集合了可编程主机的乐高机器人

2018-12-29 网络 条评论

  

  乐高机器人套件的核心是一个称为RCX或NXT或EV3的可程序化积木。RCX具有六个输出输入口:三个用来连接感应器等输入设备,另外三个用于连结马达等输出设备,NXT比RCX多一个输入 端口。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。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,连接市电(通过变压器实现)供电,而1.5版之后只能用电池供电。2.0的差别则是连接电脑的红外线设备改用USB,以往则是采用串行端口,最重大的区别则是2.0版的固件(firmware)和程序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程序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。电脑会在传送程序时,一并传送固件给RCX。如果用传统的方式学习制作机器人,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,才能制作出基本的微电脑控制电路。然后还要学习汇编语言(Assembly)或C语言,撰写微处理器的程序…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;而且即便是采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这么多东西,很多对自制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「撰写程序」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序编辑工具,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序逻辑的「积木」在屏幕上堆起来,就能完成RCX的程序。程序撰写完毕后,通过过套件提供的红外线装置,即可把程序传入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序工具很适合新手或者对程序不熟悉的玩家,有些人觉得用这种接口还写程序反而碍手碍脚。例如,使用RCX Code所「写」出来的复杂程序,执行效率也许不佳,而且「视觉化」程序码也可能不易读,也不容易维护。因此,许多乐高机器人的爱好者兼程序设计高手,陆续替它开发出各种「正规」程序语言。在这些玩家中,最著名(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网站上发表了许多文件。另一个知名的玩家是David Baum,他开发了一种类似C语言的程序,称为NQC(Not Quite C),让程序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」程序语言,但大概是最被广泛采用的一种。NQC本身采用文字接口操作,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视觉工具程序只有Windows版本,在Mac和Linux系统上只能使用非官方的程序工具。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程序所需的软体环境),可以让RCX执行Java程序。Ralph Hempel开发的pbForth(programmablebrick Forth,可程序积木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,在于它采用所谓的「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,让程序设计师采用C或C++语言控制RCX的固件,称为legOS。legOS可以让程序设计师彻底发挥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、比较和图表绘制功能,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,这款新乐高机器人采用了32位微处理器、内建USB和蓝牙(这一设计极大地提高了程序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内附的程序编辑工具支持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的马达也改采伺服控制,能让程序精确地调整速度,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带来什么样的惊喜。


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