PBL 実習との連携を意識したメカトロニクス実験とその効果

PBL 実習との連携を意識したメカトロニクス実験とその効果
平尾 康起*，中谷 敬子**，和田 健**，土井 智晴**
Design and Effectiveness of Mechatronics Experiments for Collaboration with PBL Practice
Kohki HIRAO*, Keiko NAKATANI** Takeshi WADA** and Tomoharu DOI**
要旨
メカトロニクスコース 4 年次で実施している PBL 形式の基礎研究の内容と連携する実験実習を実施した。
近年の基礎研究の学生への課題として、画像認識によるロボットアームの制御及びロボットハンドの開発となっている。これらの制御のためには、今まで学習してこなかった情報分野の複合的な知識を必要とする。
そのため、情報分野の基礎力向上を目的として本実験実習を計画した。主要な実習の機材として Raspberry Pi、開発言語に Python を用いて 6 テーマの実験実習とした。実施後、学生へアンケートを行い、本実験が 6 割以上の学生から将来的に役に立つという回答を得た。
キーワード：Python, Raspberry Pi, PBL 実習

1. はじめに

2. 基礎研究の概要
2.1 基礎研究のカリキュラム
本コースにおける基礎研究の科目について説明する。基礎研究とはこれまで学んできた知識や技能を基礎として、それらを複合・融合し、計画的に研究・調査・計画・実験・製作などを総合的に行い、研究活動の基盤となる能力を身につける総合的な学習である。通年を通して実施される必修科目となっている。学生は５～７名程度で一つの班をつくり、班単位で課題達成のための製作物作成に取り組む。スケジュールを以下の表 1 に示す。
表 1 PBL 実習(基礎研究)と実験のスケジュール
月4

PBL 実習(基礎研 メカトロニクス実験究)（丸囲み数字は週数）

ガイダンス・班決定【A 班】①②Python 基礎

概要設計

6

アイディア発表会

7

中間発表会

8-9

製作開始

10

製作・プレゼン動画

11

高専祭展示

12

発表会、

1-3

報告書提出

⑤⑥Raspberry Pi 活用【B 班】①～⑥

別 制
教 御員 回が 路
担 実当 験)5③GUI④通信技術、(メカトロニクスコースの４年では基礎研究と呼ばれるPBL 形式の実習を行っている。教員から出された課題について学生数名のグループ単位で課題を達成するためのシステムを 4 月から 11 月までの期間で作成する。過去の基礎研究のテーマとしては、「ワインを注ぐロボット」「ロボット台車」を課題として実施した。近年では、Dobot
社製産業用ロボットアーム M1-Dobot[1]の制御とそのロボットアームの先端に取り付けるロボットハンドの制御を課題として、基礎研究活動を行っている。
過去のテーマに比べると、「ロボットアーム・ロボット
ハンド制御」は画像認識技術、ロボットアームとの通信、コントローラーソフトの作成等と、今までの実験実習や講義であまりやってない情報分野の知識・内容を複数必要としなければ達成できないような課題となっている。
優秀な学生の自己学習によって達成できる班もある一方で、どういった事象を利用すれば課題を達成できるのか、プランさえ立てられない班もあり、学生が授業や実習以外の場で、どれだけで情報分野に対して触れてきたのかが如実に差として表れてしまっている。本実験実習では、汎用プログラミング言語python とそれと関連深いワンボードコンピュータ Raspberry Pi の制御について実験実習を通じて学ぶことで、学生の情報分野の基礎能力の向上を目的とした、実験実習カリキュラムを作成し実施した。

(夏季休暇)

IoT 実習

今年度の課題としては、「ランダムな位置に置かれたスポンジ状の物体を、変形させずに把持、搬送するハンドの作成およびロボットアームの制御システムの構築」を課題として行っている。

2021 年 8 月 27 日 受理
* 総合工学システム学科 生産技術センター(Dept. of Technological Systems Engineering: Technology solutions
for education and research)** 総合工学システム学科 メカトロニクスコース(Dept. of Technological Systems Engineering : Mechatronics Course)-23-平尾 康起，中谷 敬子，和田 健，土井 智晴2.2 基礎研究に必要な専門知識と課題
ロボットハ
ンドの作成とその制御については、どのように物体を把持するのか、アクチュエータには何を使うのかといった、今までの授業や実習で学んできた機械、電気の知識で解決することができる。しかし、ロボットアームの制御に関しては、決まった位置から決まった位置へ搬送するといった簡単な挙動であれば人の手によるティーチングや、ブロックプログラム等の方法を用いて比較的簡単に制御できる。しかし今年度のようにランダムな位置に並べられた物品をカメラやセンサー類からの情報をもとにロボットアームを動かすといった複雑な動作をするためには、画像認識やソフトウェア間の通信、カメラや各種センサー類からの情報取得等の幅広い情報分野の知識を必要とする。のように設定した。
<目的>
基礎研究・卒業研究等で活用できるようなマイコン制
御方法やプログラミング技術の取得<目標>
プログラミング言語 python を利用して、メカトロニク
ス機器の制御の方法を学ぶ

3.2 方針本実験実習は、基礎研究科目との連携であること、またメカトロニクスコースの学生であることを鑑みて以下の工夫を行った。
(1) プログラム技術に関して、得意な学生と不得意な学生が混在しており、実験実習のレベルを不得意な学生のレベルに合わせた。

これらの課題を達成するためには、センサー等からの(2) プログラムコードの打ち間違いによる、構文エラーデータの入出力だけでなく、コンピュータとの通信や複の修正やコード入力時間削減のため、プログラムコ雑なコンピュータでの処理のできる制御コンピュータがードはこちら側で配布したものを学生が実行する形必要となる。また基礎研究の期間で考えると、実際にプ式とした。

ログラムを作成していられる期間はハンドの仕様等が決(3) 項目の説明の際に、実施する内容が「どういった領まって製作が始まる 8 月～10 月末までの 60~70 日程度し域に使えるのか」の説明や 2・3 年生で学習した内容か時間がない。ロボットアーム自体が高価なため本コーとどのように関連するのかの説明を行った。

スでは 1 台しか実機がなく、各班でロボットアームの実(4) 実験実習の時間のうち、最初の 30 分程度でその日の機を触って調整できる時間は、単純化し班ごとで均等割内容の説明と全員が見える位置でのプロジェクターりにして上記時間の 1/5 程度となる。まったく情報分野等を用いて実演を行った後、学生が各個でサンプルについて知らない学生が 1 から取り組むにはやるべきこプログラムの実行、修正、小改造を行い、実習残り 1とが多く、10 月末～11 月の高専祭展示前の期間には、残時間程度を、簡単な応用課題の時間とした。ってプログラムの調整行っている学生が多く、過去には(5) 実験実習の最後 5 分の時間に、「総括」の時間を設け当初のコンセプトを下方修正して、期限内に「形だけでて、その日に何をやったのか、それがどういった意も間に合わせる」といった事例も何度か見られた。

2.3 機材選定

大阪府立大学高専研究紀要 第 55 巻

味をするのか、どういったところで利用可能なのかこれらの点から情報分野の基礎力向の振り返りを行った。

上のために本実験実習では、主要な実習機材としてワン3.3 具体的なカリキュラム

ボードコンピュータ Raspberry Pi を選定した。本体価格

実験実習のカリキュラ

ムについては、前期期間に 40 人クラスを出席番号の前半5000 円程度でありながら、数年前のスマートフォン程度後半で分け、20 人弱の班にした。機材に関しては、前半の処理能力やインターネットへの接続、さらに GPIO ピン

3 回は情報基盤センターのパソコンを利用して、一人パソと呼ばれるセンサーからの信号の入出力の行えるピンもコンを一台とした。後半 3 回の Raspberry Pi の制御につ有しており、プログラム言語 python との強い関係背も持いては難易度が上がる為、二人一組での作業するようにつ。上記の課題達成のためのデバイスとしてはこれ一個機材準備を行った。

で賄うことができる。本実験実習ではそれ以外にもRaspberry Pi と Arduino との連動方法や、M1-Dobot との3.4 実験実習細目

通信やコントロールソフトの作成方法、データのインプの制御」と設定した。それに至るために必要な要素を 6

ットアウトプット等例年の過去の基礎研究で詰まってき項目設定し、6 週間で 6 項目達成するような実験構成とした問題について取り扱うことで、学生のより高度な基礎た。以下に詳細について説明する。
3.4.1 python 基礎
第1 週ではpython の導入教育を実施している。構文の解説の後、学生には設定した課題を達成しうるプログラムを作成した。テキストは京都大研究の目標の達成を支援する。

3. 4H 実験実習の設計
3.1 目的と目標
本実験実習の目的及び目標は以下-24-

最終的なゴールを「Raspberry Pi

PBL 実習との連携を意識したメカトロニクス実験とその効果学が無料公開しているテキスト[2]を一部抜粋して用いた。実行環境として Google Colaboratory[3]を用いた。
第 1 週目の学習項目は下記のとおりである。
・Google Colaboratory の使い方
・print 関数/input 関数
・if 文/for 文/while 文・関数

・Serial 通信

3.4.5 Raspberry Pi 基礎

第 5 週の実験実習項目はワンボードコンピュータ Raspberry Pi の取り扱いについて学ぶ。2 人に対して 1 台の Raspberry Pi を用意し、ノートパソコンとLAN ケーブルで接続し、Teraturm でのssh接続でログインした。
第 5 週目の学習項目は下記のとおりである

3.4.2 python を用いたデータの活用

第 2 週では、先週からの python 基礎の続きとして、(1)python での配列(list 型)の取り扱い方法(2)複数データ入出力するためのファイル読み書き(3)データを用いたグラフ描画を学んだ。
第 2 週目の学習項目は下記のとおりである。
・python の配列(list 型)の扱い方
・ファイル入出力
・Matplotlib を用いたグラフ描画

3.4.3 GUI プログラミング

第 3 週の実験実習項目
は「GUI(graphical user interface)プログラミング」である。
ウィンドウ出力の標準ライブラリは Tkinter を利用した。実行環境は情報センターPC にインストールされている spyder を用いた(図 1)。
第 3 週目の学習項目は下記のとおりである

・Raspberry Pi の機能と特性・Linux OS の操作方法と観念・テキストエディタ Vim の取り扱い
・ラズパイとウェブカメラの連動方法

3.4.6 Raspberry Pi GPIO 制御

第 6 週の実験実習
項目はRaspberry Pi に実装されている外部出力端子GPIOへの信号の入出力方法について学ぶ。GPIO の取り扱い方法を説明した後、回路を作成し、サンプルプログラム動作の確認を行った。本実験実習では、LED、圧電ブザー、押しボタンスイッチ、超音波センサーの回路と動作するプログラム作成を行った(図 2)。
第 6 週目の学習項目は下記のとおりである
・GPIO の機能と特性・超音波センサーの取り扱い方

・Tkinter・イベント駆動型プログラム

図 2 GPIO を用いた LED 点灯制御

4. 実験実習の効果の検討
図 1 作成した GUI プログラム

本実験実習が、受講学生に対してどのような意識変化

3.4.4 Serial 通信/Socket 通信

第 4 週では今まで単独で実行してきたプログラムを他の機器やソフトウェアと通信するための通信プロトコルとして、Socket 通信、Serial 通信の実習を行った。
Serial 通信の実習では、Arduino と圧電ブザーを用意し、第 3 回の GUI プログラミングで行ったような、制御パネルプログラムを作成し、画面の特定のボタンを押すと、指定した周波数の音が鳴るシステムを作成した。
本実験実習の学習項目は下記のとおりである。
・Socket 通信をもたらしたかを検討するために、以下の方法による調査を行った。

4.1 学生のアンケート

実験実習と基礎研究の連携について Google Form を用いてアンケート調査を実施し、24 名から、アンケートの結果を得ることができた。その結果を以下に示す。質問事項は、本実験実習の第 1 回から第 6 回までの内容について、(1)基礎研究で役立つ内容か、(2)卒業研究や将来役に立つ内容か を学生が 5 段階で評価した(図 3 および図4)。

-25-

実習終了後の 8 月 22 日に本平尾 康起，中谷 敬子，和田 健，土井 智晴

大阪府立大学高専研究紀要 第 55 巻

1 週目

1 週目

2 週目

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3 週目

3 週目

4 週目

4 週目

5 週目

5 週目

6 週目

6 週目

図 3 質問「基礎研究に役立つ内容か」への回答
Sectionsection

図 4 質問「卒業研究や将来役に立つ内容か」への回答

4.2 基礎研究に役立つ内容か

図 3 の結果について、(1) PBL 実習と連携した実験実習カリキュラムの実施

全体としては役立つ内容だ やや役に立つ内容 を含めて汎用プログラミング言語 python とそれと関連深いワ

6 割の学生が、本実験実習の内容について役に立ったと回ンボードコンピュータ Raspberry Pi の制御について実答した。特に Raspberry Pi を扱う実習の 5、6 回目が 1、

験実習を体験的に学ぶことを通じて、連携を意識した基2、3 回目よりも役にたつ内容だと回答した割合が多くな

礎研究での学生の情報分野の基礎能力の向上を目的とった。これは実験実習で Arduino や Raspberry Pi 等の現した、実験実習カリキュラムを作成し実施した。実験実

実のものを触ることで、基礎研究でも似たようなことを習内容は入門的ではあるが、学生が後に、PBL 実習をはするイメージアップにつながったからではないのかと考じめとするメカトロニクス領域のシステムを構築の際察する。また第 3 回目 GUI プログラムについて「役に立に実用的な知識と経験となった。

つ」の回答が少なかったのは、python での Tkinter の使(2) 合理的なシステム設計力の育成

い勝手が良くて、他の言語でウィンドウを生成するより例年、開発環境の構築に多くの時間がかかるなどの非もはるかに簡単にできるため、難易度を勘違いしている

効率的な開発や、強い環境依存のあるシステムや柔軟性ことや、コンピュータで何かパラメータを制御する場合のないプログラムを構築するなどして当初設定した目標には、プログラムコードを直接いじったりするよりも、を達成するために、教員の支援を必要とする場面が多かコントローラーソフトを作成したほうが使い勝手がいいった。しかし、今年度は、実験実習の学びで、全員の共のだが、そこまでシステムを学生が作ったことがなく、通言語としての python と Raspberry Pi を獲得している

わざわざ回りくどい手法を使っているなと学生が感じてため、合理的なシステム設計がなされているだけでなく、いるのではないのかと考えられる。自由記述に「画像認学生同士の議論も活発になり PBL 実習の意義がより達成

識によるオートなので操作画面は必要ない」という意見されている様子が観察されている。

も見受けられたので、コントローラーとしての GUI ソフ
トの必要性を次回以降、より強く訴えていく必要がある。

4.3 卒業研究や将来に役に立つ内容か(3) 学生のアンケート調査による実習の有効性の確認
実験実習後のアンケートの調査の結果からも多くの学卒業研究や生が実施した実験実習は基礎研究や将来的に役立つ、有将来役に立つ内容かという質問に対しては、最も低い第 3意義な実験実習だったと感じていることが確認できた。

回目の実験実習でも 8 割以上の学生が、将来的に活用で次年度以降の改善案としては、それぞれの実験がどのきそうと考えている(図 4)。回答にやや役に立たない、役ような関係性・位置づけに相当するのかをより説明するに立たない の回答はなかったので、学生自身も今後本実時間・機会を設けるよう調整を行いたい。

験実習で学習したことを活用する機会があると考えていることが言える。

参考文献

5. まとめ[1]dobot M1,https://techshare.co.jp/product/dobot/m1/[2] プ ロ グ ラ ミ ン グ 演 習 Python 2019 喜 多 一 ,

本稿では、メカトロニクスコースの 4 年で現状行われている PBL 実習である基礎研究との連携を意識した実験

http://hdl.handle.net/2433/245698

実習カリキュラムを設計・実施した結果の効果について[3]Google Colabolatory, https://colab.research.google.com/

報告した。得られた結果は以下のとおりである。

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