2014論壇/樂高機器人的應用

前言

目前全球機器人的發展趨勢，已由工業應用轉到服務型及娛樂型機器人。愈來愈多的機器人設計需求源自於教育、民生工程、娛樂、保全及家庭看護等。 樂高機器人是LEGO MINDTROMS公司所生產的教育性機器人套件，藉由各種樂高零件以及簡單的圖形化程式介面，可以很快地做出各種簡易機器人或是自動化系統。 從1999年第一代RCX至 2006年第二代NXT機器人，到現在樂高公司已發展出EV3機器人，提供了一般家庭及玩家更多的歡樂及有趣的機器人專題探討。 以下我將針對EV3機器人的系統及操作向大家做一個簡單的介紹 ;

樂高機器人常用感測器(Sensor)的功能

1. 觸碰感測器(Touch Sensor) - (如附圖)
   • 用來偵測機器人有無碰撞到障礙物。
2. 顏色感測器(Color Sensor) - (如附圖)
   • 可以感應黑、藍、綠、黃、紅、白、棕色與無感測到顏色共八種狀態、分別由0到7等數字所代表。感測距離為15~50 mm，太近或太遠則無法正確感測顏色顏色感測器也可當作光感測器使用，回傳0~100的整數值代表前方環境或物體的亮度。
3. 超音波感測器(Ultrasonic Sensor) - (如附圖)
   • 藉由發射超音波後，接收到物體所反射音波之時間差來測量距離，左方 眼鏡為發射，右方則是接收。測量距離範圍為3~250 cm，感應角度為20度。
4. 陀螺儀感測器(Gyro Sensor) - (如附圖)
   • 可用來量測機器人的傾斜程度，當機器人傾倒時，陀螺儀感測器會偵測傾倒的度數，我們可藉此讓機器人維持平衡。

說明樂高機器人電腦程式的基本設計

1. 程式撰寫 -
   • 選擇File>>New Project>>Program，點選Open後即可進入程式撰寫畫面撰寫程式時，先要從程式指令區將指令拖放到程式撰寫區中，透過資料流的概念來撰寫程式。 (如附圖)
2. EV3程式指令共分為六大類，可利用這些指令來設計機器人程式 -
   • 動作(Action) ; 動作(Action)指令與輸出裝置有關，包含馬達,聲音,螢幕與按下等指令。
     • 中大型馬達(Medium/Large Motor) - 此指令用來控制中/大型馬達啟動或停止，並設定要轉幾秒、轉幾圈、轉幾度、以及透過電力控制其轉速，也可設定馬達停止方式為煞車或緩停。(如附圖)
     • 方向盤式移動(Move Steering) - 此指令可以控制兩馬達同時間轉動，並設定舵向(Steering)從-100到100，讓機器人可以走曲線或者是原地左廻轉，右廻轉等路徑。(如附圖)
     • 坦克式移動(Move Tank) - 此指令用來同時控制兩個大型馬達，以設定兩顆馬達的電力值，根據兩輪速差來決定機器人的動作，電力值的範圍從-100至100代表反轉到正轉。 (如附圖)
     • 顯示(Display) - 此指令可以在EV3主機的螢幕上顯示文字或圖樣，可以在圖像編輯器(Image Editor)自行設計各種圖案。(如附圖)
     • 音效(Sound) – 此指令可讓EV3主機內建的喇叭發出各種音效。可以在音效編輯器(Sound Editor)中來編輯您喜歡的音效。(如附圖)
     • 狀態燈號(Brick Status Light) - 此指令可讓EV3主機的按鈕周圍發出紅色，橘色或綠色的光，您可將其用來表明機器人的狀態，例如撞到牆壁會亮紅燈等。(如附圖)
   • 流程(Flow)指令區 ;在流程指令區內的各種指令負責整體程式執行的方式，包含了開始、等待、廻圈、廻圈暫停和分岔結構。
     • 開始(Start)指令 - 在新建一個程式時，程式撰寫區就會直接新增一個開始指令，它代表一串程式的起始點。如果所新增的其它指令没有與開始指令相連接，那麼該指令便無法執行。另外，一個程式中也可以同時間具備多個開始指令。此程式執行時，這些由不同開始指令領頭的指令串會同步開始，這就是多工(Multi-tasking)的概念。 (如附圖)
     • 等候(Wait)指令 - 等候指令可以讓您的程式去等候某個條件是否發生，您的機器人會持續等待某個條件發生，這些條件可以是秒數或者是感測器讀到的某個數值等，若没有完成我們所設定的等待條件，程式將不會執行下一個指令。(如附圖)
     • 廻圈(Loop) - 廻圈可以根據某個狀況來重複執行廻圈內容。使用方法是先新增一個廻圈，再把重複執行的指令拉到廻圈裡面，並設定停止條件，如:持續執行，重複指定次數或感測器數值比較結果等等。(如附圖)
     • 分岔結構(Switch) - 結構是根據某個狀況是否成立,來決定執行兩個狀況的其中一個。狀況是否成立只有兩個狀況在某個時間點只會執行一個。使用時，我們可以將兩段不同的指令拉入分岔結構內的上面或下面方框，並透過前方的判斷條件來決定要執行哪一串指令，判斷條件可以是感測器數值比較結果，EV3主機按鈕有無按下或是否收到相關訊息等等。(如附圖)
     • 廻圈中斷(Loop Interrupt)指令 - 此指令被觸發時會讓廻圈停止，廻圈內的指令將不會繼續執行。我們可以透過廻圈中斷指令右上角的數字來決定要停止哪一個廻圈，也可以將其放在廻圈的內部或另一串程式中。
3. 感測器(Sensor)指令區 ;一個機器人除了能夠自主移動外，還要能夠根據外在環境的變化而做出不同的反應。EV3程式將感測器指令整理在同一區塊中。裡面包含了11種不同的感測器指令，由左至右分別為:
   • • • EV3主機按鈕
       • 顏色感應器
       • 陀螺儀感測器
       • 紅外線感測器
       • 馬達角度感測器
       • 溫度感測器
       • 時間計時
       • 觸碰感測器
       • 超音波感測器
       • 數值量測(電壓,電流)
       • NXT聲音感測器。
4. 資料操作(Data Operations)指令區 ;這些指令可對資料進行各種運算，包含了變數、常數、陣列、數值運算、邏輯運算、文字及亂數指令等等。
   • 進階(Advanced)指令區 ;包含檔案存取、資料擷取、發送信件、藍牙連線、保持主機開機、感測器原始值、無管控馬達運轉、馬達反轉以及停止程式等指令。這些比較進階指令一般比較不會用到它們。

說明馬達功能

馬達是機器人主要的輸出動力來源,EV3機器人使用互動式伺服馬達(Interactive Servo Motor)，套件中有大型和中型兩種馬達。除了內建角度感測器之外，EV3的馬達也支援最新的自動識別功能，只要接上EV3主機就能自動判斷馬達的種類與使用的連接埠。 大型馬達規格 ; 轉速 - 160至170RPM 無負載扭矩 – 0.21 N*m 卡住時扭矩 – 0.42 N*m 重量 – 76公克 自動識別 – 支援

中型馬達規格; 轉速 - 240至250RPM 無負載扭矩 – 0.08 N*m 卡住時扭矩 – 0.12 N*m 重量 – 36公克 自動識別 – 支援