趙鶴然

（山東省實(shí)驗(yàn)中學(xué)西校區(qū)高三45班，山東 濟(jì)南 250000）

樂(lè)高機(jī)器人（Lego Mindstorms）是由丹麥樂(lè)高公司和美國(guó)麻省理工學(xué)院媒體實(shí)驗(yàn)室（Media Lab）合作開(kāi)發(fā)的可編程式、模塊化拼裝機(jī)器人套件，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于青少年科技教育、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、機(jī)器人競(jìng)技比賽等眾多領(lǐng)域。筆者多年跟隨俱樂(lè)部參加培訓(xùn)和比賽，均以樂(lè)高機(jī)器人套件為主要器材，對(duì)其第2代產(chǎn)品NXT和第3代產(chǎn)品EV3都有較多使用。筆者認(rèn)為，盡管二者是新舊兩代產(chǎn)品，但NXT目前亦有一定的優(yōu)勢(shì)。將NXT和EV3進(jìn)行認(rèn)真比較分析，對(duì)在教育培訓(xùn)和競(jìng)賽中用好樂(lè)高機(jī)器人套件，具有一定的指導(dǎo)作用。

1 樂(lè)高機(jī)器人的發(fā)展與系統(tǒng)特征

樂(lè)高公司的模塊化機(jī)器人產(chǎn)品統(tǒng)稱為頭腦風(fēng)暴（Mindstorms），名字來(lái)源于西蒙·派珀特教授1980年出版的著作《頭腦風(fēng)暴：孩子、電腦和超強(qiáng)創(chuàng)意》。樂(lè)高機(jī)器人的設(shè)計(jì)研發(fā)始于1986年，從1998年推出第一代LEGO Mindstorms RCX 開(kāi)始，迄今共推出3代產(chǎn)品，此間還陸續(xù)推出過(guò)若干改進(jìn)版和用于特定套裝的簡(jiǎn)化版（表1）。由于內(nèi)存容量小、編程不便、功能低下等原因，RCX已基本退出市場(chǎng)，而2006年推出的第2代產(chǎn)品LEGO Mindstorms NXT，和2013年推出的第3代產(chǎn)品LEGO Mindstorms EV3，目前均有大量使用。

表1 樂(lè)高機(jī)器人的產(chǎn)品發(fā)展

從第1代RCX開(kāi)始，樂(lè)高機(jī)器人就形成了穩(wěn)定的模塊化結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)由主控模塊（主機(jī)）、伺服電機(jī)、傳感器、技術(shù)零件（齒輪、輪軸、橫梁、插銷等）等4大系列模塊組成。主控模塊是系統(tǒng)的大腦和指令中樞，可通過(guò)編程控制與之相連的外部組件，顯示屏可以反饋相關(guān)信息和狀態(tài)。電機(jī)模塊用于動(dòng)力輸出，通過(guò)接口與主控模塊相連接，接收指令，同時(shí)由主控模塊供電。觸動(dòng)、溫度、距離、光線等各種傳感器，同樣通過(guò)接口與主控模塊相連接，用于采集外部環(huán)境信息。技術(shù)零件是主要的機(jī)構(gòu)組件，用來(lái)將各種模塊連接為一個(gè)整體，它也是最豐富多樣的模塊系列。產(chǎn)品換代以主控模塊的版本升級(jí)和功能改進(jìn)為主，傳感器和電機(jī)模塊亦有相應(yīng)增加或改善，而很多技術(shù)零件在各代產(chǎn)品中是兼容通用的。

除硬件的改進(jìn)外，編程方式也不斷演變，越來(lái)越友好和便于使用。MIT研究人員為第1代RCX開(kāi)發(fā)了基于NI LabVIEW的圖形化編程工具RCX Code，采用一種圖標(biāo)式的程序碼進(jìn)行邏輯操作，通過(guò)拖拽圖標(biāo)模塊并按指令順序連接代碼即可編程，比較適合沒(méi)有編程經(jīng)驗(yàn)者，但它不適合為復(fù)雜項(xiàng)目編程。第2代NXT出現(xiàn)了革命性的NXT-G圖形化編程軟件，簡(jiǎn)稱G語(yǔ)言，對(duì)圖標(biāo)模塊進(jìn)行了簡(jiǎn)化，由400個(gè)減少為40個(gè)。第3代EV3最大的變化是主控模塊自身即可進(jìn)行簡(jiǎn)單編程，而依靠外部計(jì)算機(jī)的編程軟件界面也更加友好和便于使用，它將可更改的參數(shù)置于圖標(biāo)中，更可以通過(guò)簡(jiǎn)單拼接圖標(biāo)達(dá)到復(fù)雜的運(yùn)算效果，還將編程的實(shí)際操作和幫助文檔有機(jī)結(jié)合起來(lái)。當(dāng)然，以上所述均為樂(lè)高公司官方提供的編程軟件，隨著樂(lè)高機(jī)器人的發(fā)展，第3方編程軟件也一直相伴相生，如微軟開(kāi)發(fā)的Microsoft Robotics Studio (MSRS)、卡內(nèi)基梅隆大學(xué)開(kāi)發(fā)的RobotC等，均得到普遍使用。

2 NXT與EV3主控模塊的比較

2.1 NXT主控模塊

NXT基于32位ARM7微處理器，RAM為256K，內(nèi)置USB和藍(lán)牙模塊，具有4個(gè)輸入端口（連接傳感器）和3個(gè)輸出端口（連接電機(jī)），套件中配置了觸動(dòng)、聲音、光電、溫度和超聲波等傳感器，通過(guò)連接組合和編程可以實(shí)現(xiàn)多種功能（圖1）。除了控制系統(tǒng)較RCX大幅增強(qiáng)外，NXT的電機(jī)使用伺服控制，程序執(zhí)行起來(lái)更加精準(zhǔn)。此外，NXT 使用官方提供的NXT 2.0 Programming進(jìn)行編程，也可以使用微軟推出的可視化編程環(huán)境Microsoft Robotics Studio進(jìn)行編程與開(kāi)發(fā)，該軟件能模擬機(jī)器人仿真運(yùn)行，操控較為方便。

2.2 EV3主控模塊

EV3主機(jī)采用300MHz的64位ARM9處理器，基于Linux操作系統(tǒng)，內(nèi)置16MB的ROM和64MB的RAM。EV3主機(jī)有4個(gè)輸入端口及4個(gè)輸出端口，另有一個(gè)用于數(shù)據(jù)和程序傳輸?shù)木幊探涌诤鸵粋€(gè)可連接WIFI通信模塊的USB2.0接口；一個(gè)mini SD卡擴(kuò)展槽，支持最高32GB的micro SD外置存儲(chǔ)卡。EV3主機(jī)支持USB2.0、藍(lán)牙和WIFI與PC、移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行通訊，可通過(guò)iOS、Android系統(tǒng)的移動(dòng)設(shè)備App進(jìn)行控制，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單改造，甚至可以支持簡(jiǎn)單的人機(jī)交流。EV3的傳感器類型更加豐富，增加了陀螺儀傳感器、壓力傳感器、紅外傳感器等，可以實(shí)現(xiàn)更多的外界環(huán)境感知，進(jìn)而使機(jī)器人更為智能。

圖1 樂(lè)高機(jī)器人3代主控模塊外觀圖

2.3 性能比較

NXT和 EV3主控模塊的基本性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

顯然，與上一代產(chǎn)品NXT相比，EV3的整體性能有大幅提升，其運(yùn)算速度、數(shù)據(jù)處理能力、通訊能力等方面都優(yōu)于NXT，主要表現(xiàn)在3個(gè)方面。首先，與NXT的封閉系統(tǒng)不同，EV3運(yùn)行的是基于Linux的開(kāi)源操作系統(tǒng)，這意味著機(jī)器人幾乎就是一臺(tái)完整的計(jì)算機(jī)，使用者無(wú)須借助額外的計(jì)算機(jī)，即可在EV3主控模塊上進(jìn)行簡(jiǎn)單編程。更為強(qiáng)大的是，通過(guò)針對(duì)性的Linux編程支持，可以突破樂(lè)高產(chǎn)品套件的限制，將任何設(shè)備與EV3相連接，例如用于無(wú)線連接的WiFi加密狗、USB鍵盤(pán)或網(wǎng)絡(luò)攝像頭等，均可通過(guò)USB接口連接到EV3主控模塊，實(shí)現(xiàn)更多的功能。其二，與NXT相比，EV3有更強(qiáng)大的主控模塊串聯(lián)能力。盡管通過(guò)藍(lán)牙通訊，NXT主控模塊間可以進(jìn)行連接，但連接過(guò)程較為復(fù)雜，并容易受外界信號(hào)干擾而失穩(wěn)。EV3有菊鏈（Daisy-Chain）接口，可以用USB串接主控模塊，可連接多達(dá)4個(gè)EV3主控模塊，因此實(shí)現(xiàn)在一個(gè)機(jī)器人上控制16個(gè)電機(jī)和16個(gè)傳感器。配合外置micro SD卡存儲(chǔ)，EV3可以進(jìn)行復(fù)雜的編程和大量數(shù)據(jù)的處理，實(shí)現(xiàn)高度復(fù)雜的動(dòng)作和功能。其三，作為新一代產(chǎn)品，EV3向后兼容，NXT套件中的電機(jī)和傳感器均可用于EV3，與EV3套件模塊混合搭配使用，即便是最早版本的NXT 觸動(dòng)傳感器，經(jīng)過(guò)修改也能夠與EV3兼容。但EV3傳感器無(wú)法用于NXT主控模塊。EV3的官方編程軟件可以對(duì)NXT進(jìn)行編程， EV3軟件能夠辨識(shí)和顯示NXT設(shè)備，也就是說(shuō)，NXT的用戶也可以下載EV3編程軟件進(jìn)行編程操作。相反，NXT軟硬件不可兼容EV3。

表2 NXT和 EV3主控模塊的基本性能指標(biāo)比較

盡管EV3整體上更勝一籌，但作為老一代產(chǎn)品，NXT仍然有一定優(yōu)勢(shì)，特別是針對(duì)特定使目的和特定人群來(lái)說(shuō)，NXT有值得偏愛(ài)之處。第一，傳感器是機(jī)器人功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，樂(lè)高套件提供的傳感器畢竟種類有限，類型豐富的第3方傳感器是實(shí)現(xiàn)特殊功能的必備 組 件。HiTechnic，Mindsensors和 Dexter Industries等第三方生產(chǎn)商針對(duì)NXT開(kāi)發(fā)了大量的傳感器，但這些傳感器必須專門(mén)創(chuàng)建編程模塊，才能用于EV3。目前，HiTechnic公司已推出I2C總線通訊、模擬傳感器和顏色傳感器三種程序模塊，支持與EV3的連接，但總體上第三方傳感器軟件支持的跟進(jìn)尚在繼續(xù)，導(dǎo)致EV3在傳感器可用性上，目前與NXT相比稍顯不足。第二，為更精確地進(jìn)行市場(chǎng)定位，EV3加強(qiáng)了定型化設(shè)計(jì)，目前推出的家庭版和教育版均為定型化教育機(jī)器人產(chǎn)品，特定的套件實(shí)現(xiàn)有限的功能，如擴(kuò)展功能，則需再單獨(dú)購(gòu)置程序和擴(kuò)展包，其經(jīng)濟(jì)代價(jià)較高。相比而言，NXT更為廉價(jià)，支持LABview和RobotC的編程，各種擴(kuò)展功能較多，加1塊HiTechnic的Prototype Board，甚至可以做數(shù)據(jù)采集卡。EV3的Linux系統(tǒng)緩慢的開(kāi)機(jī)速度和較為有限的編程軟件，并不能令高級(jí)用戶滿意。對(duì)于高級(jí)用戶來(lái)說(shuō)，NXT依靠編程和增加傳感器，也能夠非常廉價(jià)地實(shí)現(xiàn)EV3的很多功能。

3 功能適用性分析

基于以上NXT與EV3主控模塊的性能比較，可以認(rèn)為，目前EV3比NXT更有整體優(yōu)勢(shì)，但NXT暫時(shí)無(wú)法完全被替代。NXT價(jià)格低廉，具有很好的擴(kuò)展性和豐富的外設(shè)支持，比較適合高級(jí)用戶在預(yù)算緊張的情況下進(jìn)行復(fù)雜的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和機(jī)器人競(jìng)賽項(xiàng)目搭建。另外，由于NXT的操作界面、編程較為簡(jiǎn)單，更適合初學(xué)者入門(mén)學(xué)習(xí)使用。由于數(shù)據(jù)處理能力有限，存儲(chǔ)空間小，NXT不適合高度復(fù)雜的編程，比較適合相撲、投籃等一些簡(jiǎn)單的比賽。EV3作為專為定型化的教育機(jī)器人產(chǎn)品，更適合用于機(jī)器人教育普及課堂和有一定基礎(chǔ)的青少年使用。對(duì)于高級(jí)用戶而言，在經(jīng)費(fèi)充足的情況下，通過(guò)增購(gòu)程序、設(shè)備和復(fù)雜的編程，EV3可以實(shí)現(xiàn)高度復(fù)雜的功能，比較適合WRO等高級(jí)機(jī)器人比賽。當(dāng)然，EV3畢竟是全面更新?lián)Q代的樂(lè)高機(jī)器人產(chǎn)品，具有NXT不可比擬的潛力，隨著外圍支持的發(fā)展和使用者的增多，EV3全面勝過(guò)NXT，只是時(shí)間問(wèn)題。