LEGO MINDSTORMS樂高機器人套件簡介
LEGO MINDSTORMS樂高機器人套件簡介
文∕趙英傑
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（或者啟發自動控制教育）的教育玩具。這項產品計畫始於1986，由丹麥樂高公司和美國麻省理工學院的媒體實驗室（Media Lab）進行的一項「可程式積木（Programmable Brick）」的合作案。
樂高機器人套件的核心是一個稱為RCX的可程式化積木。它具有六個輸出∕輸入埠：三個用來連接感應器的埠，另外三個用於連結馬達。樂高機器人套件最吸引人之處，就像傳統的樂高積木一樣，玩家可以自由發揮創意，拼湊各種模型，而且可以讓它真的動起來。下圖示是RCX的外觀：
RCX分為1.0（1998年的第一代）、1.5（1999年的小改版）和2.0（從2001年至今的最後改版）等三個版本。1.0和1.5的差別在於1.0版可以外接電源供應器，連接市電（裡的插座）供電，而1.5版之後只能用電池供電。2.0的差別則是連接電腦的紅外線設備改用USB，以往則是採用串列埠，最重大的區別則是2.0版的韌體（firmware）和程式開發工具提供了一些新的功能。RCX的韌體最主要的用途是把bytecode程式轉換成處理器所能瞭解的機械碼。還好RCX的韌體就像電腦的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的韌體存放在SRAM（靜態可存取記憶體）中，所以實際上，RCX斷電幾秒鐘之後，韌體就消失了。電腦會在傳送程式時，一併傳送韌體給RCX。
下圖是由JP Brown所製作的，可解開魔術方塊的機器人（先說明一下，這個機器人所需要的積木零件，不是一組樂高機器人套件就能辦到，而且視覺辯識和人工智慧方面的程式，是在PC端執行的）：
如果用傳統的方式學習製作機器人，我們得先學習電腦基本概論，接著要瞭解電子電路、數位邏輯和微處理器，才能製作出基本的微電腦控制電路。然後還要學習組合語言（Assembly）或C語言，撰寫微處理器的程式…對了，也許最麻煩的是機械結構，我們得決定要用步進馬達還是一般的直流馬達，不同的驅動形式，信號的驅動和回饋處理方式也不一樣；而且即便是採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配扭力和速度。想到要學習、DIY這麼多東西，很多對自製機器人懷抱憧憬的業餘玩家，滿腔熱血到此就涼了大半截。
樂高機器人組合裡面，包含RCX、兩個馬達、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，以及數種規格的齒輪和滑輪，當然還有各種積木，幫我們解決了電子電路和機械結構的問題。剩下的「撰寫程式」部分，樂高公司（或者說MIT研究人員）也替它開發了一套視覺化程式編輯工具，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式邏輯的「積木」在螢幕上堆起來，就能完成RCX的程式。程式撰寫完畢後，透過套件提供的紅外線裝置，即可把程式傳入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式工具很適合新手或者對程式不熟悉的玩家，有些人覺得用這種介面還寫程式反而礙手礙腳。例如，使用RCX Code所「寫」出來的複雜程式，執行效率也許不佳，而且「視覺化」程式碼也可能不易讀，也不容易維護。因此，許多樂高機器人的愛好者兼程式設計高手，陸續替它開發出各種「正規」程式語言。
在這些玩家中，最著名（也許貢獻也最大）的是Kekoa Proudfoot教授，他仔細地分析了RCX的內部結構和I/O協定，並且在他的RCX Internals網站上發表了許多文件。另一個知名的玩家是David Baum，他開發了一種類似C語言的程式，稱為NQC（Not Quite C），讓程式玩家擺脫視覺開發工具的束縛。雖然NQC並不是RCX上的第一個「非官方」程式語言，但大概是最被廣泛採用的一種。NQC本身採用文字介面操作，若想要使用圖形介面式的整合開發環境（IDE），可以安裝BricxCC（Windows版）或MacNQC（Mac版），甚至NQC for WinCE（適用於PocketPC PDA）。
此外，樂高的RCX Code視覺工具程式只有Windows版本，在Mac和Linux系統上只能使用非官方的程式工具。下圖是取自日本「MINDSTORMS実験室」網站的RCX內部主機板圖片，RCX的大腦是16MHz的日立（Hitachi）H8八位元處理器，外加16Kb的ROM和32Kb的RAM（其中的16Kb保留給韌體，6Kb用來儲存玩家的程式，剩餘的部分留給程式的執行過程使用）、LCD顯示器、紅外線傳輸∕接收器、揚聲器、直流馬達驅動IC…等元件所構成。
並不是所有玩家僅僅喜愛或熟悉C語言，Jose Solorzano就開發了一個稱為「Lego Java作業系統」，簡稱leJOS的Java虛擬機器（Java Virtual Machine，簡稱JVM，是執行Java程式所需的軟體環境），可以讓RCX執行Java程式。Ralph Hempel開發的pbForth（programmable brick Forth，可程式積木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台的大型望遠鏡（請參閱這個網頁的介紹），它的語法和其他常見的電腦語言最大的不同，在於它採用所謂的「反相波蘭式記法（reverse Polish notation，簡稱RPN）」，例如，運算式3 * ( 4 + 7)要寫成：
3 4 7 + *
以前我試著搜尋連結RCX和一般遙控模型使用的伺服馬達（Servo）的電路和程式，結果只看到pbForth有支援，也許現在情況不同了。另外還有一個由Markus Noga所開發，讓程式設計師採用C或C++語言控制RCX的韌體，稱為legOS。legOS可以讓程式設計師徹底發揮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發售一種稱為ROBOLAB（姑且翻譯成「機器人實驗室」）的套件，裡面包含更多感應器（例如，壓力、音量、溫度檢測），以及連結視訊攝影鏡頭（並不限於樂高自己的Vision Command產品）並提供視覺辯識功能，更特別的是，它的軟體還具備資料分析、比較和圖表繪製功能，對於教學實驗尤其重要。ROBOLOAB軟體也能透過網際網路連結到ROBOLAB Server（包含在本產品的軟體裡），把收集到的數據呈現在網頁。ROBOLAB內建的軟體有Windows和Mac版。
我認為，樂高機器人套件最大的缺點在於價格。在台灣的一般零售店和百貨公司，它的定價超過台幣一萬元（美金定價199元），而且某些配件的價格也貴得有點離譜。例如，機器人套件僅包含兩個馬達，如果要另外添購，像下圖左邊的馬達一個定價台幣一千元；相較之下，圖片右邊的Futaba S3003伺服馬達（用於一般的遙控模型）一個台幣280元，這是為何我想要找有關RCX連結伺服馬達的解決方案的原因之一，更何況，伺服馬達可以被控制其旋轉角度，樂高的馬達不行（需要額外購買感測器）。
樂高公司最近推出了新一代的樂高機器人，叫做LEGO MINDSTORMS NXT，這款新樂高機器人採用了32位元微處理器、內建USB和藍芽，可以讓使用者做出透過藍芽裝置（例如PDA或手機）控制的機器人。NXT內附的程式編輯工具支援PC和Mac，為了吸引更多玩家參與擴充與改造NXT，樂高公司特別發表了開放原始碼的韌體和開發工具，就連微軟老大哥都忍不住加入機器人開發軟體的行列，推出 Microsoft Robotics Studio軟體。除了主機功能大幅增強，NXT的馬達也改採伺服控制，能讓程式精確地調整速度，而且這次附了三個馬達；感測器也變得多樣、功能更強：超音波感應器（大多用於感應障礙物），能夠辯識顏色和亮度的光線感應器…等等，不知道樂高的玩家們會用NXT帶來什麼樣的驚喜。
?
呵呵, 受教受教… 真希望我也能趕快有寫出好玩的東西出來 ^^!! 感恩
