樂高機(jī)器人

1 簡介

　　Lego Mindstorms（樂高機(jī)器人）是集合了可編程主機(jī)、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(gè)Lego Mindstorms的零售版本在1998年上市，當(dāng)時(shí)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(jī)器人套件），是針對12歲以上的小孩或大人，對機(jī)器人有興趣（或者啟發(fā)自動控制教育）的教育玩具。這項(xiàng)產(chǎn)品計(jì)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(shí)驗(yàn)室（Media Lab）進(jìn)行的一項(xiàng)「可程式積木（Programmable Brick）」的合作案。

2 資料

　　樂高機(jī)器人套件的核心是一個(gè)稱為RCX或NXT或EV3的可程序化積木。RCX具有六個(gè)輸出輸入口：三個(gè)用來連接感應(yīng)器等輸入設(shè)備，另外三個(gè)用于連結(jié)馬達(dá)等輸出設(shè)備，NXT比RCX多一個(gè)輸入 端口。樂高機(jī)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(gè)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(shí)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(jī)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(shí)不大。RCX的固件存放在SRAM（靜態(tài)可存取記憶體）中，所以實(shí)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(shí)，一并傳送固件給RCX。

　　如果用傳統(tǒng)的方式學(xué)習(xí)制作機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人組合里面，包含RCX、兩個(gè)馬達(dá)、兩個(gè)觸控感測器和一個(gè)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(jī)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(gè)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(jī)器人的愛好者兼程序設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)「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(gè)稱為「Lego Java作業(yè)系統(tǒng)」，簡稱leJOS的Java虛擬機(jī)（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(gè)實(shí)作專案是用來控制天文臺的大型望遠(yuǎn)鏡（請參閱這個(gè)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(yùn)算式3 * ( 4 + 7)要寫成：3 4 7 + * 另外還有一個(gè)由Markus Noga所開發(fā)，讓程序設(shè)計(jì)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(jì)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(jī)構(gòu)發(fā)售一種稱為ROBOLAB（姑且翻譯成「機(jī)器人實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jī)器人套件最大的缺點(diǎn)在于價(jià)格。在臺灣的一般零售店和百貨公司，它的定價(jià)超過臺幣一萬元（美金定價(jià)199元），大陸售價(jià)約為2000元人民幣。而且某些配件的價(jià)格也貴得有點(diǎn)離譜，如一根50cm的連接線售價(jià)高達(dá)數(shù)十元。

　　樂高公司推出了新一代的樂高機(jī)器人，叫做LEGO MINDSTORMS NXT，這款新樂高機(jī)器人采用了32位微處理器、內(nèi)建USB和藍(lán)牙（這一設(shè)計(jì)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(jī)）控制的機(jī)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(kuò)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(jī)器人開發(fā)軟體的行列，推出MicrosoftRobotics Studio軟體。除了主機(jī)功能大幅增強(qiáng)，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(gè)馬達(dá)；感測器也變得多樣、功能更強(qiáng)：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(jī)器人編程

　　Lego Mindstorms（樂高機(jī)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。