大分県立鶴崎工業高等学校

コンピュータ制御を活用した無人配送ロボットの製作と研究~配布物やスマホボックスの自動配送ロボットの開発~

学校・学年

高等学校
大分県立鶴崎工業高等学校

発表形式

レポート・論文

研究の概要

1.学校での課題の調査と先端技術による解決策を検討
2.研究目標の設定
3.製作

生徒のアウトプット

実践の背景
Society 5.0 の到来により、AI や IoT といった先 端技術で世の中はより豊かで便利になっていくこ とが予想される。私たちは、この Society 5.0 時代を生き抜いてい く世代として、先端技術と如何に共存していくか、 これまで電気科で学んだ基礎知識を応用して先端 技術との結び付けができないかなどを考えていく 中でこのテーマを設定した。 また、地域課題解決を視野にいれ SDGsの目標達 成に向けた取り組みを行うことにした。
調査・研究内容
研究過程

①学校での課題を調査

②先端技術による解決策を検討

③テーマ設定

④調査や実験による基礎知識・技術の習得

⑥製作・自動搬送ロボットの製作

⑦結果・考察
(完成品の検証・評価・今後の展望)


学校での課題の調査と先端技術による解決策 を検討

私たちは SDGs の8番「働きがいも経済成長も」 と 9 番「産業と技術革新の基盤を作ろう」に着目し、 目標実現のためにまずは身の回りの事から私たち ができることを考えた。
学校での課題を調べたところ「配布物を取りに行 くのが遅くて帰りが遅くなる」や「朝、先生たちが スマホをボックスに入れてもって職員室まで行く のが大変そう」など様々な課題が見つかった。
そこで、重い荷物を代わりに搬送するロボットが あれば負担が軽減し、今まで苦労していたことを解 決できるのではないかと考えた。
今よりももっと円滑に物事を進めることができ れば、ストレスなく仕事に取り組むことが可能にな ったり、勉強を集中できたり SDGs の目標の 8 番目 の目標にある「働きがいも経済成長も」と 9 番目の
「産業と技術革新の基盤を作ろう」の実現に結びつ くことができるのではないかと考えた。 図3-1 開発するロボットのイメージ


研究目標の設定

(1)基礎的な技術・技能の習得の目標 ・電子回路
・マイコン
・CAD 設計
それぞれの基礎技術・技能を習得する。
(2)実践的な技術・技能の習得
Arduino、 raspberry pi、 Julius を組み合 わせた音声認識システム構築による 実践的な 技術・技能の取得


調査や実験による基礎知識・技術の習得

(1)音声認識に最適なマイコンの検証
(2)自動走行についての研究
(3)3次元 CAD の技術習得


製作

(1)車体組立
①CAD で実習装置の図面製作
SOLIDWORKS を使用して配達ロボットを設計した。
②加工
加工では、モータ取付けベースの裁断、穴あけを行 った。
③組立
タイヤはメカナムホイールを使用したので、上から 見たとき X 字になるように向きや位置を考慮し取り付けた。
(2)音声認識について
①マイクから音声信号を受け取り、言語を julius ソフトウェアが認識する。
② 認識した julius のプログラムを Raspberry Pi 3 で受け取り、Raspberry Pi で出力する。
③ Raspberry Pi と USB でシリアル通信で接続し てある Arduino で受け取り、出力(ロボットの動作)をする。
ここでは、Raspberry Pi は、Arduino のハードウ ェアと、julius の信号を受け取り Arduino に信号 を流す役割となる。
Raspberry Pi で特定の言葉の音声を感知

Arduino にシリアル通信で信号を発信

電子回路の動作
(3)電子回路・配線・プログラムについて
① 電子回路・配線
モータ 4 個を制御するためのリレー回路とライ ンを認識する赤外線センサ2個を Arduino で制御 するための電子回路組立てと配線を行った。
② 自動運転プログラム(Arduino)
車体には赤外線センサが2つ搭載されており、例 えば左の赤外線センサが黒のライン上で反応したとき右モータが回転して左モータが停止されると いう仕組みになっています。逆側のセンサも同様の 仕組みとなっている。
結論
結果
(1)音声認識でロボットを操作できた。
(2)ライントレースで自動走行ができた。

課題
【課題1】
音声認識において誤作動が起きる。
例〉『前進』『左』などに比べて『右』等の比較的短 い音を騒音などで誤認識する。
【解決策1】
命令言語を長くすることで、短い音を拾わず誤作動 を防ぐ。
例〉右回転の命令を『右』から『右向け右』に変更 する。

【課題2】
raspberry pi からプログラムを実行する際に、モ ニターとキーボードなど周辺機器は必要。 【解決策2】
・OS が起動時にプログラムがスタートできるよう にスクリプトを作成する。
・小型の周辺機器をロボットに搭載する。

【課題3】
目的地まで搬送できるが、出発地へ戻ることが できない。
【解決策3】
後ろにセンサを追加し、バックでもライントレース ができるようにする。
今後の課題
今後の展望
・AI による画像認
・階段を上がるための機構
・人を運べるレベル車体
(保健室へ搬送)

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