中学校における二足歩行ロボットの製作実践

中学校における二足歩行ロボットの製作実践

著者 松永 泰弘, 渡邊 竜児

雑誌名 技を媒介とした学びに熱中する子どもの育成プログ

ラム ; 2010

ページ 27‑34

発行年 2010‑03‑31

出版者 静岡大学教育学部

URL http://hdl.handle.net/10297/7177

中学校 における二足歩行 ロボ ッ トの製作実践

技 術 教 育 講 座

 

松 永 泰 弘

 

渡 邊 竜 児

1.は

じめ に

近年、HONDAの ASIMOに 代表 され る三足歩行 ロボッ トの研究開発が進められているなかで、

サ ッカーや格闘技な ど、数多 くの二足歩行 ロボ ッ トによる大会が開催 され、二足歩行 ロボ ッ トヘの関心が高まっている。また、平成24年か ら完全実施 され る新学習指導要領 中学校 技術 においては、ものづ くりな どの実践的・体験的な学習活動 を通 して、材料 と加工、エ ネル ギー変換、情報な どに関す る基礎的・基本的な知識及び技術 を習得す るとともに、技 術 と社会や環境 とのかかわ りについて理解 を深 め、技術 を適切 に評価 し活用す る能力 と態 度を育てる事が 目標 とされている。

本実践では、材料 と加工、情報の内容 を学ぶ ことが可能な二足歩行 ロボ ッ トの製作を静 岡市立清水第五中学校で実践 し、実践中の記録、アンケー ト結果か ら考察を行い、教材 と

しての可能性 を探 る。また、理数系教員指導力向上研修において技術科教員を対象 とした 実践を行い、教員か らの意見を検討 し、考察を行 う。 さらに、教材 を開発 し、実践に TAと

して参加す る学生の教材開発能力、教育力、観察力の育成につなげる。

2.サ

ー ボ モ ー タ を用 いた 二 足 歩 行 ロボ ッ ト

サーボモータを用い、プログラム制御す る二足歩行模型 を製作す る。製作に必要なサー ボモー タ、基盤、電池パ ックは、共立電子産業株式会社か ら販売 されている 「プチ ロボ」

(14,800円

)を

使用す る。

限 られた時間内で製作でき、制御が容易な教材 にす るため、歩行の際の軸 となるサーボ モータの数を減 らした

4軸

二足歩行 ロボ ッ トを製作す る ^{(図 1,2)。}

2.1 4軸

二足歩行 ロボッ トの製作

[材料

]ア

ル ミ板、サーボモータ (4個^)、 CPU基盤、電池ボ ックス、両面テープ、ハ ドメ

[工具・工作機械

]き

^り (罫書きに使用^)、 弓のこ、金エヤス リ、

 

ドライバー、ラジオペ ン チ、ボール盤、折 り曲げ機

[製作手順

](図

³⁾

① アル ミ板への罫書き、面取 り

② ボール盤 を使って穴あけ

③ 弓のこを使いアル ミ板切断

④ 折 り曲げ機でアル ミ板 を曲げる

⑤ サーボモータの取 り付け、組み立て

⑥ 基盤 と電池BOXの取 り付け

図2 4軸二足歩行 ロボ ツ ト^(JW―CAD) 図1 4軸二足歩行 ロボ ッ ト

腰部 の組 み立て アルミ板の加工①

ロボットパーツの罫書き

脚部の組み立て①

I欅

巫

軋 鳳 _11ア

・

_ハドメ3mm

全 体 の 組 み 立 て く完成図〉

缶疑

図3 4軸二足歩行ロボッ トの製作 (PowerPOint)

2.2 

歩行 プ ログ ラム

歩行制御 はWeb上でダ ウンロー ドできるフ リーの ソフ ト (共立電子 産 業株 式会社

)を

使用す る。以下にその手順 を示す (図 ^4)。

・

 

サーボモー タに一番負担 のかか らないホームポジシ ョンを設定す る。

・ サーボ コン トロールバー を操作 して、モー タを動か し模型 のモーシ ョンを決 める。

・ キャプチャボタンを押 し、モーシ ョンスク リプ トボー ドにプログラムを書 く。

歩行プログラム

① 足首部分のサーボモータを動かし、足をあげる。

② ^]要部の^2つのモータを動かし、軸足を前に出すと共に、

出した足の向きを進 行方 向に向ける。

③上げた足を下ろす。

④逆の足でも同様な動きを繰り返す。

図

4 

歩行制御 プログラ ミング (POWerPoint)

3.理

数 系 教 員 指 導 力 向 上 研 修

(JST)で

の 実 践

理数系教員指導力 向上研修 (」

ST)に

は中学校技術科教員

13名

が参加 し、二足歩行 ロボ ッ トの歩行 プ ログラム を作成 しなが ら、歩行動作 を確 かめた。 終了後 のア ンケー トか ら中 学校技術教材 としての有効性 について考察 を行 つた。

[同 時

]平

成21年 8月 13日 13:00〜 14:00 [場所

]函

南町立函南 中学校

[対象

]中

学校技術科教員

 13名

アルミ板の加工②

穴 あけ、切 断 、折 り曲 げ

く作業工程>

ボール盤での穴あけ 尋

弓鋸 での切断

尋

折 り曲げ機での曲げ

」ギ 11  '3日

■二‖

_{腰部     足の裏  脚部■} ^e

×2個   X2個

脚部の組み立て②

理数系教 員指導 力向 図 5

3‑1 

ア ンケー ト結果

実習後 に実施 したア ンケー ト項 目と回答 の内容 を以下に示す。

問

1.三

足歩行型 ロボ ッ トの歩行 プ ログラ ミングで難 しかった点

プ ログラ ミング ソフ ト自体 の使 い に くさを指摘 した意見が全体的に多かった。動 かす部 位 (モー タ

)の

名称 が画面上では番号 ^(NO。

1な

ど

)で

表示 され ていてわか りに くい とい う

ものだ。 しか しそれ は部位 の名前 を入力 で きる ところがあるので、それ を使 えば解決 で き る。他 に、少 ない問接 で動 か さなけれ ばな らない点 とい う意見 もあつた。動 かす 関節 が多 いほ ど歩行 が難 しくな り、プ ログラ ミングも難 しくなるため、工夫が必要である。

問

2.中

学校技術教材 としての評価・難易度

問

2‑1 

教材 としての評価 を「

1非

常に良い

2良

い

3ど

ち らともいえない

4悪

い

5非

常 に悪い」の

5項

目か らひ とつ選択

ア ンケー ト結果 を図

6に

_示す。13人中10人が

1非

常に良い、

2良

いを選択 し、

4悪

い、

5非

常に悪いの選択 はなかつた。 プ ログラム作成 と動作確認 の作業だ ったが、評価 は良い ものだった とい える。今 回の実習で明 らか となった問題 点 を改善すれ ば よ り良い ものにな ることがわか る。

問

2‑2 

教材 の難易度 を 「

1難

しす ぎる

2難

しい 3ちょ うどよい

4簡

単

5簡

単す ぎる」

の

5項

目か らひ とつ選択

アンケー ト結果 を図7に示す。 13人 中 10人 が

1難

しす ぎる、

2難

しいを選択 し、

3人

が 3ち ょ うどよい を選択 した。 中学生 に も十分理解 し、実際 に歩かせ ることができる内容 と 考 えるが、 この結果 をみ る とプ ログラムを難 しい と感 じてい ることが よくわか る。少 ない 時間のせ いで、説 明が雑 だつたのが難 しく感 じられ た原 因ではないか。 また、教員 に ロボ

ッ ト制御 の経験がなかつたため と思われ る。

中学校 技術教材 としての評価 中学校技術教材としての難 易度

￨

図

6 

中学校技術教材 と しての評価 図

7 

中学校技術教材 と しての評価

問^3。 「技術 とものづ く り」「情報 とコンピュー タ」の両分野 を学習できる二足歩行 ロボ ッ ト製作教材 に対す る意見

輛 く

上研修 (JST)実践風景

1非常 に良 い 2良い

3どち らともいえない 4悪い

5非常 に悪 い

1難しす ぎる 2難しい 3ちょうどよい 4簡単 5簡単す ぎる

ヨ

日

予算 の問題 が多 く指摘 され た。 プ ログ ラ ミング も決 め られ た動 きだ けでな く、判 断 した り処理 した りの動作が あれ ば もつ と面 白い とい う意見 もあつた。 また、 ロボ ッ トとい ぅ点 で、生徒 の興味 を引きやすいのではないか とい う意見が多 くみ られた。

問

4̲今

_{回の実習 の感想}

面 白か つた とい う意見 が多かつた。 時間的 に厳 しかつたので もつ と長 い時間が ほ しかっ たな ど、好感触 の意見ばか りだつた。

32 

考察

少 ない時間の中で、プ ログ ラム ソフ トの操作説 明 を短 く して しま った こ とで、現役 の中 学校 技術教員 で も理解 が難 しい実践 となって しま った。 これ を改善す るためには、あ らか じめに手本 となるプ ログラムの作成・配布、説 明書の作成 が必要であることが分かつた。

また、プ ログラムの作成 時 間は、本体 の製作手順 の簡 略化 をす るこ とで、多 く取れ るので 問題 はない と思われ る。

多 くの先生方 の意見 にあった、教材 の価格 の問題 は、サーボモー タ 自体 の価格 が高いた め、改善は難 しい。

また、プ ログ ラムで判 断や 、繰 り返 しな どの命令ができた らよ り発展的な授業が望 める ので は とい う意見 もあった。ハー ド・ ソフ ト両面での改良 。開発 が必要 とされ る。

4 

静 岡 市 立 清 水 第 五 中 学 校 で の 実 践 概 要

中学校技術 にお ける

4軸

二足歩行 ロボ ッ ト製作実践の概要を以下に示す。

[実践校

]静

岡市立清水第五 中学校

[日

 

^時

]平

成

21年

9月 10日 か ら平成

22年

1月 21日 _(計 14時間⁾ [学

 

年

]3年

^生

 

^{男子 26名}

[授

 

^業

]選

択技術

2人 1組

で班 を作 り、各班 ロボ ッ ト

1体

を製作す る。ロボ ッ トはJSTでの実践 と同様 に脚 部 だけの歩行 に特化 した

4軸

二足歩行 ロボ ッ トを基本形 として製作す る。生徒 は

1,2年

_次 において金属加 工の経験 はないた め、アル ミ板の加工、工作機械 (ボール盤 、折 り曲げ機)

お よび 弓の この使用 は初 めてであ る。 ア ンケー トお よび生徒 の様子 。発言 を記録 し、考察 す る。

41 

授業実践

製作 はマニ ュアル を提示 し、説 明を加 えなが ら、計

14時

間の製作実践 を行 つた。計 14 回の選択技術 にお ける半期授業計画 を以下に示す。

弟 1回

(9/10) 

導入 弟

2回 (10/1)罫

書 き

弟

3回 (10/8) 

ボール盤 での穴 あけ 第

4回 (10/14)弓

鋸 を使 いアル ミ板 の切 断

第

5回 (10/29)折

り曲げ機を使 いアル ミ板 の折 り曲げ 第

6回 (11/5) 

基盤 と電池 ボ ックスの取 り付 け

第

7回 (11/12)復

習テス ト (こ こで進度 の遅 い生徒 もロボ ッ トの製作が終 わる)

第

8回 (11/13)ロ

ボ ッ トの改良 第

9回 (12/1) 

ロボ ッ トの改良 第 10回

(12/8)プ

ログラ ミングの導入

第 11回 (12/18)プログラミング とロボ ッ トの改良 第 12回

(1/7) 

プ ログラ ミングとロボ ッ トの改良 第 13回

(1/14)プ

ログラ ミング とロボ ッ トの改良 第 14回

(1/21)発

表・復習テ ス ト

授業 の詳細 を以下 に示す。

【第1回】

研究室紹介、受動歩行の説明、二足歩行 ロボッ トの説明などをパ ソコン室で行つた。^ASIMKl の動画を見せた ときの生徒の反応は良 く、興味を持つているようだつた。 しか し、製作す る二足歩行 ロボ ッ トには反応は良 くはな く、む しろかっこ悪いなどの意見 も見 られた。説 明の後は、ASIl10や受動歩行についての調べ学習 とした。

【第^2〜

6回

】

金工室で作業を行 つた。

罫書きは、削 り代を ^lnlnと ることを忘れて しま う生徒も多 く、事前にちゃん と説明す る 必要があつた。差 し金 を使用 したが、直角 を出すのが難 しいよ うで、線が斜 めになって し ま う生徒 もいた。

ボール盤は作業の前に、その危険性 をしつか り教えたため、多 くの生徒が緊張感 を持っ て丁寧に行っていた。ボール盤の後は、バ リ取 りを行 つた。 この作業は多 くの生徒が丁寧 に行つていた。

弓鋸は手の力だけで押 さず、腰 を使 って押す よ うに指導 した。切断面は生徒 によつてば らつきがあった。アル ミ板の厚 さが

lmmと

薄いため、手の力のみでも切れ るが、その切断 面は汚 くなる。そのような生徒には見本を見せて指導 した。

折 り曲げ機は

2台

しか用意 しなかつたため、順番待ちで何 もす ることがない生徒が多 く 出て しまったため、

4台

に増や した。生徒間での進度のば らつきが大きく、遅い生徒はまだ 弓鋸の作業の途中であったため、援助 しなが ら進度の差を埋めていつた。

組み立ては、設計図に間違いがあ り、生徒 を混乱 させて しまった。黒板で間違いを訂正 しなが らの作業 となつた。基盤 を取 り付 ける際に、配線の向きをしっか り指導 しなかつた ため、逆に配線 して しま う生徒が多 く、そのことがロボッ トを実際に動か してみた ときに 動かないことの原因となった。

【第

7回

_】

生徒間での進度のばらつ きをなくすために、組み立ての終わった生徒か ら復習テス トを 行つた。授業で使用 した工具の名前や、作業中の注意点などを問 う内容である。 この 日で すべての生徒が組み立てまで終わ り、テス トが終わ らなかつた生徒は宿題 とした。

【第^8〜

9回

_】

生徒はロボ ッ トの改良を行つた。見た 目のみの改良だけでなく、サーボモータの数 を増 や して、腕な どをつける生徒 もいた。ただ、 自由に改良とい うことで、なにも出来ずに悩 んで しまっている生徒 もいたのでこちらか らアイデアを出 して、腕 をつけさせた。

【第 10回 】

この 日か らパ ソコン室に移動 して作業 した。

プログラミングの導入を行った。プログラムソフ トの使い方や保存の仕方な どを説明 し た。実際に動か してみて、サーボモータの仕組みな どの説明もしたが、 ロボ ッ トが動かな い生徒 も多かった。配線 ミスで動かない生徒はす ぐ直つたが、す ぐには故障の原因が分か らない生徒 もいて、その生徒は他の組に交 じつての作業 となつた。プログラムソフ トの使 い方の説明は、丁寧に、ゆつくり確認を生徒にとりなが ら行った。

【第^11〜13回 】

金工室で改良をす る生徒 と、パ ソコン室でプログラミングをする生徒に分かれて作業を 行った。

ロボ ッ トが動かなくなるとい う生徒が多 く、プログラミングができないので、組を分け³ 人

1組

にしてプログラミングをや らせ るなど、思つたように授業が進まなかつた。故障 し たロボ ッ トは、電池を増やすな どの処置で動 くようになった。また、サーボモータが壊れ て しまった生徒 もいたので、モータを取 り替えた。

プログラミングでは、腕 を動か しなが らの歩行や、起き上がることか ら始まるものな ど 個性的なプログラムを作 る生徒 もいた。

【第

14回

_】

発 表 は、各 班 が ロボ ッ きな が ら生徒 が評 価 した。

作 品 は評価 が高 か つた。

卜の特徴 、工夫 した点 を発表 し、

や は りただ歩 くだ けではな く、

歩行 動 画 を提 示 した。 発 表 を聞 面 白い歩行 プ ログ ラム を作 つた

図

8 

ボール盤による穴あけ

図11 金エヤス リによる表面仕上 げ

 

図12 アル ミ板の折 り曲げ 図13 プログラミング

4‑2 

ア ンケー ト

授 業後 に行 つたア ンケー ト項 目と回答 を以下に示す。

【9月 10日 】

問

1.ASIMOを

見ての感想

「常に足が曲がっていた」「背 中にバ ッテ リーを乗せていて背 中が思いか ら膝 を屈伸 させて い るのかな と思 った。(重心 を安定 させ るため)」 「走 る時に常に膝 の部分が曲がっていた」

「転 ばない よ うに重心の とりかたを している」

問

2.三

足歩行 ロボ ッ トの第一印象

「

ASIMOに

比べた らダサい し動 きが鈍 い」「た くさんの コー ドを使 つていて操作が難 しそ う だつた」「

4つ

のモー タだけで二足歩行 ロボ ッ トは作れ るんだ と思 つた」「ち ょっ とぎこち ない動 きだけ ど、動いてい る とこがお も しろ くて早 く作つてみたい と思 った」

問^3。 これ までの授業で身 につ けた こと

「の こぎ りな どの使い方」「パ ソコン」「紙やす り」「電気 ドリルの使い方 (ボール盤 か?)」

「プ レゼ ンテーシ ョン」「かんな」

問4。 三足歩行 ロボ ッ トを ど う改良 したいか

「できるだけ中のコー ドや電池が見えないよ うに改良 したい」「腕 な どをつけて、できるだ け普通の ロボ ッ トに近づ けたい」「頭や腕 をつ けてみたい」「速 く走 らせ たい」

問^5。 ASIMOを 調べてみてわかつた こと

「重力やゼ ロモーメン トポイ ン ト (重力だ けでな く1貫性力 を加 えた合力が路面 と交わる点)

を制御 して 自由に歩 くことができる」

【10月 1日 】

問^1。 今回の授業で気づいた ことや身 につ けた こと

「ドリル を使 つてみて、穴をあけるのはあま り難 しくなかつた。で も ドリル は危険だ とも 思 った。」「アル ミ板 に掛書 きす る ときに、

 1ミ

リあけた りして大変 だった。」「真剣 にや ら ない と危 ない とい うことがわかつた。」「ロボ ッ トの設計 図 を描 くだ けで こんなに時間がか

図

9 

ドリルを使用 した面取 り 図10 _{弓の こによる切断}

亀

― ‐_1た 1警「

︱

︱

︐  ら 一″

Ｅ Ｆ ＥＦ ぶり

かつて大変だ とい うことを実感 しま した。」「ミリ単位 で線 を引 くのが難 しかった。」

問

2 

今 回の授業前か らロボ ッ トに関心があつたか YESl 1 9メ 、

   NO: 7メ

、

問

21 YESと

答 えた人 は どんな所 に関心が あったか

「プ ログラムす ることをやつてみたかつた^J「自分で動 くとい うところがす ごい と思ったか ら」「ロボ ッ トが人 間に似 た動 きをす る とい うところ」「小 さな部 品で精密 な動 きがで きる とい うところ」「人工知能 をのせ た ロボ ッ トな どをす ごい と思つていた^J

間

3 

今 回の授業の 自己評価 良かった点

「作業に集 中できた」「二人で協力 してできた こと」「設計図通 りに掛書 くことができた」「ド リルで正確 に穴 をあけ られた こと」

悪かつた点

「まつす ぐに線 が引けな く、て こず つた こと」「作業 を友達 に任せす ぎた」「アル ミ板 に設 計 図に書 き写す のに時間がかか りす ぎた」「掛書 くス ピー ドが遅 かつた」

【10月 8日 】

問

1 

罫書 き とポ ンチ を使 うときに難 しかつた こ とは何 です か

「罫書 きの

lmmの

間をあけるのが大変だった」「ポ ンチは強 くロロくとへ こみす ぎる し、弱 く叩 くとへ こまないので調節 が難 しかつた」「曲が らない線 を描 くのが難 しかった」

問

2 

ボール盤 の使用 で注意 しない とい けない ところを書いて くだ さい

「穴 をあけるものの下に板 を置 く」「二人でや らない」「しつか りと押 さえなが ら行 わない とずれ て しま うJ「アル ミ板 に ドリル をつ けたまま回 さない こと」

問

3 

弓鋸 を うま く使 うコツを書いてみ よ う

「押す時に強 く押す」「ゆつ くりや る」「万力で しつか りお さえる」「万力の上のほ うを削る よ うに して、押す 時に腰 の力 を使 つて切 る と曲が らないでまっす ぐ切れ る^J

間

4 

工具 の使 い方 は上達 しま したか

?「

4と て も上達 した

 3上

達 した

 2あ

ま り上達 しなかつた

 1変

わ らない」 の

4項

目か らひ とつ選択 して くだ さい。

ボール盤

14 12 10

縣 8

く 6

4 2 0

■

■

■ ■

弓の こ

14 12 10

轟 8 く 。

4

2 0

図14 工具の使い方は?(4と ても上達した^3上達した^2あまり上達しなかつた^1変わらない⁾

問

5 

今 日の授業での 自分 を評価 してみ よ う 良か つた点

「いろいろな道具が使 えるよ うになつた」「ボール盤 をや るのが うま くいった」「バ リ取 り が うま くいった」「友達 と協力 してや つた」

悪 かった点

「弓鋸で切 つた時仕上が りが雑だつた」「ボール盤 で平 らではない ところでやつて しまった こ と」

3.2 

生徒作品

4軸

二足歩行模型製作後の改良に十分 な時間 を確保 したために、鳥型 ロボ ッ トや腕 を取 り 付 けた ロボ ッ トな ど個性 的 な模型 が製作 され 、プ ログラムを工夫 し、動 き も個性 的な模型

となった (図 15)。

図15 生徒作品

3.3 

考察

弓の こによるアル ミの切 断 において、最初 は切 断面が汚 く腕 の力 のみで弓の こを使用 し ていた生徒 も、改良の際 にアル ミ板 を切 り出 していた ときには切 断面が滑 らかにな り、技 術 の向上が見 られた。 図

10に

見 られ るよ うに右手 を体 につ けた状態で作業 を行 つていた。

また、完成後 の歩行 プ ログラム作成 の段階で、思 い通 りの動 きを させ るためには正確 につ くることが とて も大切 であることを学んでい ることがわか る。

製作前 に行 つたア ンケー トでは 「かつ こ悪 い」「ダサい」「しょばい」 な どの否 定的な意 見が多かったが、

ロボ ッ トに対 してあま り良い印象 を持 つていない所か ら始 まった実践であったが、 自分 で作 ることに楽 しさを感 じ始 め、製作意欲 が増 し、完成 時 には 「かつ こいい」 な どの肯定 的な意見 に変わ った。結果 として、腕 を新 たに取 り付 け、可動 出来 る箇所 を増やす事 で新 たな動 きが出来 るよ うに工夫 を した り、数種類 の歩行 プ ログラムを作成す るな ど、プ ログ ラムを工夫す る生徒 、 ロボ ッ トの本体 を工夫す る生徒 が現れ た。脚 だ けの ロボ ッ トだ った ことか ら、生徒 の創意工夫す る意欲 を引き出 した と考 え られ る。

操作 が簡単 なプ ログラム ソフ トを使用 した こ とで、簡単 に歩行 プ ログラムを作 るこ とが でき、サーボモー タの数 を増やす ことで難易度 も増 し、能力 に差 のある生徒 に対応 が可能 である とい える。 また、製作 の中で二足歩行 にお ける重心位 置 の制御 が難 しい ことを実感 し、ASIMOに 代表 され る二足歩行 ロボ ッ トにセ ンサーが使 われ 、プ ログラムの重要性 を学ん でい ることがわか る。

5。 ま とめ

生徒 の 「ものづ く り」 の力、及び、工夫・創 造す る実践的 な力 を、二足歩行 ロボ ッ トと い う先端科学 なテーマ を扱 いなが ら高 めることが出来 る

4軸

二足歩行 ロボ ッ ト教材 を用 い て、理数系教員指導力 向上研修 ^(」ST)、 清水市立清水第五 中学校 で実践 を行 つた。本 実践 で製作 した

4軸

二足歩行 ロボ ッ トは限 られた授業時間内で製作 を行 う事が可能であ り、プ ログラム作成 に関 して も、短 いプ ログラムで簡単 に制御 が可能 な教材 として有効性 を示 し た。 また、制作 の簡略化 な どによ り、技術 に対 して苦手意識 のある女子生徒 に も対応 でき る可能性 も感 じた。清水市立清水第五 中学校 での実践 を通 じて、楽 しみ なが ら情報及び、

材料 と加工の分野 を学習す ることが可能 なで ることを提示 した。

製作 にあた つて、基盤や電池 ボ ックス、両面テープ、サーボモー タは 自由度 の高い製作 が行 えるロボ ッ トエ作 キ ッ トである 「プチ ロボ」 を使用 した。

最後 に、本実践 の一部 は科学研究費補助金 (21500869)の 助成 を受 けた ものである。

辟

二