昆虫のバグ

オープンソースソフトウエアを導入した
LEGO MindStorms NXT による専門教育の実践
石山俊彦†
†
中島
釧路工業高等専門学校
陽子†
情報工学科
LEGO MindStorms NXT に、C 言語、Java 言語ベースのオープンソースソフトウエアを組み込み、ロ
ボットを使用した演習、特別研究などの専門教育をおこなっている。開発環境に高級言語ベースのオー
プンソースソフトウエアを採用することで、標準開発環境である RoboLab では難しい細かなプログラム
記述が可能になった。また、高級言語を採用したことで、基本的な使用方法や標準的な言語仕様との違
いを説明するだけで、学生はロボット作製に取り組むことができた。
一方、オープンソースソフトウエアを利用することで、バージョン管理や情報の収集を継続的に続け
ていくことが今後の課題としてあげられる。
1. はじめに
LEGO MindStorms NXT（以下、 MindStorms）
[1]は、理科教育への興味喚起から工学の導入教
育に至るまで幅広く利用される優れた教材で
ある [2], [3]。MindStorms を利用することで、ラ
イントレースカー、マイクロマウス、さらには
多足歩行ロボットなど、様々なロボットを実現
することができる。
MindStorms を用いてロボットを作製する場
合、 ROBOLAB と呼ばれるグラフィックベース
の制御言語を用いて、センサやモータを制御す
る。 ROBOLAB は各命令がアイコンに対応して
いるので、アイコンを並べることでロボットを
コントロールすることができる。しかし、アイ
コン形式のプログラミングは簡単にプログラ
ムを作成できる反面、細かい制御がし難いとい
うことがあげられる。また、それまでの情報教
育で学んだ C 言語や Java 言語などのプログラ
ミング言語の知識が利用できない点も注意す
べきである。
MindStorms 向けに、 C 言語や Java 言語など
の高級言語ベースの開発環境は、開発元からは
サポートされていない。これらの言語を利用し
たいユーザは、オープンソースのソフトウエア
を利用することになる。しかし、オープンソー
スソフトウエアの利用はユーザの責任のもと
でおこなわれる。バグや未実装機能への対処な
どは、教員が対応を求められる。結果として、
オープンソースソフトウエアの導入は教員の
負担増が懸念される。
本稿では、MindStorms にオープンソースソフ
トウエアを導入することで、釧路工業高等専門
学校専攻科（以下、専攻科）において課題発見
型授業 (Project Based Learning： PBL、２年次に
実施 )や特別研究などの専門教育に適用した実
践例について報告し、オープンソース導入にと
もなう効果や課題について考察する。
2. ROBOLAB の特徴と課題
ROBOLABは、 MindStormsで作製したロボッ
トを動作させるためのグラフィカルなプログ
ラミングソフトウェアである（図１）。
ROBOLABでは、「右 (左 )モータを回す」、
「センサの値を読む」などの命令がアイコンと
して対応、各命令の実行回数（時間）なども指
定できる。 ROBOLABのウインド上にアイコンを
並べることで、プログラムを作成できる。作業
はグラフィカルな処理として行われ、初学者に
とっても抵抗が少ない [4]。
また、 ROBOLABには繰り返し処理や分岐処理
なども備わっている。ユーザは ROBOLABのアイ
コンの並べ替えと MindStormsでの実行を繰り
返すことで、プログラミングの基本も学習する
ことができる。
しかし、C言語や Java言語を学んだ学生には、
ROBOLABのアイコン形式のプログラミングは、
それまで学んだ知識を生かし難いと捉えられ
ている。指導する側にとっても、細かい操作を
おこなうなどは、プログラミング言語のほうが
指定し易いと感じられた。細かい作業を行うプ
ログラムでは規模が大きくなりがちであるが、
ROBOLAB は C言語や Java言語に比べ、規模の大
きなプログラムが書き難い。
以上のことから、 ROBOLABは初等教育や工学
の導入向けのプログラミングに適したプログ
ラミング環境であるが、MindStormsに複雑な動
作を行わせるためのプログラムを作成するこ
とは難しいと考える。
語に似た文法をもつプログラム言語である。演
算子や制御構造に関する命令も多く、プログラ
ムの作成や移植も容易である。また、モータ、
センサなど、MindStorms に搭載されている部品
に関する命令が追加されている [5]。
図２
図１
ROBOLAB によるプログラミング例
3. LEGO MindStorms NXT で使用できるオープ
ンソースソフトウエア
MindStorms では、C、Java、Forth などがフリ
ーの開発環境として提供されている。以下に、
代表的なオープンソースの開発言語について
述べる。
(1) C 言語
MindStorms における C 言語は、 BrickOS 、
NQC（ Not Quite C）などが NXT の前バージョ
ンである RCX の頃からサポートされていた。
MindStorms が RCX から NXT にバージョンアッ
プしてからは、 BrickOS が使われている。
BrickOS は Windows XP 上で動作し、スクリ
ーンエディタ、C コンパイラ、デバッガ、転送
ソフトが組み込まれた統合開発環境として提
供される (図２ )。
BrickOS 上の C コンパイラ (BrickCC)は、 C 言
統合開発環境「 BrickOS」
(2) Java 言語
MindStorms 用の Java 言語は、leJOS（ Java の
プログラミング環境）として提供されている。
leJOS は Java 仮想マシンを含み、標準的な Java
文法でのプログラミングや他機種からの移植
も容易である。また、センサやモータ関係の命
令は、 API(Application Programming Interface)と
して拡張されている [6]。
leJOS は、 Windows 上のエディタでソースコ
ードを作成、コマンド・プロンプト上でコンパ
イルを実行する。コンパイルが成功した後は、
PC と MindStorms を USB 接続し、コマンド・プ
ロンプト上でファイルを転送する。
4. オープンソースの導入と専門教育への展開
専攻科電子情報専攻の特別演習（ロボット製
作をテーマとした PBL 形式の演習授業）および
特別研究の題材として、MindStorms を使用した。
特別演習においては MindStorms に BrickOS
を実装した [7]。演習の対象となる学生は電気、
電子、情報各分野の出身であり、本科における
演習や卒業研究において C 言語を使用した経験
があり、 BrickOS の使い方や BrickCC と標準的
な C 言語の違いを説明するだけで、ロボット作
製に取り組むことができる。
一方、特別研究においては leJOS を使用した
[8]。特別研究のテーマとした「包摂アーキテク
チャ（ Subsumption Architecture） [9]」のサンプ
ルソースコードが Java で記述されていたこと
のほか、担当した学生が Java 言語を得意として
いたためである。
5. 結果と考察
5.1. オープンソースの導入と専門教育への展開
(1) BrickOS を利用した PBL 演習
図３に、学生達が特別演習において作製した
ロボットを示す。ロボットは、 MindStorms と
BrickOS により作製された。図に示したロボッ
トは、「フィールド内に設置された大小３個の
的の中にボールを入れ、得点を競う課題（玉入
れゲーム）」 [3]に対する学生の作例である。
図 (a) に示したロボットは超音波センサによ
り的を発見し、ボールを流し込むことを狙いと
した。的が発見できれば、的の傍から確実にボ
ールを流し込むことができる。図 (b)に示したロ
ボットは投てきをおこなうことで、ボールを的
に入れることを狙いとした。乱数でモータのパ
ワーを制御、ボールの飛距離をばらつかせれば、
的の発見や移動の可否に関係なく、ボールを的
に入れることができる。
図 (a)、(b)に示したロボットは同じテーマに対
する提案であるが、各学生チームの着眼点の違
いなどによって、異なるアプローチのロボット
が提案された。各チームのアイデアを具体化す
る上で、 BrickCC はセンサからの読み取り値に
より割り込み操作や、条件判断をからめた複雑
な動きなど、細かな記述に対しても対応するこ
とができた。 BrickOS を利用することで、学生
たちの中からはプログラムの書き難さに関す
る不満は聞かれなかった。以上の点から、各チ
ームのアイデアを具体化するのに、MindStorms
と BrickOS の組み合わせは実用になったと評価
することができる。
(2) leJOS を利用した特別研究
特別研究では、包摂アーキテクチャをベース
とした「昆虫の餌あつめシミュレーション」[10]
を実機ベースでおこなった。図４に、餌（荷物）
を運ぶロボットを示す。作例のロボットは、フ
ィールド内をうろつきながら、荷物を探す。荷
物を見つけると、壁際まで運ぶ。この動作を、
全ての荷物が壁際に運ばれるまで続ける。
昆虫の動作をシミュレーションするために
包摂アーキテクチャを採用する必要があり、プ
ログラム言語として Java を採用した。もともと、
Java 言語は移植性が高い言語である。開発環境
として leJOS を用いることで、サンプルとして
提供されたソースコードを MindStorms に移植、
実機の仕様にあわせて改造するなどの作業を
容易に進めることができた。
(a) 発見した的にボールを流し込む
図３
(b) 投てき法で的を狙う
PBL 演習で作製した玉入れロボット
図４
包摂アーキテクチャ搭載荷物運びロボット
5.2. 考察
我々は、MindStormsを用いた特別演習を、３
年間にわたり行ってきた。開発環境として、初
年度は ROBOLABを、２年目以降は BrickOSを使
用した。受講した学生の感想として、 MindStorms の使用は好評であったが、初年度は
ROBOLABについての不満がみられた。理由と
して、細かい制御がし難い、使い慣れた高級言
語を使用したい、課題の内容が高度になるにし
たがいプログラムは複雑かつ大規模になるが、
ROBOLABではプログラムの書き難さが感じら
れるとの意見であった。
２年目以降に BrickOSを使用することで、ソ
フトウエアの開発環境に対する不満は聞かれ
なくなった。各ロボットにおいても ROBOLAB
では難しい細かな操作が可能になった。また、
作例のロボットをみても、作製者の意図は表現
されていることが確認できた。学生は、 C言語
を利用できることで、それまで学んだ知識をベ
ースに、ロボット工学などの高いレベルの知識
を積み上げた演習活動をおこなうことができ
た [7]。こうしたことから、 BrickOSを使用する
ことで開発環境は改善されたと考える。
leJOS はベースが Java 仮想マシンを含む Java
言語であることから、学生は違和感無くプログ
ラミングに取り組むことができた。MindStorms
が前バージョン (RCX)の頃からサポートされて
いたため、日本語による情報が入手し易いこと
も使い勝手を良くしている。
指導する側にとって、 BrickOSと leJOSのいず
れを採用してもかまわないと考える。学生がい
ずれの言語に習熟しているかで、選択すればよ
い。 BrickOSの方が統合開発環境であることか
ら、ユーザインタフェースが統一されており、
指導上の都合は良い。
一方、オープンソースソフトウエアを利用す
ることで、ソフトウエア環境の整備や情報の収
集ということが課題としてあげられる。オープ
ンソースソフトウエアは、ユーザの責任の下で
使用される。オープンソースソフトウエアとフ
ァームウエアとの不適合、バグの発見、ハード
ウエア機能の未対応などの問題は、ユーザの責
任で解決されなくてはならない。使用している
ソフトウエアの開発中止やダウンロードサイ
トの閉鎖などの問題も起こり得る問題である。
オープンソースソフトウエアを安定して使
用するためには、使用するバージョンを統一し、
頻繁なバージョンアップを避けるなどの管理
が必要となる。また、オープンソースソフトウ
エアの開発動向やバージョンアップにともな
う仕様変更や対応など、情報の収集を欠かさな
いことも必要なことである。こうした努力を継
続することで、オープンソースソフトウエアを
演習や研究の中に取り込むことができる。こう
した活動を、無理なく継続することが今後の課
題である
6. まとめ
LEGO MindStorms NXT に C 言語、 Java 言語
ベースのオープンソースソフトウエアの開発
環境を組み込むことで、 ROBOLAB では難しい
細かな操作や規模の大きなプログラミングが
可能になった。また、 C 言語、 Java 言語を利用
できることで、基本的な注意点を説明するだけ
で、学生はロボット作製に取り組むことができ
た。その結果、それまで学んだ知識をベースに、
ロボット工学などの高いレベルの知識を積み
上げた研究教育活動につなげることができた。
オープンソースソフトウエアを利用するこ
とで、バージョン管理や開発環境などソフトウ
エア環境の整備や情報の収集を継続的な活動
とし続けていくことが、今後の課題としてあげ
られる。
参
考
文
献
[1] http://www.legoeducation.jp/mindstorms/
[2] 川上誠 , “小・中学生を対象としたロボット教室へ
の取り組み ”, 沼津工業高等専門学校研究報告 , 40,
pp. 179-186, 2006.
[3] 早川栄一他 , “ 拓殖大学工学部情報工学科におけ
る LEGO MindStorms を用いた創造性教育 ”, 人工
知能学会誌 , 21- 5, pp. 522-531, 2006.
[4] Eric Wang, レゴブロックと ROBOLAB で学ぶエンジ
ニアリングアプローチ , (カットシステム ,東京 ,2006).
[5] 大庭慎一郎 , “LEGO MINDSTORMS NXT であそ
ぼう！ ”,ソフトウェアデザイン , no. 3, pp. REF-1 –
REF-16, March 2007.
[6] Bagnall, “マインドストーム・プログラミング入
門 ”, (CQ 出版 , 東京 , 2004).
[7] 石山俊彦 ,中島陽子 ,神谷明基 , “釧路高専専攻科に
おける競争試作方式を適用した PBL 型演習の実
践例 ”，工学教育， 56-5， pp. 11-16， 2008.
[8] 渡辺雄貴 ,石山俊彦 , “包摂アーキテクチャを搭載
したロボット群による協調行動 ”，平成 20 年度
電気・情報関係学会北海道支部連合大会，講演番
号 -206 (CD-ROM)， 2008.
[9] R. A. Brooks, “A robust layered control system for a
mobile robot”, IEEE J. Robotics and Automation,
RA-2, pp. 14-23, 1986.
[10] 三浦宏文，“ 昆虫規範型ロボットと群知能 ”，計
測と制御 vol.31 No.11， pp. 1180-1184, 1992.

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