宮城教育大学環境教育研究紀要

第３巻

ロボット教材を用いた環境教育の検討
水谷好成＊・岩本正敏＊＊
Abstract : Various robots have been developed to improve our living environment. Robots cannot movearound freely in the area with barrier. Education using robots has possibility of giving us new viewsof our living environments. Educational robot BontenMaru is a useful teaching material to learn robots
for students unfamiliar with robots. Makimono language has specially designed for children to makeprograms of BontenMaru. The computer language can help for the untrained students to make easily
programs of a micro-controller in Japanese Hiragana commands. A set of partner robots was created withBontenMaru kits. A garbage truck carried small trash for us to a garbage can robot, and the garbage canrobot received the trash automatically. Creating the original partner robots gave new conception forimprovement of our living environment.

Key Words:

Educational Robot, BontenMaru, Micro-controller, Environmental Education, Partner Robot
教育用ロボット、梵天丸、マイクロコントローラ、環境教育、パートナーロボット

１．はじめにいる環境改善の可能性もある。ロボットには、人間に我々の周囲を取り巻く様々な環境は日一日と変わっ難しい作業や単純作業の繰り返しなどを人間の代わりている。特に、近年の科学技術の進歩に伴う生活環境にさせることができる。これらは、ロボットを利用しの変化は著しい。環境教育といえば自然環境にまず目た様々な環境の改善の一端と考えられる。また AIBOが行くが、日常おかれている身近な生活環境に関して（SONY 製）などのペットロボットの開発と普及により、考えることも重要であると思われる。それでは、生活ロボットの新しい側面も見えてきた。従来の無機質的環境を考えるとはどういうことだろうか。車椅子使用なロボットの概念から、現代人の心を癒してくれるロ

者の目から周囲の生活環境を見直す。これも、身近なボットとして注目され始めている。子どもの養育を終環境教育の一つと考えて良いのではないだろうか。健

えた夫婦の新しいコミュニケーションの手段としての常者から見れば、なんの変哲も無いような段差でも車要望もあるようである。ここには、ロボットの擬人化椅子では越えることが難しいことがある。スロープさに関するある種の危惧もないわけでないが、心の環境えあれば大丈夫だろうと安易に考える者もいるかもしの改善として考えることができないだろうか。近い将れないが、手動で車椅子を操作する場合には、スロー

来、人間とロボットが共存する時代が来ると考えられプが少しでもきつくなると登ることはできず、さらにている。このように、様々な側面からロボットと生活下りは上りに比べ危険度がより高い。いわゆるバリア環境を関連づけることができる。ロボットと関連づけフリーに関する問題である。現在の移動型ロボットのた新しい観点から見た環境教育の可能性があると考え大半は車輪を使っているため、車椅子と同様にちょっられる。今回、教育系大学大学院の学生に教育用ロとした起伏は移動の障害になってしまう。もちろん、ボット教材「梵天丸」を利用してパートナーロボット

段差を乗り越えたり、避ける機能を持たせることもでの製作を行わせた。ロボットに関する教育に対する学きる。しかし、ここで注目すべきは、車椅子とロボッ習が比較的未習熟な者でもパートナーロボットの製作

トから見たバリアフリー環境の類似性である。このよが可能であることを示し、ロボット製作と組み合わせうなところに、ロボットの眼から見た環境教育の可能た環境教育の可能性を検討する。

性があると考えられる。他方、ロボット自体が持って* 宮城教育大学教育学部生活系教育講座，** 東北学院大学工学部－ 11 －ロボット教材を用いた環境教育の検討２．教育用ロボット梵天丸の活用ては、ロボット製作に関連する専門的な授業の時間を１）最近のロボット十分に確保することは難しい。しかし、少なくとも、世代の違いはあるが、ロボットと言えば、鉄腕アト「本格的なロボットは無理でも何らかのロボットは作っム、鉄人２８号、ガンダム、ドラえもんなどの様々なてみたい。
」という要求にはなんとか応えたい。小学校

アニメーションに登場するロボット達を想像すると思６学年国語の中に「人間とロボット」という単元があう。これらはあくまで空想上のロボットであるが、近る。このように、小・中学校の教育にも、これからロ年のロボット関連技術の進歩で、それらに類似したロボットに関わる内容が増えてくる可能性は高いと考えボットが実現する可能性はどんどん高くなってきていられる。自らロボットを製作した経験を持ち、その楽ると言える。これらのようなロボットを創りたくて、しさを伝えられる教員を養成していきたい。そのためロボットに関わる勉強を始めた者は少なくない。1999には、適切なロボット教材が必要になる。これまでの年に SONY から発売された犬型のペットロボット AIBO

ロボット関連教材としては、中学生を対象にした遠隔の登場あたりから、本格的なペット型ロボットが普通操縦（リモコン）型のメカニズムに視点を定めたロの家庭にやってくるという時代が訪れてきた。最近、ボットが多かった。高校生以上を対象にした自律型ロ「癒し系ロボット」という言葉も耳にするようになり、ボットもあるが、価格的に高価であるという問題と制

従来の産業用ロボットに代表されるような無機質で冷御言語がＣ言語などであり、ロボットを学習する前提たい感じのするロボットとは異なるタイプのロボットとしてあらかじめ学んでおくべき事柄が少なくない。

が考えられるようになってきた。

我々のグループが開発してきた教育用ロボット「梵天ロボットと言っても色々なタイプがあり、分類も丸」の活用が、初学者によるロボット製作を可能にし様々である。HONDA の P3 や ASIMO のようなヒューマノてくれると考えられる１）。ロボットの初学者においてイド型ロボット、AIBO のような動物型ロボットを始も、ロボット製作を楽しむことは可能である。むしろ、め、一見ロボットに見えないような物まで多様である。

初学者においてこそロボット製作が可能であることを自動機械とロボットの違いは何かということはけっこ示していくことがより重要であると考えており、そのう難しいが、①外界の情報を得るセンサー、②外界に教育的な効果は高いと思われる。

対して何らかの働きかけ（出力）をするアクチュエー
タ、③判断をするコンピュータを持っているというの

３）教育用ロボット梵天丸が条件として考えられている。これらの要素を有して「梵天丸」は、小・中学生を対象に開発された教育用

いれば、必ずしも形状は問題ではなく、車椅子の形状ロボット教材である（岩本・水谷・中村、1998 他）。マであるがロボットの要素を持った物、あるいはロボッイクロコントローラ（PIC16F84）で制御され、前方左トの機能を持った家までが範疇に入ってしまうかもし

右にある赤外線 LED の反射光を中央の赤外線受光素子れない。また、高齢者の問題などが浮上してくる中、介で検出することにより、前方および左右前方の障害物護や福祉に関わる様々なロボットの開発も行われてい基本動作としては、の有無を判断することができる２）。

る。ロボットと共存する時代はすぐそばに来ており、デファレンシャルドライブの二輪駆動によって前進・ペットロボットも含めた様々なパートナーロボットが後進・回転などの移動行動が選択できる。

これから登場してくるに違いない。

梵天丸では「まきもの言語」と呼ぶ専用の制御言語を用いてプログラムを作る。この言語では、「だん」と２）教育用ロボットの必要性呼ぶ小さなプログラムを集めた「じゅつ」と呼ぶ一つ

本格的なロボットを製作するためには、様々な技術のプログラムを作る（図１）。プログラムの各だんは、力が必要であり、学習するべき事項も多い。工学系の１つの行動命令（こうどう）とその行動の回避条件

大学や高等専門学校などでは、電気・電子工学、情報（じょうけん）で成っている。

工学など様々な専門知識を学習するための授業時間の確保が可能である。これに対し、教育系の大学におい－ 12 －

宮城教育大学環境教育研究紀要

第３巻

ウエア的な改造を加えたオリジナルロボットの創造が：だんめい可能になる。

こうどう
じょうけん

マイクロコントローラの制御プログラムを作るため：次のだんめいには、通常はアセンブリ言語やＣ言語などの何らかのプログラム言語を学習する必要があり、難しいと考え

図１

まきもの言語の「だん」の基本構造られがちである。しかし、梵天丸で用いるまきもの言語では「つけ」・「けせ」のこうどうコマンドが用意さ小学生を使用者として想定し、コマンドはひらがなれており、ディジタルポートの出力制御が可能である。と数字で記述している。
「こうどう」が動作を命令する「つけ○」で、指定したポート○のディジタル出力をコマンドで、ぜんしん、みぎまわれ、ひだりよれ、こHigh に、「けせ○」で Low に制御できる。○はマイク

うしん、などで二輪のタイヤの動きを指示する。タイロコントローラのポート番号に相当する。梵天丸の本

ヤの回転速度の指定で、移動速度や回転する速度など体基盤上にあるピンヘッダーは、パソコンから ROM ラを調整する。
「じょうけん」は実行している動作命令かイタを介してプログラムを書き込むインターフェースら抜け出す（回避する）条件を示している。
「だん」ととして使われているが、このピンヘッダーを介して未いう最小のまとまりの中で「こうどう」コマンドを実使用のディジタルポートを利用できる。PIC16F84 の電行しており、「じょうけん」の成立に従って、順次、「だ流駆動能力は高く、LED程度であればダイレクトにON/ん」を遷移していく。
「じょうけん」には、①障害物をOFF させることができる。モータやリレーなどのよう検出するコマンドとして、みぎだ、ひだりだ、まえだ、に電流がさらに必要なデバイスを使用する場合は、ト②時間を計測するコマンドとして、じかん○で、そうランジスタや専用のドライバICを介せば良い。この方

じかん○で、などがある。さらに「じょうけん」コマ

法で梵天丸基本キットに外部デバイスを制御する機能ンドに、！がつくと否定を表す。たとえば、「みぎだ」を簡単に追加できる。

は「右に物があったら」、「！みぎだ」は「右に物がなかったら」という意味になる。

一方、周囲の情報を調べたり、外部から何らかの指示命令を送る方法としては、赤外線リモコンを利用す

この梵天丸の基本キットおよび制御言語である「まる方法が用意されている。
「リモコン○だ」というコマ

きもの言語」の使用により、障害物の検出と時間の測ンドで、赤外線リモコン（SONY 製）のチャネル設定信定を使ったオリジナル動作をするロボットを作ること号（１～15）を弁別して利用できる。ここで、○はチャができる。使用するコマンドは動作や条件を連想しやネル番号である。さらに、「に××××だ」というコマすい自然な言葉にしているので、特別に学習する時間ンドを使えば、マイクロコントローラの入力ポートのをもうけなくともプログラムを作ることが可能である。

状態を調べることもできる。外部に光センサやメカニ

また上述のようにひらがなコマンドであるため、小学カルセンサなどを追加すれば、それらから周囲の情報生でも短期間でプログラミングが容易にできる。

を入手することができるようになる。
このように「まきもの言語」を活用することにより、

４）梵天丸キットの拡張的な活用

梵天丸の中枢であるマイクロコントローラの学習が容初歩的な梵天丸の改造（機能拡張）としては、外装易になるとともに、梵天丸の改造が可能になる。梵天の工夫や移動軌跡を描画するためのペンの追加などが丸キットの改造以外にも、マイクロコントローラ自体できる（水谷・岩本、2000b）。さらに、梵天丸の中枢の学習に利用することができる点もこの教材の魅力とであるマイクロコントローラ（PIC16F84）の使用可能言える。ひらがなコマンドを用いたまきもの言語は、（未使用）なディジタル入出力ポート機能を使う方法が大学生には簡単すぎるかもしれないが、コンピュータある。梵天丸の本体基盤上のピンヘッダを介して、外言語に不慣れな学生に対してロボットの学習を導入す

部出力装置（モータ・LED など）および入力装置（セる場合、このまきもの言語は大変有効である。さらに、ンサ類）を接続することにより、基本キットにハード

まきもの言語環境ではアセンブリ言語も利用できるの－ 13 －

ロボット教材を用いた環境教育の検討

で、用意されたひらがなコマンドで練習をした後に、ゴミ捨てを行う一連の動作は、以下の手順で行う。

さらに上級の学習としてアセンブリ言語の学習に進む①ゴミ運搬ロボットにゴミを入れる。と良いだろう。

②ゴミ運搬ロボットがゴミ箱ロボットの前まで移動

梵天丸キットを車型のロボット教材として、原型のする。

まま利用するのではなく、制御用のパーツとして考え③ゴミ運搬ロボットがゴミ箱ロボットの塵取りにゴることもできる。すなわち、入力として赤外線センサミを渡す（落とす）。

を持ち、出力として２つのモータ制御ができるマイク④塵取りに入れられたゴミをゴミ箱の中に捨てる。

ロコントローラを搭載した制御用ボードとして活用す⑤ゴミ運搬ロボットはスタートした場所に戻る。

る方法である。実際、後述する「ゴミ箱ロボット」は、梵天丸キットを制御ボードとして利用しており、原型a） ゴミ運搬ロボット：梵天丸をベースに、ゴミ（紙からはかなり改造された物になっている。

屑等）を入れる箱（ゴミ運搬箱）を２階建てのように追加した構造になっている（図２）。ゴミ

３．オリジナルパートナーロボットの製作

運搬箱をアームで支え、外付けモータよるアー

１）パートナーロボット大会への参加

ムの揺動運動でゴミをゴミ箱ロボットの塵取り

ここでは、宮城教育大学の大学院学生の授業と関連に落とす。運搬ロボットは、前部中央の赤外線させてパートナーロボットの製作を行った様子を紹介

受光センサで、ゴミ箱ロボットおよびスタートする。このロボット製作にあたり、パートナーロボッ

位置誘導ビーコンから送られる赤外線リモコント大会（大会長：東北大学大学院中野栄二）に参加す信号を探して、その方向に移動する。赤外線受ることを目標にした。この大会では、小・中学生を対光センサに約５ cm の筒を取り付け、赤外線の散象としたロボットアイディアコンクール以外に競技部

乱光を除いた誘導リモコン信号の直接光のみを門と提案部門があったが、大会の趣旨や各部門の内容検出するようにした。ゴミ投げ命令を受けると、などを検討し、ロボットの初学者でも参加が可能と思移動動作を停止し、ゴミ運搬箱を倒してゴミをわれた提案部門に参加することにした。製作する学生

塵取りに落とす。ゴミを落とした後、ゴミ運搬が持っている技術の範囲で実現可能であり、この部門箱を元の状態に戻し、その場で回転（反転）しで求められているロボットとして、自分の代わりに何てスタート位置誘導ビーコンを目指して移動をかをしてくれるロボットを考えた。最終的には、「病気始める。

やけがなどでベッドから離れられない人の代わりに、

b） ゴミ箱ロボット：ゴミ箱部、塵取り部、赤外線

軽いゴミクズを離れた場所のゴミ箱に運ぶことでゴミリモコン信号発生部によって構成されている。

捨ての手間を省き、不便さを少しだけでも減らすこと梵天丸キットの本体基盤を利用した制御ボックが出来るようにすること」を目的にロボットを設計・スで、それらを統括・制御する。赤外線リモコ製作することに決定した。前述したように、梵天丸

ン LED からは、ゴミ運搬ロボットの誘導とゴミキットをベースにして、マイクロコントローラの入出投げ命令などの信号を送る（図３）。制御ボック

力ポートの拡張利用とリモコンコマンドの利用によっ

スは、梵天丸の赤外線による障害物検出機能をて、以下に示す「ゴミ捨て梵天丸」を製作した。

使って、ゴミ運搬ロボットの接近を検出することができる。初期状態では、ゴミ箱ロボットの２）ゴミ捨て梵天丸の機能位置を知らせる誘導信号を発生する。ゴミ運搬

製作した「ゴミ捨て梵天丸」は、a）ゴミ運搬ロボッ

ロボットの接近を検出すると、ゴミ投げ命令信ト、b）ゴミ箱ロボット、c）スタート位置誘導ビーコ号を送る。塵取りでゴミを受けたのち、塵取りン、の３体一組でゴミ捨ての動作を実現する。３体のをラダーチェーンで持ち上げ、ゴミ箱の中にゴ間では、赤外線リモコン信号（１～ 15）を利用して交ミを落とす。塵取りの駆動は梵天丸の移動用信を行う。

モータを改造して行った。塵取りはゴミ箱の上－ 14 －

宮城教育大学環境教育研究紀要

図２

図３

第３巻

ゴミ運搬ロボット

ゴミ箱ロボット（前面）端の高さに達すると、自重で倒れてゴミをゴミ箱の中に落とす。ゴミを落とした後は、塵取りをゴミ受けの位置に戻し、初期状態になる。

３）ゴミ捨て梵天丸の動作製作したゴミ捨て梵天丸は、以下の手順でゴミ捨て動作を順次行う。

c） スタート位置誘導ビーコン：スタート位置を示①ゴミ運搬ロボットの電源スイッチを入れると、スす赤外線リモコンの誘導信号を発生するビーコタンバイ状態になる。その状態でゴミを乗せ、赤ン機能を持った装置で、ゴミ投げ動作後のゴミ外線リモコンでスタートを指示する。スタート信運搬ロボットを誘導する（図４）。

号を受信すると、ゴミ運搬ロボットは、その場で回転運動を開始し、ゴミ箱ロボットから発せられている赤外線誘導信号を探す。誘導信号を探知す－ 15 －

ロボット教材を用いた環境教育の検討

図４

スタート位置誘導ビーコン

４．ロボットと関連した環境教育の可能性

ると、その方向に直進し、誘導信号を見失うと回転して、誘導信号を再度探す。この繰り返しで、ゴ梵天丸を利用して、宮城教育大学大学院の授業の中ミ運搬ロボットは徐々にゴミ箱ロボットに接近しでパートナーロボット「ゴミ捨て梵天丸」を製作した。ていく。

まきもの言語によって、マイクロコントローラのプロ②ゴミ箱ロボットは、図５（a）に示した制御ボックグラムも短期間で作成できた。基本的な学習に加えてスの接近物体検出センサの前を物体（ゴミ運ロ

拡張的な命令や改造の方法を適切に指導することによボット）が通過すると、指定した時間経過後に、ゴり、簡単な仕組みのパートナーロボットであれば、設ミ運搬梵天丸に赤外線リモコンで停止信号を送る計と製作ができることが示された。さらに、このよう（図５（a））。その信号を受けたゴミ運搬ロボットなロボットの製作と生活環境との関連性を考慮した授はその場で移動動作を停止する。停止までの時間

業展開を考えれば、従来とは異なった側面から環境教は、接近物体検出センサと塵取りの位置関係で調育に迫ることができると考えられる。授業の展開とし整する。て、次のようなものはどうだろうか。

③ゴミ箱ロボットの直前で停止したゴミ運搬ロボッ①イントロダクション（環境とロボットの関係）

トは、ゴミ運搬箱を前方に回転して倒し、塵取り②梵天丸の基本キットの製作と基本機能の学習の上にゴミを落とす（図５（b））。ゴミを落とした③梵天丸の基本コマンドによるプログラミング

後、ゴミ運搬箱を元の位置に戻す。

④梵天丸の拡張コマンドとマイクロコントローラの入出力ポートの使用方法に関する学習④ゴミ箱ロボットは、塵取りにゴミを受けた後、塵取りをリフトのように上昇させる（図５（c））。ゴ⑤パートナーロボットの設計

ミ箱の上端まで塵取りが上がると塵取りは自重で⑥ロボットの製作・改良

ゴミ箱の方向に倒れる（図５（d））。それと同時に⑦パートナーロボットの可能性に関する検討

塵取りに乗せられたゴミがゴミ箱の中に落ちる。

この授業の中でロボットとの共存を考えた生活環境のゴミを落とした後、モータを逆方向に回転し、塵改善を考えさせることが可能である。今回のように、取りを元の位置まで下げる。

パートナーロボット大会の参加を想定し、大会の意義⑤ゴミ運搬ロボットは、ゴミ投げ動作を終えると、から導入するのも一つの方法と考えられる。パート

その場で 180°反転し、スタート点を探すモード

ナーロボットとしては様々なタイプが考えられるので、になる（図６（a））。スタート点におかれたスター製作者のレベルに合わせて適切な目標設定をすること

ト位置誘導ビーコンから発されている誘導信号をができる。

探して、①と同様の手順で戻っていく（図６（b））。

－ 16 －

宮城教育大学環境教育研究紀要（a） ゴミ運搬ロボットを検出する（a） ゴミ運搬ロボットが反転する（b） 塵取りへゴミを投げ落とす（b） スタート位置誘導ビーコンへ接近する
図６
謝

第３巻

運搬ロボットのスタート位置への帰還

辞本研究の遂行はメカトロで遊ぶ会の多くのメンバーから協力を得て行われていることをここに感謝する。
また、本研究は、平成 11 年度・12 年度教員養成カリキュラム改善に関する研究・開発経費の補助を得て行われた。

引用文献（c） 塵取りを上昇させる

岩本正敏・水谷好成・中村昇 1998 子供用ロボット教材の開発、ROBOMEC '98

1BIII4-3

岩本正敏・水谷好成 1998 メカトロニクス教材開発と社会教育施設での実践 平成 10 年度電気関係東北支部連合大会 2H5
水谷好成・岩本正敏 1998 マイクロコントローラを搭載した自走型ロボットの教材化 産業技術教育学会第41 回全国大会 p.27
水谷好成・岩本正敏 2000a 制御教材としてのロボット教材「梵天丸」の活用 産業技術教育学会第 43 回全（d） 塵取りを倒してゴミを落とす
図５

国大会 C-16

ゴミ捨て梵天丸のゴミ捨て動作－ 17 －

ロボット教材を用いた環境教育の検討

水谷好成・岩本正敏 2000b お絵かきロボットとしての「梵天丸」ロボット教材 産業技術教育学会第 43回全国大会 F-5

註1） 著者らは、メカトロを通して子ども達と遊ぶ技術者を中心とした市民グループ「メカトロで遊ぶ会」として、梵天丸を使ったロボットに関する教育活動を仙台を中心に行っている。
http://www. robotics.is.tohoku.ac.jp/TORO
2） 教育用ロボット梵天丸は、仙台生まれ（開発）で、１つ目のロボットである。そこで、伊達正宗の幼名をいただいて「梵天丸」と命名した。

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