A LEGO Mindstorms NXT programozása

A LEGO Mindstorms NXT

A LEGO a hagyományos konstrukciós játékok készítése mellett már több mint két évtizede foglalkozik robotokkal. A cég a Mindstorms szériát 1998-ban indította útjára, ennek egyik elsõ típusa az intelligens téglaként is nevezett RCX. Az NXT a LEGO legújabb generációs programozható robotkészlete. A LEGO Mindstorms NXT honlapja részletesen bemutatja a készletet, a továbbiakban én csak a legfontosabbak tudnivalókat írom le.

A következõ kép a készlet központi részét, az NXT egységet ábrázolja. (Az oldal képei a LEGO Mindstorms honlapjáról valók, a filmek saját készítésûek.)

Az NXT készlethez a közismert Technic építõelemeken és a központi egységen kívül hozzátartozik 3 szervómotor és 4 különbözõ szenzor.
Az NXT alapú robot szervómotorainak segítségével tud bármiféle mozgást végezni, így kereken gurulni, járni vagy tárgyakat emelni. A motorok sajátsága, hogy elfordulásérzékelõt tartalmaznak, így az általuk végrehajtott elfordulás lekérdezhetõ, illetve viszonylag finom mozgás kivételezésre adódik lehetõség.

A 4 önálló szenzortípus különbözõ érzékelési modalitásokban mûködik. Az érintésérzékelõ az eszköz végén lévõ gomb benyomódását, felengedését jelzi vissza. A fényérzékelõ a fény erõsségérõl tájékoztat. A hangérzékelõ különféle hangmintákat ismer fel. Az ultrahangos érzékelõ a tárgyakról visszaverõdõ ultrahang segítségével határozza meg a környezet elemeinek távolságát.

érintésérzékelõ	fényérzékelõ	hangérzékelõ	ultrahangos érzékelõ

Építhetõ robotok

Az alaptípusok

Tribot

Az építés során elsõ lépésként az alapjármû készül el, melyben két motor segítségével már önálló mozgást lehet végezni. A következõ rész a nyomásérzékelõ beépítése, amivel az akadálynak való frontális ütkõzést lehet észlelni. Ezután jelennek meg a robot elején a fogókarok, melyek a harmadik motor felhasználásával már a készletben lévõ labdák szállítására is alkalmasak. A következõ két lépésben kerül a robot tetejére a hangérzékelõ, aljára a fényérzékelõ. Utóbbival a padló színének változása követhetõ. Végezetül a robot elején megjelenõ ultrahangos érzékelõ a tárgyakhoz való közeledést már az ütközés elõtt is jelezheti a robotnak.

A következõ film a TriBot utolsó fázisának elkészítése utáni mûködését mutatja. A robot a tesztpályán elindul, ha az ultrahangos érzékelõvel valamilyen akadályt érzékel maga elõtt, jelen esetben az odahelyezett labdát. Ezután megáll, amint az akadályhoz ér a nyomásérzékelõ szerint. Valamilyen zajra, tapsra megfogja a labdát, megfordul, visszamegy a kiindulási pontra, amit a fényérzékelõ vesz észre, a tesztpálya fekete csíkjához érkezve. Ott a robot elengedi a labdát.

Az elõbbi viselkedésért egy egyszerû, lineáris felépítésû program a felelõs, ahogy az a következõ képen látható, mely egyúttal a LEGO MindStorms NXT Software környezetet is megmutatja.

A kész program forrása.

RobotArm

Spike

A robotot és a hozzá tartozó kódot Salamon András készítette el. Ennek eredményeként a skorpió egyenesen, bár nem túl gyorsan halad elõre a nyílt terepen. Ha 30 centiméternél közelebb valami megjelenik az ultrahangos érzékelõje elõtt, akkor hátrálni kezd. Ha ennél is kisebb, néhány centiméteres távolságra közelíti meg valami, akkor sarokba szorított állat módjára kezd el támadni, ami annyit jelent, hogy a harmadik motorhoz kapcsolt szerkezetet, azaz a farkát villámgyorsan elõrenyújta és lecsap áldozatára. Amennyiben a nyomásérzékelõ találatot jelez, akkor a kar visszahúzódik helyére.

A skorpióhoz tartozó program ábráján látható, hogy az már összetett programozási struktúrákat, azaz elágazást és ciklust is tartalmaz.

A kész program forrása.

Alpha Rex

A robot felépítésének összetettségét az alábbi film is bemutatja.

Ugyanakkor a robot korlátai is érzékelhetõk: a járás igazából lábemelés nélküli csoszogás, így Alpha Rex már egy szõnyeget sem képes megmászni. Ezen kívül a haladás eléggé bizonytalan, kevésbé iránytartó, mint a kerekeken gurulás, és természetesen lényegesen lassabb is. Vagyis ezen mozgásforma NXT-beli változata egyelõre nem alternatívája a gurulásnak, csupán egy érdekes kísérletként értelmezhetõ.
Az alábbi film a robot járását mutatja be.

A járás programjának forrása.

A humanoid robot is gyerekbarátabbá tehetõ a szenzorok használatával. Erre példa a táncoló változat. Ez a robot a nyomásérzékelõ érintésekor megszólal (Play music!), majd jobbra-balra mozgatni kezdi a derekát. Ha a kérésének megfelelõen zenét játszunk le (illetve bármilyen zajt keltünk a hangérzékelõ környezetében), akkor fejét ingatja, karjait emelgeti, ahogy az az alábbi felvételen is látható.

A kész program forrása.

Általános tapasztalatok

• Az NXT a LEGO készletek közül az egyik legdrágább, a valódi robotot tartalmazó programozási környezetek közül pedig az egyik legolcsóbb. Az alapcsomag nagyjából 70 ezer Ft-ért már kapható.
• Az elõre összeállított, nem módosítható robotokhoz képest elõnye az átépítéseknek köszönhetõ flexibilitás.
• Nagyon összetett formájú robot építhetõ a teljes LEGO technic arzenál felhasználásaval.
• A szenzorok valódi robotokhoz képest elég egyszerûek, kis érzékelési tartománnyal. Ezért érdemes azonos típusú, de komolyabb érzékelõket felhasználni és új fajtákat is bevezetni (giroszkóp, GPS, kamera).
• Kevés a szenzor, azonos típusúból is többre lenne szükség. Az alap négy érzékelõn kívül továbbiak (más típusúak is) vásárolhatók. Ezek relatív magas ára miatt érdemes meggondolni egy második Mindstorms készlet beszerzését.
• A szenzorokra és motorokra kevés csatlakozás jut. Például egy labda hozzávetõleges irányát meghatározó szonarrendszer kialakításához máris több mint 4 szenzorra van szükség. Ez csak speciális hardverrel lehetséges. A motorok számának korlátozása a növekvõ energiaigény miatt is ésszerû, de ezzel sajnos túl kevés szabadságfok biztosítható.
• A beépített robotok építése jól dokumentált, építésük viszonylag gyorsan halad. Nehézséget inkább a sok kis alkatrész keresgélése jelent, ami nem kifejezetten izgalmas.
• Az alappéldákhoz tartozó programok kifejezetten egyszerûek. A készlet összeállítói ezt azzal próbálják ellensúlyozni, hogy az egymásra épülõ programok újabb szintjének felépítését elõlrõl mutatják be. Pozitív megfogalmazásban ez annyit jelent, hogy a szerényebb absztrakciós képességû gyerekekre is gondoltak.
• A fenti két megjegyzésbõl következõen a fejlesztés hardver/szoftver aránya így nagyon a hardver felé tolódik el. Komolyabb programfejlesztéshez valószínûleg célszerû megépíteni egy az igényeknek megfelelõ robotot, majd sokféle kísérletet elvégezni rajta külonféle programok, vezérlések megírásával.
• A példarobotok rendkívül elegáns építmények, látszik rajtuk, hogy szakértõk tervezték õket. Megközelítõen jó struktúrájú, funkcionálisan megfelelõ saját robot tervezéséhez sok gyakorlás szükséges.
• A hardver gyenge pontja a kábelezés. 3 motor és 4 szenzor bekötését kell megoldani úgy, hogy a kábelek ne akadályozzák egymást és a robot mozgását sem. Ez egyáltalán nem egyszerû. Különösen komoly problémát jelenthet, ha egy szenzor vagy egy motor a robot mozgó részén van, mivel így a kábelnek is mozognia kell.
• A szenzorok, ahogy az a robotikában megszokott, igen érzékenyek a környezetre. Egy fénymérés eltérõ eredményt ad napos és felhõs idõben, távolságmérés eredménye változik az érzékelt felület anyagi minõségétõl függõen. Erre a problémára általános megoldást adni a robotika legnagyobb kihívásai közé tartozik.
• 6 ceruzaelemre - inkább akkura - van szükség a mûködéshez. Ezek intenzív használattal, vélhetõen a robot nagy súlya miatt elég hamar lemerülnek. Ez még önmagában nem lenne baj, de az már probléma, hogy az energiafogyás kijelzése nem az igazi, mivel nagyon hirtelen válik szinte mûködésképtelenné az NXT. Ezért két kísérletezési alkalom között célszerû mindig tölteni.

További hasznos oldalak

Köszönetnyilvánítás

Örömmel veszem az építõ jellegû kritikát, az oldallal kapcsolatos kommentárokat, kiegészítéseket a rics@nospam.inf.elte.hu (a nospam rész törlendõ) címre.