等学校では「プログ

われ、順次、中学校、高等学校でもプログララミングやシミュレーションによって問題をミング教育への本格的な取り組みが始まる予発見・解決する活動」を通してコンピュータ定である。プログラミング教育の主な目的の計算に関する限界についての理解、プログ

は、小学校では「プログラミング的思考の育ラミングによるコンピュータや情報通信ネッ成」「プログラミングを通じてコンピュータトワークの活用、シミュレーションを通して＊3）

筑波学院大学経営情報学部、Tsukuba Gakuin University─ 93 ─

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モデルを評価する、アルゴリズムを考え適切
4）に表現することなど 、幅広い知識、技能、思考力、判断力、表現力を身に着けることを想定している。
この改訂に対応するため、さまざまな検討がおこなわれているが、2020年 4 月からスタートした小学校においては、さまざまなプログラミング教材を用いた試行がおこなわれてきた。多くの場合は、コンピュータ内部だけで完結するバーチャルワールド（仮想世界）を対象とするに留まり、文部科学省が参考資料として用意した「小学校プログラミン
1）

グ教育の手引」 などで言及されているリア
ルな世界を意識した題材を利用する例はレア

図1ケースである。また、リアルな世界を意識しロボホン（シャープ株式会社）た例としては、従来からの計測・制御的な取り扱いを想定したものが目立ち、児童・生徒全員が学ぶ素材としては特殊であると考えられる。
近年、さまざまな用途向けの人型ロボットの実用化が進んでいる。実用化のための開発環境を持つものがほとんどであり、中には、ロボット本体が比較的安価でプログラミング環境も分かりやすい機種も市販されるようになってきた。また、プログラミング環
境がビジュアルインターフェースを使用す5）

る MIT の Scratch
Blockly6）

や Google 社 の Googleをベースにし、これを拡張した形態のものを用意しているケースもある。さらに、子ども達でも扱いやすい小型の人型ロボットも登場している。このように人型ロ

図2

ボットを対象としたプログラミングに取り組みやすい状況になっていることから、小学校から取り組まれることになったプログラミン
グ教育に活用できないかを検討することとした。

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ピッコロボ IoT（ヴイストン株式会社）

表1

ピッコロボ IoT の主な製品仕様

大きさ
重量
稼働箇所
制御ボード
CPU
拡張
通信機能
電源

高さ212×幅133×奥行92（mm）
約480 g（バッテリー搭載時）
4（頭 1、腰 1、脚 2 ）V-duino（VS-RC202、Arduino 互換）
Espressif Inc. ESP-WROOM-0210）
センサ・アクチュエータとも可能
USB、Wi-Fi
ニッケル水素電池または5V 直流高藤清美・堀越眞理子：IoT機能を搭載した小型人型ロボットを活用したプログラミング教育の検討

2 ．プログラミング教育に適した小型人型ロボットの検討
現在では、プログラミングが可能な小型人型ロボットは様々な種類のものが市販されている。最適な機種を選択するのも苦労するような状況となっている。しかし、本研究で検討対象とした小型人型ロボット（後述）と同時に採用の可否の検討をおこなった機種の中7）の一つである「ロボホン」 （図 1 ）は機能

図3が充実していて、性能も高く、使い勝手がよ
表2

いもののひとつであるが、Wi-Fi 通信機能を持つタイプは本体価格が132,000円（定価）で、

V-duino の各ポートの接続先

ポート
入出力
接続先
SV1PWMa）/出力 左足SV
PWM/ 出力 右足
SV3
PWM/ 出力 胴SV4PWM/ 出力 頭SV5PWM/ 出力SV6PWM/ 出力SV7PWM/ 出力SV8PWM/ 出力SV9PWM/ 出力 LED 左SV10 PWM/ 出力 LED 右快適に使おうとするとメーカーの提供するクラウド通信サービスを契約（年額16,500円）する必要があり、通常の公立学校の授業用に導入するのは費用の面で困難であると考えられる。他のメーカーの小型人型ロボットについてもロボホン同様に費用的な問題がある。
このような状況の中で、以前から教育用の比較的安価な自動車型ロボットなども手掛けているヴイストン株式会社から、教材用の小型人型ロボットで半キット状態ではあるブザー PWM/ 出力が、安価であり（ピッコロボ IoT 自律制御

AN1AN2AN3AN4セットの場合16,500円）、ハードウェアの拡張が容易であり、制御用のコンピュータと8）して Arduinoと互換性のあるものを使用している、といった特徴を持つ「ピッコロボ
9）USB
Wi-Fiな仕様を表 1 に示した。なお、Arduino は開圧電ブザー

備考
LED 制御可LED 制御可LED 制御可LED 制御可LED 制御可LED 制御可LED 制御可LED 制御可ブザーと併用ブザーと併用SV9、SV10と併用

右耳光センサ
左耳光センサ
人感センサ
電源電圧
基板内部接続I2Cb） 入出力検討をおこなった。「ピッコロボ IoT」の主テムの開発環境といえるもので、上述した

入力
入力
入力
入力

SONIC 出力 / 入力

IoT」 （図 2 ）を有力な候補として選択し、発環境を含めたマイクロコンピュータシス

V-duino

入出力
入出力

超音波センサHC-SR0413）に対応
2 線シリアルバス
PC 接続用
無線 LANa）PWM：Pulse width modulation（パルス幅変調）b）I2C：Inter-Integrated Circuit

Scratch や Blockly などと連携させるためのツールも公開されているので、本研究の目的出来そうなことを機能面から明らかにするたには好都合である。

めに、ピッコロボ IoT の制御ボードでもある V-duino

3 ．ピッコロボ IoT の制御ボードの機能

11）（図 3 ）について、ピッコロボ

IoT の制御用として使用されているポートの状況、V-duino ボード上に実装されている周ピッコロボ IoT が出来ること、あるいは辺装置、拡張に使用できるポートの状況およ─ 95 ─

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びポートの拡張可能性について表 2 にまとめ表3た。表 2 の接続先が空欄のポートは拡張用に2 12）使用できる。なお、I C

は 2 線シリアルプログラミングの要素として検討した観点

データ構造
制御構造
モジュール化（オブジェクト化を含む）
プログラム機能

バス方式のインターフェースで、バス上にさまざまな入出力デバイスを接続できる。USBは主に PC との接続用として使用し、PC 上で開発したプログラムをアップロードしたり、PC との連携に使用する。Wi-Fi は無線LAN 用のインターフェースである。USB イ

4 ．ピッコロボ IoT の動作とプログラミング要素との関係の検討

ンターフェースと同等の目的で使用できる。
また、ピッコロボ IoT を遠隔から制御した

ピッコロボ IoT をプログラミングの修得り、ピッコロボ IoT からのデータを送ることに用いるためのアプローチ方法はいくつか考ができる。

えられるが、本研究報告では、標準的なプロ

表 2 よ り、V-duino の ポ ー ト で ユ ー ザ がグラミング手法の修得を目的とするという観

自 由 に 使 用 で き る の は SV5～SV8の 4 つ の点で考察した。具体的には、表 3 に示した観PWM/ 出力用のポートと I C インターフェー点に対してピッコロボ IoT のプログラミング

スのみとなる。一見、少ないようであるがの際に学習可能か否かという考察をおこなっ

I C ポートは、7 ビットまたは10ビットでアた。

22

ドレスを指定できるため多数の周辺装置を接表 3 の各観点をもとに、各観点の要素をま続し、制御可能である。またデータ転送速度

とめると表 4 のようになる。表 4 には、各機についても、モードにより差があるが、ハ能とピッコロボ IoT の動作を含めたプログラ

イスピードモードでは最大3.4Mbps で 8 ビッムとの関係についても示した。また、標準のトデータの双方向転送が可能である。I C イ

ピッコロボ IoT だけでは実現できないもの

ンターフェースに対応した各種デバイスは、については、どのような拡張が必要であるか

I C インターフェースの開発元である NXPを示した。表 2、表 3 にまとめた検討結果か

Semiconductors 社の I C バス仕様およびユーら、ピッコロボ IoT を用いることでプログラ

ザマニュアル22212）によると、50社以上1000以ミング学習の多くの要素を学習できることが上のデバイスに採用されているとあるので、分かった。さらに、ピッコロボ IoT を用いた必要なデバイスを探すことは難しくないと思

有用なシステムの構築も十分に可能だと考えわれる。

られる。このようなところまで学習を進める

以上より、高い拡張性を持つピッコロボ

ことができれば、平成30年（2018年）告示のIoT は、さまざまなアイディアを実現するた高等学校学習指導要領「情報」で求められてめのプラットフォームになりえると考えられいる、「プログラミングによって問題を発見・る。プログラミングの基礎から学び、問題解解決する活動」のための学習教材と位置付け決のためのシステムの提案や構築といった課ることも可能である。

題にまで活用できると考えられる。

5 ．おわりに
今 後、 本 研 究 で 考 察 し た 内 容 を も と に
Scratch や Blockly の拡張モジュールを作成

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高藤清美・堀越眞理子：IoT機能を搭載した小型人型ロボットを活用したプログラミング教育の検討

し、実際のプログラミングの学習のなかで利developers.google.com/blockly、（accessed用し、改良を重ねていく予定である。先ず2020-10-23）

は、小学生を対象にしたプログラミングの学

7 ）シャープ株式会社：ロボホンのトップページ、習活動のための開発を中心に進めるが、早い

https://robohon.com/、（accessed 2020-10-段階で中学生、高校生、さらに大学生を対象23）とした研究にも取り組んでいきたいと考えて

8 ）Arduino：Arduino の ト ッ プ ペ ー ジ、https://いる。

www.arduino.cc/、（accessed 2020-10-23）
9 ）ヴ イ ス ト ン 株 式 会 社、 ピ ッ コ ロ ボ IoT の［謝辞］

ト ッ プ ペ ー ジ、https://www.vstone.co.jp/

本稿は、筑波学院大学、令和 2 年度「研究products/piccorobo_iot/index.html、（accessed活動の充実に関する取組み」の補助金（採択
研究名「小型人型ロボットを活用したプログ2020-10-23）
10）Espr essif Inc.、ESP-WROOM-02仕

ラミング学習教材の研究開発」）による研究

様、

https://www.espressif.com/sites/default/files/

成果の一部である。

documentation/esp-wroom-s2_datasheet__en.pdf、（accessed 2020-10-23）［参考文献］
1 ）文部科学省：小学校プログラミング教育の手11）ヴ イ ス ト ン 株 式 会 社、 ピ ッ コ ロ ボ IoT のト ッ プ ペ ー ジ、https://www.vstone.co.jp/引（第三版）、2020年 2 月

products/vs_rc202/index.html、（accessed2 ）文部科学省：小学校学習指導要領（平成29年告示）、2017年 3 月
3 ）文部科学省：中学校学習指導要領（平成29年2020-10-23）

ユ ー ザ マ ニ ュ ア ル、https://www.nxp.com/告示）、2017年 3 月

docs/en/u ser-guide/UM10204.pdf、（accessed4 ）文部科学省：高等学校学習指導要領（平成30年告示）、2018年 3 月
5 ）MIT：Scratch の ト ッ プ ペ ー ジ、https://212）NXP Semiconductors、I C バ ス 仕 様 お よ び

2020-10-3）
13）SparkFun Electronics、HC-SR04デ ー タ シ ー（accessed 2020-10-23）
scratch.mit.edu/、
6 ）Google：Blockly の ト ッ プ ペ ー ジ、https://─ 97 ─ト、https://cdn.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Proximity/HCSR04.pdf、（accessed2020-10-23）

筑波学院大学紀要16

表4

2021

プログラミングの要素とピッコロボ IoT でのプログラミングの例として考えられる項目

プログラミング要素
データ構造
変数
配列
構造体
スタック
キュー
その他
制御構造
順序構造
選択構造
繰返し構造
その他
モジュール化
モジュール化

オブジェクトプログラムの機能
入力処理
出力処理

演算処理

時間制御

センサ制御

アクチュエータ制御

オープンループ制御
クローズドループ制御（フィードバック制御）
割込み制御

プログラミング例

実施に必要な拡張例

通常のプログラムでも多用する
一連のデータをまとめる
ロボットの特定動作に必要なデータをまとめる。例えば、
「歩く」
「戻る」
「右を向く」「左を向く」「立ち止まる」「お辞儀をする」などの動作に必要なデータをまとめるなど再帰呼出しのような処理で使用する。例えば、「条件が成立するまで歩く」などの繰り返し処理
ロボットへの指示やセンサの測定データなどを複数個保存し、順番に処理を進める
リストや木構造などがあるが、プログラミング時の必要性に応じて利用できる
構造化プログラミングの基本構造の一つ
構造化プログラミングの基本構造の一つ
構造化プログラミングの基本構造の一つ
選択構造、繰返し構造の変形的な構造を利用する可能性があるが、極力、3 つの基本構造（順序構造、選択構造、繰返し構造）およびこれらに準じた構造のみを使用するプログラムの部品化をする。モジュール化できたものはプログラムの部品として使用できるので積極的に活用するプログラムの部品化をする。オブジェクト化できたもの（クラス）はプログラムの部品として使用できるので積極的に活用する。データとプログラムをカプセルにできるので、動作に様々なパラメータが必要となるセンサやアクチュエータの制御を扱う際は積極的に利用するセンサ入力制御、通信回線（USB や Wi-Fi）や I2C イ 目的に応じて I2C インターフェース
ンターフェース上のデバイスからの入力にデバイスを追加
アクチュエータ出力制御、LED 制御、音の出力、通 目的に応じて SV5～SV8ポートまた2信回線（USB や Wi-Fi）や I C インターフェース上の は I2C インターフェースにデバイスデバイスへの出力を追加
制御ボード V-duino の CPU は ESP-WROOM-02であり、
ク ロ ッ ク 周 波 数160Mhz、32bitCPU で、300MIPS 程度の性能があるとされているため、本システムが想定するデータ処理は問題ないと考えられる
現実世界の時刻を扱うことのできタイマ割込みが使用できるので、正確に計時できる。
るリアルタイムクロックを I2C イン
しかし、現実世界に対応する時計機能は持っていない
ターフェースに増設する
ピッコロボ IoT で使用・用意されているセンサは、光センサ、人感センサ、電源電圧測定用センサ、超音波追加する場合、I2C インターフェーセンサとなっており、アナログセンサ用のポートは使スで制御できるセンサが必要である
2
い切っている。増設する場合は、I C インターフェースを使用するピッコロボ IoT で使用・用意されているアクチュエー
タは、サーボモータ、ブザー、超音波センサ関連回路 追加の場合、SV5～SV8を利用するか、となっており、出力用のポートは 4 本の余裕がある。I2C インターフェースで制御できる
さらに増設する場合は、I2C インターフェースを使用 アクチュエータが必要である
するロボットの制御では限定された場所での使用になると考えられる。例えば LED の点灯、音の出力などが考えられる。ロボット自体の移動をおこなう場合はクローズドループ方式を使用するべきであるロボットの移動等を実現するためには必要な制御方式である。移動結果をもとに修正を加えるなどの目的で使用される
突発的な事象が発生したときにも活用できるが、センサでのデータの準備ができたときを知らせるために使用可である

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