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乐高机器人NXT与威尼尔传感器结合的应用与开发

摘要：

机器人一词对很多人来说已经不再陌生了，从它诞生之始，人类就对其进行坚持不懈的研究。

随着社会的发展和机器人技术的日益成熟，机器人的应用已经深入到我们的生活中了，例如在工业、制造业、社会安检等等各行各业，使用机器人带来的各方面效益已经不言而喻。

本论文旨在通过使用丹麦玩具生产商生产的乐高机器人NXT与美国威尼尔公司生产的各种传感器的结合，来展示机器人在学校教学实验里的强大功能，给学校教学实验提供的广阔平台，从而让更多的学生真正的了解机器人工作的原理，认识乐高NXT和威尼尔传感器，并借助乐高NXT和威尼尔传感器来探索、研究、开发更多的智能机器人。

我也希望有更多的人加入机器人设计的行列，通过开发实用、能产生高效益的机器人，让我们的生活更加美好！

关键词：

机器人乐高NXT威尼尔传感器教学实验

1、前言

以生产儿童积木玩具而出名的丹麦乐高公司，在1984年与美国麻省理工学院（MIT）合作，在MIT多媒体实验室多位教授的共同努力下，他们通过现代电子和计算机科技与传统玩具的相互结合，将计算机与积木有机地集合在一起，研发出了乐高机器人RCX，经过他们的潜心研究并于2006年又研发出了32位ARM处理控制的NXT积木机器人。

在NXT的机器人套件里，多出了许多新鲜和实用的机械和电子材料。

如转动马达、各种齿轮组合；各式传感器：

光电门传感器、触感、角度传感器、超声波传感器等。

这些新增的乐高机器人NXT配件（图1-1），让乐高迷们如虎添翼！

图1-1乐高NXT以及传感器

作为乐高机器人主体的NXT一经出世，便展现了它独特的性质。

学校实验教学里，乐高机器人NXT被作为了“乐中学”、“寓教于乐”的载体了。

我是在2008年初的时候接触了乐高NXT，与它磨合了有一个多月的时间，我深深的发现了它的妙处所在：

没有过多程式化的教学理念，通过自己动手，按照自己的理解和想象，个性化、随心所欲的设计、搭建实验平台。

这个平台的建立，完全是基于我自己的学习乐趣、想象力。

而实验的过程更加鲜明化、实际化、可操作化。

在一个完整的实验平台搭建成功后，我充满了成就感！

智能机器人的形成还与传感器的参与至关重要。

这里使用与乐高机器人NXT搭配的传感器是威尼尔传感器。

位于美国俄勒冈州的威尼尔公司研发和生产大量传感器已经在很多学校的教学实验中得以使用（图1-2）。

图1-2威尼尔传感器在实验中的运用

它被广泛的应用在中学学生的实验中，比如物理、生物、化学等学科的实验。

与传统的实验相比，威尼尔传感器的加入使得实验本身更易教和学了。

就拿物理实验中的单摆实验来作说明。

传统的实验设计比较简单，利用秒表人为记录单摆的周期，然后通过物理公式换算出地球的重力加速度。

至于单摆过程中的其他物理量，如摆球的位移、速度、动量、动能等都无法在实验中获取。

而使用威尼尔距离传感器却可以轻而易举的完成这些物理量的测量，并且可以把每个物理量的图像清晰的描绘出来，除此之外，威尼尔传感器采集的实验数据的精确度和准确度也是很好的，这一点对于智能机器人非常有益！

在有了第三方传感器的威尼尔传感器的加入，乐高NXT机器人更是不仅仅可以满足学校的教学所需了，从此还增加了很多神秘功能并且这些功能趋于生活的需要了，可谓是名副其实的智能机器人！

处理功能强大、可以启发人无限创意的乐高机器人NXT结合数据采集精确、种类丰富的威尼尔传感器在下面的实验里将会展现给大家机器人完成教学实验的非凡效果。

2、乐高NXT与威尼尔传感器及应用软件Robolab的介绍

（一）乐高NXT机器人简介

乐高NXT机器人的心脏系统是一个32位的微型处理器，可以经由PC或Mac操作程序，当然了，这是所有器件中最不可或缺的角色，因为其他所有的附件都是为它服务和充实的。

先看看上图装在橙色盒子里面的乐高积木，这里面的积木类型很多，有搭积木建结构必须的梁、插销、轴、链条、齿轮、涡轮等等。

有了这些积木你可以发挥想象和创意搭建任意你可以想的出来的结构，这对于我们后面的设计实验不无裨益。

如果说乐高积木是乐高机器人的身体的话，那么传感器就是机器人的各种“感受器官”和“执行器官”了，在乐高机器人的配件里有触动传感器、声音传感器、光强传感器、超声波传感器、角度传感器（同时也是机器人转动马达）。

以下（图2-1）就是各种传感器的真实图样。

图2-1乐高传感器

用乐高积木搭建机器人NXT结构,再加上各种传感器，那么它就可以根据感应到的声音和动作做出适当反应，也让它对于光线和触觉的反应更加灵敏。

一个个像模像样的机器人就出来了！

图2-2a是一个可以根据超声波探测的距离来执行前进铲除任务的机器人。

图2-3b同样是一个根据超声波传感器探测距离，但执行掀翻任务的机器人。

图2-2乐高NXT机器人

（二）威尼尔传感器介绍

作为乐高NXT配件的以上五种传感器显然不能满足教学中实验中要测量的物理量种类的要求。

所以我们还需要其它功能的传感器，例如力传感器、位移传感器、温度传感器、磁传感器、加速度传感器等等。

这里我们引用的是美国威尼尔传感器。

威尼尔传感器是专门为科学教育而研发的产品，它适用于高中物理、高中化学、高中生命科学、地球科学、水质分析、小学及初中科学、课堂探究及野外实验。

所以给承担学校实验探测的任务提供了很大的帮助和解决方案。

威尼尔提供了超过55种不同类型特点的传感器（图2-3），足够我们武装智能乐高NXT机器人并在教学基础课程、研究型、探究性学习中甚至生活中的应用了。

图2-3Vernier传感器

从威尼尔传感器本身在教学实验中的运用来看，它不仅为各个学科提供了丰富的测量种类，而且使得设计的实验还富有创造性和建设性。

下面就以单摆为例来分析威尼尔传感器的特性。

在本实验中，我们选用的是威尼尔传感器中的距离传感器（又叫做线性运动传感器）、软件使用的是威尼尔Logger.Pro、当然还少不了采集器Labpro的参与。

实验的搭建比较容易：

在计算机上安装好威尼尔Logger.Pro软件，然后通过USB数据线把采集器连接到计算机上。

以上的安装是每次实验必须进行的步骤。

接着需要连接实验的核心部件了，把距离传感器连接到数据采集器上。

涉及到威尼尔的实验器材已经构建完毕。

剩下的就是把一个单摆的实验装置放置水平，同时使得摆球的摆面垂直距离传感器的采集面。

这样装置就搭建好了（图2-4），与普通的搭建基本一致，只是添加了DIS部分，

在进行实验采集的同时，距离传感器把采集到的物理信息送到计算机上，vernier软件会同补绘制单摆相关物理量的图像，如位移-时间图像、速度-时间图像。

同时用vernier提供的距离传感器采集的单摆物理信息，还通过软件可以查看所有物理量之间的函数关系。

例如函数速度V关于位移S的函数图像为椭圆（图2-5）。

这些物理的函数图像可以清楚客观的反映单摆的物理信息，通过威尼尔软件的处理，甚至还可以查看其他物理量之间的关系。

比如S-P（位移与动量）函数关系，S-E（位移与动能）函数关系等等。

图像的显示功能，一般较常见。

除此之外，把威尼尔传感器采集到的物理量向量化，在威尼尔的实验中也可以做到。

本实验中把单摆中的位移、速度这两个物理量，向量化。

通过软件的重放功能，位移S、速度V的向量会随着时间的推移作动态改变，这样可以更量化的观察物理量的矢量变化了（图2-6）。

威尼尔实验软件还提供了实验视频加入功能。

我们可以把威尼尔传感器与普通的实验装置的结合实验的视频拍摄下来，然后传入到软件上，以后就可以使得实验的数据、图像与真实实验的视频保持同步播放，如此大大增加了传感器实验的趣味性和真实性！

图2-5单摆物理量之间的函数图像

图2-4单摆实验装置图

图2-6单摆物理量向量图

通过实际的实验操作后，我发现威尼尔提供的任意一个传感器都可以参与到很多的实验中来。

上面单摆实验使用的距离传感器还可以用来做验证机械能守恒、测试简谐振动，测量重力加速度等等。

总结威尼尔传感器的特性：

1、精确度高。

经过美国国家仪器标准的测量，它测量的物理量可以精确到小数点后两位，为精确实验提供了帮助。

2、多样性。

传感器种类多达几十种，涉及物理、化学、生物、地理等等。

3、创新性。

一个传感器可以参与多个实验，可以为实验者提供更广的设计思维空间和手段

4、质量高。

传感器本身是无毒无害的，且经过质量的检测。

5、兼容性强。

威尼尔传感器除了可以乐高机器人结合意外，还可以和美国国家仪器公司生产的DAQ采集器结合。

（图2-7）

图2-7威尼尔温度传感器与DAQ结合

（三）乐高机器人使用软件Robolab的介绍

可以用作编写乐高机器人程序的软件有很多种,例如:

我们即将介绍和使用的ROBOLAB（图3-1）。

这是由乐高集团、美国塔辅茨大学和美国国家仪器公司以LABVIEW为基础，对其编程环境做了一些改革，转为教学应用开发的机器人和数据采集编程软件；还有MindStorm,它也是一款图形化编程软件,不过这款软件合适初学者的学习和研发使用；最高级别软件是美国国家仪器公司开发的LabView软件,它是现代科技和工业上广泛使用的G语言之一,前面提及的ROBOLAB、MindStorm等编程语言也是由这款软件编写得来，因此使用LabView软件为乐高机器人编写程序,需要掌握一定的G语言知识。

综合比较后，我们选择可以参与教学开发和数据采集的ROBOLAB软件。

就ROBOLAB软件使用的效果来看，是一个比较简便、直观、易操作的G语言软件。

2008年3月份，我们在上海市卢湾区科协举办了乐高机器人兴趣小组的学习活动，两个月的互动教学，使得学生从中收益很多。

有的兴趣浓厚的小学生，经过老师几次指导，已经能够利用ROBOLAB软件编写一个让机器人前进后退的简单的程序。

可见ROBOLAB软件的普适性和易学性。

现在用来控制乐高机器人使用的最新版本的软件是ROBOLAB2.9。

而乐高与威尼尔结合使用的软件在这个最新版本里还不具备相应的工具包。

看来我们研究的课题还是较先进的。

这里还要手动安装工具包。

首先要从威尼尔公司的网站上下ROBOLAB2.9.4Patch包，请参考威尼尔网站，然后在已经安装了ROBOLAB2.9的计算机上安装软件包。

打开软件，单击“PROGRAMME”，出来以下界面。

在面板上有两个程序编写级别:

一个是导航者,另一个是发明。

我们需要使用的是较高级别的发明家来编写程序。

双击发明家4,就见到了编写程序的窗口。

程序分为上下两个面板，

ROBOLAB软件是一个简单、直观、易学的编程环境，是以美国国家仪器公司的LabVIEW，流行于测量和自动化领域的图形化编程软件为基础开发的。

ROBOLAB软件具有所有通用编程环境，如C/C++或VisualBasic等软件的功能。

在计算机上为机器人编写好程序，程序一旦下载到RCX，机器人就脱离计算机，根据程序指令，按照周围环境的输入信息来做出判断，决定下一步如何行动。

完全智能化。

当然，如果机器人未按预先设计的行动，即程序编写不够完善时，可以在计算机上修改原程序，再下载，运行机器人进行测试，直到机器人完全按要求工作为止。

四、乐高机器人NXT与威尼尔传感器结合的应用案例。

（一）物理学科案例

那么本篇论文就乐高机器人NXT与威尼尔传感器的结合在学校教学里实现的自主、能动、富有创造性、量化实验展开讨论。

中学的由乐高玩具到能够对支持学校教学到功能的生活化，可以说在很多的辅助材料的帮助下，乐高机器人NXT的很多性能都趋于完整了。

3、乐高机器人NXT与威尼尔传感器结合的应用案例

4、实验分析和总结

1、《机器人技术与应用》，第二届机器人国际教育研讨会征文文集，西觅亚公司发行。

2、

由于使用的是美国国家仪器公司新出版本Labview8.5图形化编程软件，打软件创建一个新VI以后,从函数图像板上可以看到在附加工具包里没有任何可使用的图标。

本次实验采用的Labview8.5图形化编程软件为乐高机器人NXT编写程序。

所以还需要安装nxttoolkit工具包。

双击打开文件，直至出现“setup”的安装程序，然后安装此程序。

通过重新启动计算机，此时乐高工具包已安装完毕，可以使用。

本次实验的主角是乐高NXT和威尼尔传感器，为了实现两者的结合，威尼尔公司特意设计了一个专转接口，与转接口硬件相配套的还有安装软件包，你可以到威尼尔公司的官方网站去下载LabVIEWToolkitforLEGOMINDSTORMSNXT，这个工具包是美国国家仪器公司专门为乐高NXT使用的第三方传感器威尼尔传感器编写的。

实验前的准备工作已经准备就绪了，下面就开始了我们的主题工程建设了。