lego mindstorms nxt 概覽 - delightpress.com.t · 瞭解nxt 與rcx...

01CHAPTER

LEGO MINDSTORMS

NXT概覽

LEGO MINDSTORMS NXT 是知名

玩具廠商樂高公司在 �00�年推出

的新一代智慧型機器人開發套件。

從“玩具”的角度來看，LEGO

MINDSTORMS系列產品徹底顛覆

了傳統玩具的概念。它讓使用者發揮

自己的想像力，從組裝各種模型或機

械結構開始，配合圖形介面的開發工

具來撰寫簡單的應用程式，藉此控制

機械模型的動作。本章將簡介 LEGO

MINDSTORMS NXT的基本結構，

以及樂高機器人開發觀念。

LEGO MINDSTORMS NXT

智慧型樂高機器人與 Java程式開發

�

目前市面上可以購買的 LEGO MINDSTORMS系列產品分為兩類：RCX與

NXT。本節先比較這兩種產品的差異。

1.1.1 RCX與 NXT基本功能比較

LEGO MINDSTORMS NXT的前身為 RCX，其核心為 �位元 Hitachi H�微處理

器，擁有三個輸入端與三個輸出端。圖 1-1示範 RCX可程式積木（Programmable

brick）如何連接感應器與直流馬達。

1.1 LEGO MINDSTROMS系列產品簡介

5 圖 1-1 LEGO MINDSTROMS NXT的前身 — RCX

光源感應器

觸碰感應器

RCX可程式積木

直流馬達

CH

AP

TE

R 0

1

�

LEGO MINDSTORMS NXT概覽

儘管 RCX 已擁有相當優異的機器人開發套件，但是新一代的 LEGO

MINDSTROMS NXT更令人驚豔。除了 NXT可程式積木搭載 ��位元的 ARM �

微處理器，造型酷似 iPod以外，還大量採用 LEGO TECHNIC系列積木。組合後

的機械模型不僅更加靈活，也頗具現代感。圖 1-�示範 NXT可程式積木如何連接

各種感應器與伺服馬達。

5 圖 1-� LEGO MINDSTROMS NXT基本組成結構

觸碰感應器 NXT可程式積木伺服馬達

聲音感應器光源感應器超音波感應器

LEGO MINDSTORMS NXT


�

表 1-1 是 RCX與 NXT的硬體規格比較

項目

中央處理器 �位元 Hitachi H�微處理器 ��位元 ARM�微處理器

記憶體 1� Kbytes ROM �� Kbytes RAM

�� Kbytes FLASH �� Kbytes RAM

傳輸方式紅外線 USB �.0與 Bluetooth

顯示螢幕只能顯示數字的 LCD 可以顯示 100 x ��像素的 LCD

輸入端 �個 �個

輸出端 �個 �個

馬達直流馬達伺服馬達（內建角度感應器）

電力 1.� V電池 x � 1.� V電池 x �或是 NXT專用鋰電池

感應器觸碰感應器

光源感應器

角度感應器

溫度感應器

... ...

觸碰感應器

光源感應器

聲音感應器

超音波感應器

顏色感應器

磁力感應器

加速度感應器

... ...

5 表 1-1 RCX與 NXT的硬體規格比較

CH

AP

TE

R 0

1

�


1.1.2 NXT基本組成要件

瞭解 NXT與 RCX的差異之後，接著我們要認識 LEGO MINSTORMS NXT的各

種組成要件。

NXT可程式積木

此為樂高機器人最重要的核心元件，擁有四個輸入端

（連接感應器）、三個輸出端（連接伺服馬達），以及一

個 USB連接埠（連接電腦）。除了使用 USB連線，

NXT可程式積木也可以透過藍芽通訊協定連接至個人

電腦。表 1-�是 NXT可程式積木的詳細硬體規格。

硬體項目說明

微處理器 ��位元 ARM�微處理器記憶體：�� Kbytes FLASH, �� Kbytes RAM

輔助處理器 �位元 AVR處理器記憶體：�� Kbytes FLASH, �1� Byte RAM

通訊方式藍芽無線傳輸（Bluetooth Class II V�.0）與 USB（1� Mbit/s）

輸入端 �個（可連接觸碰、聲音、光源與超音波感應器）

輸出端 �個（可連接馬達與燈泡）

顯示設備 100 x ��像素液晶顯示面板

聲音輸出音效品質 � KHz。�位元解析聲音頻道，�-1� KHz取樣頻率

電池 �號 AA電池 x �（或安裝專用鋰電池）

　　

觸碰感應器

當觸碰感應器被壓下時，回傳值為 1；未按下的回傳

值為 0。此類型感應器可以做為機械模型的啟動 /停止

開關。舉例來說，在機械手臂前端可利用觸碰感應器

偵測是否碰觸到物品，如果有，則將它抓起來。

5 表 1-� NXT可程式積木的硬體規格

LEGO MINDSTORMS NXT


�

光源感應器

此種感應器可以偵測反射物的亮度。顏色較暗的物

體，光源感應器的回傳值較低；顏色較亮的物體，光

源感應器的回傳值較高。國際奧林匹克機器人競賽中

經常出現的軌跡賽，就可以利用光源感應器來控制軌

跡車如何前進。

聲音感應器

聲音感應器可以偵測機器人周遭的聲音大小，其測量

單位分為 dB（分貝）與 dBA（調整分貝）兩種。透過

聲音感應器，你可以藉由聲音大小的變化來改變機器

人的行為。

超音波感應器

NXT超音波感應器酷似人類的眼睛，可以偵測距離的

遠近（有效範圍約 ��公分），其測量單位為英吋或公

分。

伺服馬達

裝上伺服馬達以後，樂高機器人就可以自由移動，或

執行某個動作。因為 NXT伺服馬達內建「角度感應

器」，我們可以更精確地控制馬達運轉行為，例如，讓

A馬達順時針旋轉 �0度，或是逆時針旋轉 �圈。

連接線

NXT專用連接線用來連接 NXT可程式積木與各種感應

器，或伺服馬達。目前的連接線有三種規格：�0公分、

��公分與 �0公分。

CH

AP

TE

R 0

1

�


瞭解 NXT可程式積木與各種感應器的用途以後，你或許會質疑：這些東西跟機器

人有什麼關係？事實上，NXT可程式積木、感應器與伺服馬達只要搭配各式各樣

的樂高積木，就可以設計出功能完整的機械結構喔。

圖 1-�是以 LEGO MINDSTORMS NXT開發套件（產品編號 ��）組合的標準

模型 — Alpha Rex，實際高度約 �0公分。

1.2 基本的機器人設計與開發觀念

5 圖 1-� 利用 LEGO MINDSTORMS NXT組合的機器人 Alpha Rex（圖片來源：http://shop.lego.com/）

超音波感應器NXT可程式積木

聲音感應器

LEGO Technic系列的積木

觸碰感應器

伺服器馬達

LEGO MINDSTORMS NXT


�

雖然 Alpha Rex全部以樂高積木組成，但是它有幾項特點：

●主體為 NXT可程式積木，可執行多種開發語言所撰寫的應用程式。它擁有

四個輸入端（1、�、� 、�）與三個輸出端（A、B、C），可藉此讀取感應器

的輸入值，並控制伺服馬達如何運轉。

●眼睛與兩隻手臂前端分別為超音波感應器、觸碰感應器、聲音感應器，可以

偵測行進距離與周圍聲音大小。

●兩隻腳分別裝上兩個伺服馬達，轉動時可以帶動 Alpha Rex前進或後退。馬

達旋轉方向與速度可以經由程式控制。

由此可知，樂高機器人的運作原理非常簡單：

Step 1：先利用各種樂高積木（包括感應器與馬達）組合出適當的模型。

Step 2：在電腦上撰寫應用程式。

Step 3：將程式下載到 NXT可程式積木。

Step 4：在 NXT可程式積木上執行已下載的程式。

以 Alpha Rex為例，要控制它前進的程式邏輯為：

我們可以將上述程式邏輯轉變成：

while (true) {

if (眼睛到前方牆壁的距離 > 20 公分 ) {

直線前進

}else {

停止不動

}

}

while (true) {

if (超音波感應器偵測的距離 > 20 公分 ) {

B,C 馬達同時轉動 //相當於讓 Alpha Rex 以雙腳前進

}else {

B,C 馬達同時停止

}

}

CH

AP

TE

R 0

1

�


稍有程式撰寫經驗的讀者應該可以理解上述機器人的控制邏輯。不過，真正令筆

者感動的是，樂高公司提供的圖形介面開發環境，可以讓九歲以上的小學生輕易

寫出簡單的機器人控制程式。從資訊教育的角度來看，用樂高機器人來學習如何

撰寫應用程式肯定有趣多了！

圖 1-�是以 LEGO MINDSTORMS NXT開發套件組合的另一種標準模型 —

RoboArm T-��。這個機械手臂同樣是以 NXT可程式積木、感應器、伺服馬達與

樂高積木組合而成，但是外觀卻和 Alpha Rex大不相同。

運用相同的樂高積木組合出不同機械模型，搭配不一樣的程式，就可以模擬不同

的機械行為 — 這就是樂高機器人風靡全世界的主要原因！

5 圖 1-�：利用 LEGO MINDSTORMS NXT組合的機器手臂 RoboArm T-��（圖片來源：http://shop.lego.com/）

觸碰感應器伺服器馬達

NXT可程式積木

光源感應器

LEGO MINDSTORMS NXT


10

如果你也想嘗試撰寫機器人控制程式的樂趣，不妨購買一組親自體驗吧。不過要

注意，LEGO MINDSTORMS NXT分為兩種版本：

●零售版：可以在一般玩具零售通路購買，如玩具反斗城或各大百貨公司，產

品編號為 ��（http://shop.lego.com/Product/?p=��）。

●教育版：只能在樂高教育部門（LEGO Education）授權的代理商購買，產

品編號為 ��。台灣的樂高教育系列產品總代理為貝登堡國際股份有限公

司，http://www.erobot.com.tw。

零售版教育版

包裝外盒

積木總數 �� 1

感應器 �個 �個（多一個觸碰感應器）

伺服馬達 �個 �個

鋰電池無有（不含充電器）

燈泡無有

轉接線無 �條

整理盒無有

軟體 LEGO MINDSTORMS NXT Software Retail

LEGO MINDSTORMS NXT Software Education

1.3 LEGO MINDSTORMS NXT的兩種版本

5 表 1-� LEGO MINDSTORMS NXT的零售版與教育版比較

CH

AP

TE

R 0

1

11


在本章內容中，筆者除了比較 RCX與 NXT可程式積木的主要差異，也說明基本

的樂高機器人開發觀念。下一章我們將認識 NXT可程式積木的基本設定功能，以

及如何測試各種感應器與伺服馬達。

結語

LEGO MINDSTORMS NXT


1�

Note

lego mindstorms nxt 概覽 - delightpress.com.t · 瞭解nxt 與rcx...

Documents