1 簡介
Lego Mindstorms(樂高機器人)是集合了可編程主機、電動馬達(dá)、傳感器、Lego Technic部分(齒輪、輪軸、橫梁、插銷)的統(tǒng)稱。Mindstorms起源于益智玩具中可編程傳感器模具(programmable sensor blocks)。第一個Lego Mindstorms的零售版本在1998年上市,當(dāng)時叫做Robotics Invention System (RIS)。最近的版本是2013年上市的Lego Mindstorms EV3。
許多語言都能對Mindstorms進(jìn)行編程,Computer Clubhouses是專注于Mindstorms編程的網(wǎng)站。LEGO MINDSTORMS Robotics Invention System(以下稱為樂高機器人套件),是針對12歲以上的小孩或大人,對機器人有興趣(或者啟發(fā)自動控制教育)的教育玩具。這項產(chǎn)品計劃始于1986,由丹麥樂高公司和美國麻省理工學(xué)院的媒體實驗室(Media Lab)進(jìn)行的一項「可程式積木(Programmable Brick)」的合作案。
2 資料
樂高機器人套件的核心是一個稱為RCX或NXT或EV3的可程序化積木。RCX具有六個輸出輸入口:三個用來連接感應(yīng)器等輸入設(shè)備,另外三個用于連結(jié)馬達(dá)等輸出設(shè)備,NXT比RCX多一個輸入 端口。樂高機器人套件最吸引人之處,就像傳統(tǒng)的樂高積木一樣,玩家可以自由發(fā)揮創(chuàng)意,拼湊各種模型,而且可以讓它真的動起來。
RCX分為1.0(1998年的第一代)、1.5(1999年的小改版)和2.0(從2001年至今的最后改版)等三個版本。1.0和1.5的差別在于1.0版可以外接電源供應(yīng)器,連接市電(通過變壓器實現(xiàn))供電,而1.5版之后只能用電池供電。2.0的差別則是連接電腦的紅外線設(shè)備改用USB,以往則是采用串行端口,最重大的區(qū)別則是2.0版的固件(firmware)和程序開發(fā)工具提供了一些新的功能。RCX的固件最主要的用途是把bytecode程序轉(zhuǎn)換成處理器所能理解的機器碼。還好RCX的固件就像電腦的 BIOS一樣,都是可以更換的,所以不同版本之間的差異其實不大。RCX的固件存放在SRAM(靜態(tài)可存取記憶體)中,所以實際上,RCX斷電幾秒鐘之后,固件就消失了。電腦會在傳送程序時,一并傳送固件給RCX。
如果用傳統(tǒng)的方式學(xué)習(xí)制作機器人,我們得先學(xué)習(xí)電腦基本概論,接著要了解電子電路、數(shù)位邏輯和微處理器,才能制作出基本的微電腦控制電路。然后還要學(xué)習(xí)匯編語言(Assembly)或C語言,撰寫微處理器的程序…對了,也許最麻煩的是機械結(jié)構(gòu),我們得決定要用步進(jìn)馬達(dá)還是一般的直流馬達(dá),不同的驅(qū)動形式,信號的驅(qū)動和回饋處理方式也不一樣;而且即便是采用最單純的輪胎或履帶作為行走方式,也可能要搭配各種齒輪來調(diào)配扭力和速度。想到要學(xué)習(xí)、DIY這么多東西,很多對自制機器人懷抱憧憬的業(yè)余玩家,滿腔熱血到此就涼了大半截。
樂高機器人組合里面,包含RCX、兩個馬達(dá)、兩個觸控感測器和一個紅外線感測器,各種大小的輪胎和履帶,以及數(shù)種規(guī)格的齒輪和滑輪,當(dāng)然還有各種積木,幫我們解決了電子電路和機械結(jié)構(gòu)的問題。剩下的「撰寫程序」部分,樂高公司(或者說MIT研究人員)也替它開發(fā)了一套視覺化程序編輯工具,叫做RCX Code。就像堆積木一樣,RCX Code的使用者只要把各種代表不同程序邏輯的「積木」在屏幕上堆起來,就能完成RCX的程序。程序撰寫完畢后,通過過套件提供的紅外線裝置,即可把程序傳入RCX。真的很酷!
不過每個人對「酷」的定義不同。樂高提供的視覺化程序工具很適合新手或者對程序不熟悉的玩家,有些人覺得用這種接口還寫程序反而礙手礙腳。例如,使用RCX Code所「寫」出來的復(fù)雜程序,執(zhí)行效率也許不佳,而且「視覺化」程序碼也可能不易讀,也不容易維護(hù)。因此,許多樂高機器人的愛好者兼程序設(shè)計高手,陸續(xù)替它開發(fā)出各種「正規(guī)」程序語言。
在這些玩家中,最著名(也許貢獻(xiàn)也最大)的是Kekoa Proudfoot教授,他仔細(xì)地分析了RCX的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和I/O協(xié)定,并且在他的RCX Internals網(wǎng)站上發(fā)表了許多文件。另一個知名的玩家是David Baum,他開發(fā)了一種類似C語言的程序,稱為NQC(Not Quite C),讓程序玩家擺脫視覺開發(fā)工具的束縛。雖然NQC并不是RCX上的第一個「非官方」程序語言,但大概是最被廣泛采用的一種。NQC本身采用文字接口操作,若想要使用圖形接口式的整合開發(fā)環(huán)境(IDE),可以安裝BricxCC(Windows版)或MacNQC(Mac版),甚至NQC for WinCE(適用于PocketPCPDA)。
此外,樂高的RCX Code視覺工具程序只有Windows版本,在Mac和Linux系統(tǒng)上只能使用非官方的程序工具。并不是所有玩家僅僅喜愛或熟悉C語言,Jose Solorzano就開發(fā)了一個稱為「Lego Java作業(yè)系統(tǒng)」,簡稱leJOS的Java虛擬機(JavaVirtual Machine,簡稱JVM,是執(zhí)行Java程序所需的軟體環(huán)境),可以讓RCX執(zhí)行Java程序。Ralph Hempel開發(fā)的pbForth(programmablebrick Forth,可程序積木Forth語言的簡稱),也深受某些玩家的喜愛。Forth語言的第一個實作專案是用來控制天文臺的大型望遠(yuǎn)鏡(請參閱這個網(wǎng)頁的介紹),它的語法和其他常見的電腦語言最大的不同,在于它采用所謂的「反相波蘭式記法(reverse Polishnotation,簡稱RPN)」,例如,運算式3 * ( 4 + 7)要寫成:3 4 7 + * 另外還有一個由Markus Noga所開發(fā),讓程序設(shè)計師采用C或C++語言控制RCX的固件,稱為legOS。legOS可以讓程序設(shè)計師徹底發(fā)揮RCX硬體的效能,但是不像NQC,使用者必須熟悉C語言,而且它的開發(fā)工具安裝不易,所以使用者也比較少。
除了LEGO MINDSTORMS套件之外,樂高公司還針對教育機構(gòu)發(fā)售一種稱為ROBOLAB(姑且翻譯成「機器人實驗室」)的套件,里面包含更多感應(yīng)器(例如,壓力、音量、溫度檢測),以及連結(jié)視訊攝影鏡頭(并不限于樂高自己的Vision Command產(chǎn)品)并提供視覺辯識功能,更特別的是,它的軟體還具備資料分析、比較和圖表繪制功能,對于教學(xué)實驗尤其重要。ROBOLOAB軟體也能透過網(wǎng)際網(wǎng)路連結(jié)到ROBOLAB Server(包含在本產(chǎn)品的軟體里),把收集到的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在網(wǎng)頁。ROBOLAB內(nèi)建的軟體有Windows和Mac版。
樂高機器人套件最大的缺點在于價格。在臺灣的一般零售店和百貨公司,它的定價超過臺幣一萬元(美金定價199元),大陸售價約為2000元人民幣。而且某些配件的價格也貴得有點離譜,如一根50cm的連接線售價高達(dá)數(shù)十元。
樂高公司推出了新一代的樂高機器人,叫做LEGO MINDSTORMS NXT,這款新樂高機器人采用了32位微處理器、內(nèi)建USB和藍(lán)牙(這一設(shè)計極大地提高了程序傳輸?shù)乃俣群头€(wěn)定性),可以讓使用者做出透過藍(lán)牙裝置(例如PDA或手機)控制的機器人。NXT內(nèi)附的程序編輯工具支持PC和Mac,為了吸引更多玩家參與擴充與改造NXT,樂高公司特別發(fā)表了開放原始碼的固件和開發(fā)工具,就連微軟老大哥都忍不住加入機器人開發(fā)軟體的行列,推出MicrosoftRobotics Studio軟體。除了主機功能大幅增強,NXT的馬達(dá)也改采伺服控制,能讓程序精確地調(diào)整速度,而且這次附了三個馬達(dá);感測器也變得多樣、功能更強:超音波感應(yīng)器(大多用于感應(yīng)障礙物),能夠辯識顏色和亮度的光線感應(yīng)器…等等,不知道樂高的玩家們會用NXT帶來什么樣的驚喜。
3 樂高機器人編程
Lego Mindstorms(樂高機器人)是**了可編程Lego磚塊、電動馬達(dá)、傳感器、Lego Technic部分(齒輪、輪軸、橫梁)的統(tǒng)稱。 許多語言都能對Mindstorms進(jìn)行編程,包括Logo、Basic、Java的衍生版、Smalltalk和C語言。
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