樂高NXT與威尼爾傳感器優(yōu)化整合的實踐研究

韓唯偉+倪敏+張鵬

摘要：本文的目的是利用樂高機器人NXT與美國威尼爾公司生產(chǎn)的各種傳感器的整合，來展示機器人在學校實驗教學里的強大功能，讓更多的學生真正地了解機器人工作的原理，認識樂高NXT和威尼爾傳感器。并借助樂高NXT和威尼爾傳感器來探索、研究、開發(fā)更多的智能機器人。

關鍵詞：樂高NXT；威尼爾傳感器；教學實驗

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）03-0056-03

智能機器人的形成與傳感器的應用是分不開的，樂高機器人NXT搭配的是威尼爾傳感器。威尼爾公司研發(fā)和生產(chǎn)的大量傳感器已經(jīng)在很多學校的實驗教學中得以使用。例如：使用距離傳感器可以輕而易舉完成單擺實驗中擺球的位移、速度、動量、動能等物理量的測量，并且可以把每個物理量的圖像清晰直觀地描繪出來。有了威尼爾傳感器的加入之后，樂高NXT機器人不僅可以滿足學校的教學所需，還增加了很多新功能，并且這些功能趨于生活化，處理功能強大、可以啟發(fā)學生無限創(chuàng)意的樂高機器人NXT結合數(shù)據(jù)采集精確、種類豐富的威尼爾傳感器在下面的實驗里將會展現(xiàn)完成各種實驗的非凡效果。

一、樂高NXT、威尼爾傳感器及應用軟件ROBOLAB的簡介

1.樂高NXT機器人。樂高NXT機器人的心臟系統(tǒng)是一個32位的微型處理器，可以經(jīng)由PC或Mac操作程序。[1]這是所有器件中最不可或缺的角色，因為其他所有的附件都是為它服務和充實的。樂高積木類型很多，有搭積木建結構必須的梁、插銷、軸、鏈條、齒輪、渦輪等。有了這些積木你可以發(fā)揮想象和創(chuàng)意搭建任意你可以想的出來的結構，這對于我們后面的設計實驗不無裨益。如果說樂高積木是樂高機器人的身體的話，那么傳感器就是機器人的各種“感受器官”和“執(zhí)行器官”了。在樂高機器人的配件里有觸動傳感器、聲音傳感器、光強傳感器、超聲波傳感器、角度傳感器（同時也是機器人轉(zhuǎn)動馬達）等。

2.應用軟件ROBOLAB?？梢杂米骶帉憳犯邫C器人程序的軟件有很多種，ROBOLAB就是其中之一。這是由樂高集團、美國塔輔茨大學和美國國家儀器公司以LABVIEW為基礎，對其編程環(huán)境做了一些改變，轉(zhuǎn)為教學應用開發(fā)的機器人和數(shù)據(jù)采集編程軟件。[2]我們選擇可以參與教學開發(fā)和數(shù)據(jù)采集的ROBOLAB2.9軟件。就ROBOLAB軟件使用的效果來看，是一個比較簡便、直觀、易操作的G語言軟件，在編程時只需要把程序圖標放在圖標窗口，然后按照邏輯順序用線條連起來，這樣就完成了編程。

3.威尼爾傳感器。作為樂高NXT配件的以上五種傳感器顯然不能滿足教學中實驗中要測量的物理量種類的要求。所以我們還需要其他功能的傳感器，例如：力傳感器、位移傳感器、溫度傳感器、磁傳感器、加速度傳感器等。威尼爾傳感器是專門為科學教育而研發(fā)的產(chǎn)品，它適用于高中物理、高中化學、高中生命科學、地球科學、水質(zhì)分析、小學及初中科學、課堂探究及野外實驗。威尼爾提供了超過55種不同類型特點的傳感器，[3]足夠我們武裝智能樂高NXT機器人并在教學基礎課程、研究型、探究性學習中甚至生活中應用了。

二、樂高機器人NXT與威尼爾傳感器整合的實驗案例

1.雙范圍力傳感器控制機器人行走。在物理教學實驗中，力傳感器扮演著十分重要的角色，在眾多的物理實驗里，例如：牛頓第三定律，簡諧振動，摩擦力的測量等，力傳感器被廣泛的應用。設計一個用力傳感器來控制機器人的前進與后退，甚至轉(zhuǎn)彎。這樣一來，就實現(xiàn)了不同的物理量之間的轉(zhuǎn)換和顯示，把力的大小轉(zhuǎn)化為機器人行駛的方向（如下頁圖1）。

我們要求機器人能夠做到以下幾點：①機器人能夠?qū)崟r顯示由力傳感器采集的力的大?。虎跈C器人在力大于5N的情況下，向前進4秒，然后停止2秒鐘，在力小于5N的情況下，后退4秒，然后停止2秒；③以上的程序一直被執(zhí)行。

為了實現(xiàn)上述的功能，我們要用到以下威尼爾傳感器模塊。①威尼爾傳感器容器。它的功能是把傳感器采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為整型放入容器里。NXT書寫框。在里面填寫程序注釋，顯示在NXT的LCD屏幕上。②字符顯示框。為采集器采集的物理量命名。在LCD屏幕上顯示采集的物理數(shù)值。③威尼爾分支結構。采集的數(shù)據(jù)將與人為設定的數(shù)值進行比較，做出判斷后執(zhí)行相應的程序。[4]在ROBOLAB2.9.4的下面板中，編寫邏輯程序賦予機器人上述功能。在程序中使用跳轉(zhuǎn)循環(huán)使得程序不斷的運行直至按下停止按鈕令其停止。程序編寫完畢，通過USB接線把程序下載到NXT中。運行程序，用力拉拽雙范圍力傳感器的金屬鉤，改變拉力的大小，此時NXT的LCD的屏幕上就顯示出拉力的大小，同時注釋的內(nèi)容也會顯示在屏幕上（如圖2）。機器人開始行走，隨著拉力改變，改變相應的行走方向。

通過與樂高NXT的整合，雙范圍力傳感器不僅完成了測量任務，還把采集的力的大小轉(zhuǎn)化成了機器人的行走方向，實現(xiàn)了力大小向行為的轉(zhuǎn)化。

2.智能澆花機器人。使用威尼爾土壤濕度傳感器與樂高NXT整合，我們可以研發(fā)出來一臺智能澆花機器人。我們開發(fā)的這臺智能澆花機器人不僅具備了定時澆花的功能，而且還具備了根據(jù)土壤濕度需要進行自動澆花的優(yōu)點。一般的澆花是通過向植物葉片噴水的方式進行澆灌，這臺自動澆花機器人不僅可以做到這點，它還可以通過植物根部進行澆灌。

這臺機器人的原理是：通過馬達的不斷轉(zhuǎn)動，帶動打氣筒不斷的打氣，使得汽缸瓶里面的氣壓持續(xù)的上升，汽缸通過一根橡皮管與密封的裝有水的瓶子連通，于是會引起密封瓶里面的氣壓上升，從密封瓶子里引出一根橡皮管，水就會被擠壓出來，這樣就可以給植物澆灌了。為了做到同時給植物的葉片和根部同時澆灌，可以同時從密閉的瓶子里引出兩根橡皮管。圖3就是搭建的自動澆花機器人裝置。

為智能澆花系統(tǒng)設計程序。樂高NXT與威尼爾土壤濕度傳感器整合后能夠根據(jù)土壤的濕度判斷是否該給土壤澆灌水了，同時要實時的把土壤的濕度測量并顯示在樂高NXT上。在這里要用到傳感器容器模塊，選擇土壤濕度容器，把土壤濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)放入容器中，然后通過NXT字符顯示模塊把容器里面的整數(shù)型值顯示在LCD屏幕上，有了具體的土壤濕度值后，根據(jù)植物生長所需水分的需要設定一個土壤濕度比較值，當傳感器測量的土壤濕度值小于植物生長需要的土壤濕度時，執(zhí)行澆灌程序。針對本實驗裝置，令馬達轉(zhuǎn)動，即可實現(xiàn)澆水，同時音樂響起以示澆灌開始。6秒鐘后，以上的動作停止，然后等待4秒鐘，讓剛剛澆灌的水分滲入土壤，改變土壤的濕度狀況。添加跳轉(zhuǎn)模塊，跳轉(zhuǎn)到程序的第一步驟，重復以上的步驟，如果測量到土壤的濕度已經(jīng)達到設定值時，馬達不轉(zhuǎn)動，然后繼續(xù)跳轉(zhuǎn)程序。

三、案例分析與評價

雙范圍力傳感器控制樂高機器人可以作為物理實驗的一個范例，這個范例可以啟發(fā)學生創(chuàng)造更多有趣和實用的傳感器機器人。簡單的樂高NXT行走結構與雙范圍力傳感器，就構成了一個小型的機器人。執(zhí)行程序、用來控制機器人的大腦就是樂高NXT，它是機器人運轉(zhuǎn)的控制中心。威尼爾雙范圍力傳感器就是機器人的“感覺器官”。通過傳感器采集外部的物理信息，再把信息反饋到控制中心NXT，接著機器人就根據(jù)物理信息執(zhí)行任務。如此看來，這個機器人的構造和運作過程簡單易懂。作為基礎整合案例，實驗中采用威尼爾雙范圍力傳感器當作機器人的“感覺器官”。一個智能機器人不僅可以感受外界施加的力大小，還可以感受其他的物理因素。這就需要給樂高NXT機器人添加其他類型的傳感器了。給機器人加上了“溫度感覺器官”，就使得機器人對溫度有了敏感的感受。生活中有很多的物理因素是人們每天都要接觸的，為了讓樂高NXT機器人還可以感受更多的物理因素，只要把其他類型的威尼爾傳感器與樂高NXT相整合，就可以實現(xiàn)。在“智能澆花機器人”試驗中把威尼爾土壤濕度傳感器與樂高整合，就誕生了“智能澆花機器人”，就使得機器人對土壤濕度有了反饋，從而實現(xiàn)土壤濕度的變化影響機器人的行為；同樣，還可以使用加速度傳感器與樂高NXT結合，測量物體的加速度，制成“加速度報警機器人”，也可以實現(xiàn)加速度傳感器控制機器人行為等。樂高NXT機器人與威尼爾傳感器整合后所具備的反饋機制，成為了不同物理量之間進行任務轉(zhuǎn)化的橋梁，因此對于教學探究是很有益處的！通過將樂高NXT與威尼爾傳感器的整合在物理、化學、生物學科中的實驗應用，我們可以發(fā)現(xiàn)二者的整合帶來的優(yōu)越性：[5]（1）清晰地展示了構造智能機器人的過程。可以說在各個學科實驗里，每個智能機器人的誕生都經(jīng)歷了三個步驟——提出機器人功能假設；搭建機器人結構，選擇所需傳感器；為智能機器人編寫功能程序。學生可以充分利用樂高提供的搭建平臺，發(fā)揮自己的想象力和構造力，設計創(chuàng)造出種類繁多，造型各異的機器人。（2）開放的多功能實驗平臺。樂高機器人NXT與威尼爾傳感器的整合不僅滿足了基本的數(shù)據(jù)測量和采集功能，還實現(xiàn)了不同的物理量之間的任務轉(zhuǎn)換。在“雙范圍力傳感器控制機器人行走”實驗中，機器人把采集到的力的大小轉(zhuǎn)化為馬達轉(zhuǎn)動的方向，進而轉(zhuǎn)化為可視化的機器人行走方向；在“智能澆花機器人”實驗中，把土壤濕度轉(zhuǎn)化為馬達轉(zhuǎn)動的時間，實現(xiàn)了機器人在一定條件下智能執(zhí)行任務的愿望。因此，二者的整合使得實驗平臺更加寬廣，功能更加強大。（3）促進探究實驗發(fā)展。由于威尼爾傳感器的種類豐富，例如：紫外線傳感器、水流速率傳感器、光傳感器、二氧化碳傳感器、氧氣傳感器、相對濕度傳感器等，都可以充當探究實驗的“主力軍”。威尼爾提供的教學中極少見的傳感器更是為學生拓展課外知識，探究生活提供了強有力的“武器”。這些傳感器的測量對象都是生活中耳熟能詳?shù)?，使用威尼爾傳感器能夠極大的激發(fā)學生對探究實驗的興趣，從而促進探究實驗的發(fā)展。（4）鍛煉了學生的邏輯思維。在實驗案例里面，采用了樂高ROBOLAB圖形化編程軟件進行程序編寫。圖形化的ROBOLAB編程軟件適合各個年齡段的學生使用，程序的編寫方式類似于做邏輯表達，所以在基于ROBOLAB編程環(huán)境進行程序編寫，需要清醒的頭腦，清晰的邏輯。程序編寫完畢后通過樂高USB數(shù)據(jù)傳輸線傳送至機器人記憶體中即可檢驗邏輯程序編寫情況。如果程序編寫失誤，通過反復修改程序，傳送至機器人多次驗證，給了學生鍛煉邏輯思維的好機會。

本文的實驗案例展示的只是樂高機器人NXT與威尼爾整合產(chǎn)生案例的冰山一角，介紹了如何操作樂高NXT與威尼爾整合的基本原理和方法。更多實用、有趣和充滿挑戰(zhàn)的實驗還有待科學和教育工作者去探索、研發(fā)。樂高機器人可同時支持連接4個樂高NXT傳感器適配器，因此還可以研發(fā)出有多個威尼爾傳感器接入樂高機器人的大型化和功能復雜化的機器人。諸如此類的實驗機器人通過樂高NXT與威尼爾的整合，它們在學校實驗教學，以及生活中一定能夠發(fā)揮重要的作用，為更多的學生提供發(fā)明創(chuàng)造的平臺。

參考文獻：

[1]芙蓉，王向豐.樂高TNT機器人的編程軟件的教學和實踐[J].中國校外教育，2014，（9）：164.

[2]王磊.精通LabVIEW8.0[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[3]劉洋，吳廣國.利用Vernier傳感器演示電路中的自感現(xiàn)象[J].實驗教學與儀器，2015，（3）：29.

[4]張明.樂高機器人轉(zhuǎn)彎問題的探討[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2007，（5）：104.

[5]曹海華.基于樂高的機器人活動設計與實踐[J].機器人教育，2013，（4）：62.

The Reash of Optimization and Integration between Lego NXT and Neil Sensor

HAN Wei-wei，NI Min，ZHANG Peng

（College of Mathematics and Physics，Shanghai Normal University，Shanghai 200234，China）

Abstract：The purpose of this paper is to show the strong function of the robots that made of LEGO NXT and Vernier sensor used in the experiment at school.Then we hope more and more students to master the theory of making robot，know LEGO NXT and Vernier sensor .More people will take part in exploring and researching robots.

Key words：LEGO NXT；vernier sensor；experiment