Lego Mindstorms(乐高机器人)是集合了可程式主机、电动马达、感测器、Lego Technic部分(齿轮、轮轴、横樑、插销)的统称。Mindstorms起源于益智玩具中可程式感测器模具(programmable sensor blocks)。第一个Lego Mindstorms的零售版本在1998年上市,当时叫做Robotics Invention System (RIS)。最近的版本是2013年上市的Lego Mindstorms EV3。
许多语言都对Mindstorms进行编程,Computer Clubhouses是专注于Mindstorms编程的网站。LEGO MINDSTORMS Robotics Invention System(以下称为乐高机器人套件),是针对12岁以上的小孩或大人,对机器人有兴趣(或者启发自动控制教育)的教育玩具。这项产品计画始于1986,由丹麦乐高公司和美国麻省理工学院的媒体实验室(Media Lab)进行的一项「可程式式积木(Programmable Brick)」的合作案。
基本介绍
- 中文名:乐高机器人
- 外文名:Lego Mindstorms
- 原产地:丹麦-比隆
- 上市:1998年
- 代表机型:NXT,EV3
资料
乐高机器人套件的核心是一个称为RCX或NXT或EV3的可程式化积木。RCX具有六个输出输入口:三个用来连线感应器等输入设备,另外三个用于连结马达等输出设备,NXT比RCX多一个输入 连线埠。乐高机器人套件最吸引人之处,就像传统的乐高积木一样,玩家可以自由发挥创意,拼凑各种模型,而且可以让它真的动起来。
株洲FK乐高机器人中心

RCX分为1.0(1998年的第一代)、1.5(1999年的小改版)和2.0(从2001年至今的最后改版)等三个版本。1.0和1.5的差别在于1.0版可以外接电源供应器,连线市电(通过变压器实现)供电,而1.5版之后只能用电池供电。2.0的差别则是连线电脑的红外线设备改用USB,以往则是採用串列连线埠,最重大的区别则是2.0版的固件(firmware)和程式开发工具提供了一些新的功能。RCX的固件最主要的用途是把bytecode程式转换成处理器所能理解的机器码。还好RCX的固件就像电脑的 BIOS一样,都是可以更换的,所以不同版本之间的差异其实不大。RCX的固件存放在SRAM(静态可存取记忆体)中,所以实际上,RCX断电几秒钟之后,固件就消失了。电脑会在传送程式时,一併传送固件给RCX。
如果用传统的方式学习製作机器人,我们得先学习电脑基本概论,接着要了解电子电路、数位逻辑和微处理器,才能製作出基本的微电脑控制电路。然后还要学习彙编语言(Assembly)或C语言,撰写微处理器的程式…对了,也许最麻烦的是机械结构,我们得决定要用步进马达还是一般的直流马达,不同的驱动形式,信号的驱动和回馈处理方式也不一样;而且即便是採用最单纯的轮胎或履带作为行走方式,也可能要搭配各种齿轮来调配扭力和速度。想到要学习、DIY这幺多东西,很多对自製机器人怀抱憧憬的业余玩家,满腔热血到此就凉了大半截。
乐高机器人组合里面,包含RCX、两个马达、两个触控感测器和一个红外线感测器,各种大小的轮胎和履带,以及数种规格的齿轮和滑轮,当然还有各种积木,帮我们解决了电子电路和机械结构的问题。剩下的「撰写程式」部分,乐高公司(或者说MIT研究人员)也替它开发了一套视觉化程式编辑工具,叫做RCX Code。就像堆积木一样,RCX Code的使用者只要把各种代表不同程式逻辑的「积木」在萤幕上堆起来,就能完成RCX的程式。程式撰写完毕后,通过过套件提供的红外线装置,即可把程式传入RCX。真的很酷!
不过每个人对「酷」的定义不同。乐高提供的视觉化程式工具很适合新手或者对程式不熟悉的玩家,有些人觉得用这种接口还写程式反而碍手碍脚。例如,使用RCX Code所「写」出来的複杂程式,执行效率也许不佳,而且「视觉化」程式码也可能不易读,也不容易维护。因此,许多乐高机器人的爱好者兼程式设计高手,陆续替它开发出各种「正规」程式语言。
在这些玩家中,最着名(也许贡献也最大)的是Kekoa Proudfoot教授,他仔细地分析了RCX的内部结构和I/O协定,并且在他的RCX Internals网站上发表了许多档案。另一个知名的玩家是David Baum,他开发了一种类似C语言的程式,称为NQC(Not Quite C),让程式玩家摆脱视觉开发工具的束缚。虽然NQC并不是RCX上的第一个「非官方」程式语言,但大概是最被广泛採用的一种。NQC本身採用文字接口操作,若想要使用图形接口式的整合开发环境(IDE),可以安装BricxCC(Windows版)或MacNQC(Mac版),甚至NQC for WinCE(适用于PocketPCPDA)。
此外,乐高的RCX Code视觉工具程式只有Windows版本,在Mac和Linux系统上只能使用非官方的程式工具。并不是所有玩家仅仅喜爱或熟悉C语言,Jose Solorzano就开发了一个称为「Lego Java作业系统」,简称leJOS的Java虚拟机(JavaVirtual Machine,简称JVM,是执行Java程式所需的软体环境),可以让RCX执行Java程式。Ralph Hempel开发的pbForth(programmablebrick Forth,可程式积木Forth语言的简称),也深受某些玩家的喜爱。Forth语言的第一个实作专案是用来控制天文台的大型望远镜(请参阅这个网页的介绍),它的语法和其他常见的电脑语言最大的不同,在于它採用所谓的「反相波兰式记法(reverse Polishnotation,简称RPN)」,例如,运算式3 * ( 4 + 7)要写成:3 4 7 + * 另外还有一个由Markus Noga所开发,让程式设计师採用C或C++语言控制RCX的固件,称为legOS。legOS可以让程式设计师彻底发挥RCX硬体的效能,但是不像NQC,使用者必须熟悉C语言,而且它的开发工具安装不易,所以使用者也比较少。
除了LEGO MINDSTORMS套件之外,乐高公司还针对教育机构发售一种称为ROBOLAB(姑且翻译成「机器人实验室」)的套件,里面包含更多感应器(例如,压力、音量、温度检测),以及连结视讯摄影镜头(并不限于乐高自己的Vision Command产品)并提供视觉辩识功能,更特别的是,它的软体还具备资料分析、比较和图表绘製功能,对于教学实验尤其重要。ROBOLAB软体也能透过网际网路连结到ROBOLAB Server(包含在本产品的软体里),把收集到的数据呈现在网页。ROBOLAB内建的软体有Windows和Mac版。
乐高公司推出了新一代的乐高机器人,叫做LEGO MINDSTORMS NXT,这款新乐高机器人採用了32位微处理器、内建USB和蓝牙(这一设计极大地提高了程式传输的速度和稳定性),可以让使用者做出透过蓝牙装置(例如PDA或手机)控制的机器人。NXT内附的程式编辑工具支持PC和Mac,为了吸引更多玩家参与扩充与改造NXT,乐高公司特别发表了开放原始码的固件和开发工具,就连微软老大哥都忍不住加入机器人开发软体的行列,推出MicrosoftRobotics Studio软体。除了主机功能大幅增强,NXT的马达也改採伺服控制,能让程式精确地调整速度,而且这次附了三个马达;感测器也变得多样、功能更强:超音波感应器(大多用于感应障碍物),能够辩识颜色和亮度的光线感应器…等等,不知道乐高的玩家们会用NXT带来什幺样的惊喜。
编程
Lego Mindstorms(乐高机器人)编程Lego砖块、电动马达、感测器、Lego Technic部分(齿轮、轮轴、横樑)的统称。 许多语言都能对Mindstorms进行编程,包括Logo、Basic、Java的衍生版、Smalltalk和C语言。