第十五章 樂高機器人程式設計 課程名稱：程式設計 授課老師：李春雄 博士

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1 第十五章 樂高機器人程式設計 課程名稱：程式設計 授課老師：李春雄 博士
第十五章 樂高機器人程式設計 課程名稱：程式設計 授課老師：李春雄 博士 各位同學大家好，我是李春雄老師，本學期所開設的課程名稱為「資料結構」， 今天所要為各位介紹的是第一章「資料結構導論」

2 本章學習目標 1. 讓讀者瞭解樂高機器人的定義、用途及相關的套件。 2. 讓讀者瞭解如何利用藍牙與機器人連線及操控行走。
3. 讓讀者瞭解如何利用「語音操控」及各種「感測器 （Sensor）」控制機器人。 開始： 本章學習目標 有二項：

3 本章內容 15-1 NXT 樂高機器人 15-2 NXT 樂高機器人套件 15-3 藍牙控制樂高機器人的走動
15-4 利用「語音操控」樂高機器人 15-5 使用感測器（Sensor）控制機器人 15-6 NXT 與EV3 比較 1-1 認識資料與資訊的關係: 其中，「資料」轉換成「資訊」必須要經過一連串處理過程，而這一連串的處理過程就是透過「程式」來處理。 1-2 何謂資料結構？ 「資料結構」(Data Structures)主要是探討如何將資料更有組織地存放到電腦記憶體中，以提昇程式之執行效率的一 門學問。 1-3 何謂演算法?演算法就是「解決問題的方法」 1-4 程式設計概念: 步驟1. 分析所要解決的問題 步驟2. 設計解題的步驟 步驟3. 編寫程式 步驟4. 上機測試、偵測錯誤 步驟5. 編寫程 式說明書 1-5 結構化程式設計 利用「由上而下」的技巧，將程式分解成許多個獨立功能的模組。並且每一個模組都是由三種結構所組成。分別為循序結構、選擇結構及重複結構。 1-6 演算法的效率評估 指用來計算某些演算法所撰寫的程式，在經過編譯之後，實際執行所需要的時間。

4 15-1　NXT 樂高機器人 利用手機來玩「遊戲軟體」，已經成為目前現代人的娛樂活動之一了，但是，如果手機又可以控制實體的「機器人」，那就太酷了！在本章節中，筆者將帶領App Inventor 的讀者，完成一件小時候的夢想，那就是利用App Inventor2 中的「LEGO 元件」來開發「樂高機器人」程式。 【定義】 樂高機器人（Mindstorms NXT）是樂高集團所製造的可程式化的機器玩具 [ 註1]。其整組的套件還包含了「感測器」及「連接線」。 圖： 接下來，我們可以從圖1-1來說明「資料與資訊的關係」 當我們「輸入原始成績」之後，如何輸出一張成績單呢？那就必須要透過「程式」來進行處理， 而在資料結構中，程式=資料結構+演算法 註1： 在「機器人」一詞中，它不一定是以「人形」為限，但是，它可以用來模擬人類思想與行為的機械玩具。

5 【優點】 利用「視覺化」的「拼圖程式」來撰寫程式「NXT 樂高機器人」， 可以減少學習複雜的Java 程式碼。
2. App Inventor2 的提供完整的LEGO 元件來控制NXT 機器人的硬體。 圖： 接下來，我們可以從圖1-1來說明「資料與資訊的關係」 當我們「輸入原始成績」之後，如何輸出一張成績單呢？那就必須要透過「程式」來進行處理， 而在資料結構中，程式=資料結構+演算法

6 【用途】 1. 工業上：焊接用的機械手臂（如: 汽車製造廠） 2. 軍事上：拆拆爆裂物（如: 炸彈）
3. 太空上：無人駕駛（ 如 : 探險車） 4. 醫學上：居家看護（ 如 : 通報老人的情況 ） 5. 生活上：自動打掃房子（ 如 : 自動吸塵器） 6. 運動上：自動發球機（如: 桌球發球機） 圖： 接下來，我們可以從圖1-1來說明「資料與資訊的關係」 當我們「輸入原始成績」之後，如何輸出一張成績單呢？那就必須要透過「程式」來進行處理， 而在資料結構中，程式=資料結構+演算法

7 15-2　NXT 樂高機器人套件 　　我們都知道，人類可以用「眼睛」來觀看周圍的事物，利用「耳朵」聽見周圍的聲音，但是，機器人卻沒有眼睛也沒有耳朵，那到底要如何模擬人類思想與行為，進而協助人類處理複雜的問題呢？ 　　　其實「NXT 樂高機器人主機」就是一部電腦（模擬人類的大腦），它是一部具有32 位元核心電腦控制器（包含中央處理單元、記憶體單元），並且有4 個輸入端，用來連接感測器（模擬人類的五官）與3 個輸出端，用來連接馬達（模擬人類的四肢）。 圖： 接下來，我們可以從圖1-1來說明「資料與資訊的關係」 當我們「輸入原始成績」之後，如何輸出一張成績單呢？那就必須要透過「程式」來進行處理， 而在資料結構中，程式=資料結構+演算法

8 【機器人的運作模式】 １．輸入端：類似人類的「五官」，利用各種不同的「感測器」，來偵 測外界環境的變化，並接收訊息資料。
　　測外界環境的變化，並接收訊息資料。 ２．處理端：類似人類的「大腦」，將偵測到的訊息資料，提供「程式」 　　開發者來做出不同的回應動作程序。 ３．輸出端：類似人類的「四肢」，透過「伺服馬達」來真正做出動作。 圖： 接下來，我們可以從圖1-1來說明「資料與資訊的關係」 當我們「輸入原始成績」之後，如何輸出一張成績單呢？那就必須要透過「程式」來進行處理， 而在資料結構中，程式=資料結構+演算法

9 【舉例】 走迷宮的機器人 假設裝組一台樂高機器人的，當「輸入端」的「觸碰感測器」碰撞到障礙物時，其「處理端」的「程式」可能的回應有「直接後退」或「後退再進向」或「停止」動作等，如果是選擇「後退再進向」時，則「輸出端」的「伺服馬達」就是真正先退後，再向左或向右轉，最後，再直走。 圖： 接下來，我們可以從圖1-1來說明「資料與資訊的關係」 當我們「輸入原始成績」之後，如何輸出一張成績單呢？那就必須要透過「程式」來進行處理， 而在資料結構中，程式=資料結構+演算法

10 【NXT 主機常用的四種感測器】 1. 觸碰感測器（NxtTouchSensor 元件）：類似人類的「皮膚觸覺」，來辨識外界「是否被壓」。
2. 聲音感測器（NxtSoundSensor 元件）：類似人類的「耳朵」，來辨識外界「聲音」。 3. 光源感測器（NxtLightSensor 元件）：類似人類的「眼睛」，來辨識「顏色深淺度及光源」 4. 超音波感測器（NxtUltrasonicSensor） ： 類似人類的「眼睛」來辨識「距離」。 圖： 接下來，我們可以從圖1-1來說明「資料與資訊的關係」 當我們「輸入原始成績」之後，如何輸出一張成績單呢？那就必須要透過「程式」來進行處理， 而在資料結構中，程式=資料結構+演算法

11 15-3 藍牙控制樂高機器人的走動 我 圖： 接下來，我們可以從圖1-1來說明「資料與資訊的關係」
15-3　藍牙控制樂高機器人的走動 我 圖： 接下來，我們可以從圖1-1來說明「資料與資訊的關係」 當我們「輸入原始成績」之後，如何輸出一張成績單呢？那就必須要透過「程式」來進行處理， 而在資料結構中，程式=資料結構+演算法

12 15-3.1 開啟NXT 主機的藍牙功能 圖： 接下來，我們可以從圖1-1來說明「資料與資訊的關係」
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13 15-3.2 開啟行動裝置的藍牙功能並與NXT 主機配對
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14 15-3.3 組裝一台樂高機器人 圖： 接下來，我們可以從圖1-1來說明「資料與資訊的關係」
15-3.3　組裝一台樂高機器人 圖： 接下來，我們可以從圖1-1來說明「資料與資訊的關係」 當我們「輸入原始成績」之後，如何輸出一張成績單呢？那就必須要透過「程式」來進行處理， 而在資料結構中，程式=資料結構+演算法

15 15-3.4 撰寫「行動裝置」與「樂高機器人」連線之程式
15-3.4　撰寫「行動裝置」與「樂高機器人」連線之程式 圖： 接下來，我們可以從圖1-1來說明「資料與資訊的關係」 當我們「輸入原始成績」之後，如何輸出一張成績單呢？那就必須要透過「程式」來進行處理， 而在資料結構中，程式=資料結構+演算法

16 行 我 ．．．．． 請參考課本. 圖： 接下來，我們可以從圖1-1來說明「資料與資訊的關係」
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17 15-3.5　撰寫「樂高機器人」走動的拼圖程式 想要讓機器人走動，就必須要先了解何謂伺服馬達（NxtDrive），它是指用來讓機器人可以自由移動（前、後、左、右及原地迴轉），或執行某個動作的馬達。 圖： 接下來，我們可以從圖1-1來說明「資料與資訊的關係」 當我們「輸入原始成績」之後，如何輸出一張成績單呢？那就必須要透過「程式」來進行處理， 而在資料結構中，程式=資料結構+演算法

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20 【伺服馬達（NxtDrive）元件的方法】<續…>
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28 15-4 利用「語音操控」樂高機器人 我 圖： 接下來，我們可以從圖1-1來說明「資料與資訊的關係」
15-4　利用「語音操控」樂高機器人 我 圖： 接下來，我們可以從圖1-1來說明「資料與資訊的關係」 當我們「輸入原始成績」之後，如何輸出一張成績單呢？那就必須要透過「程式」來進行處理， 而在資料結構中，程式=資料結構+演算法

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31 行 圖： 接下來，我們可以從圖1-1來說明「資料與資訊的關係」
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33 15-5 使用感測器（Sensor）控制機器人 在上一單元中，雖然，沒有使用感測器的樂高機器人，也能行走。其功能與一般在市面中的「遙控汽車」沒有兩樣。但是，您是否有想過，機器人的目的就是用來模擬人類的思想與行為。因此，如果機器人缺少了「超音波感測器」來偵測周圍的事物或缺少了「聲音感測器」來偵測周圍的聲音時，往往無法達到某一目標。 舉例來說，當我們想利用「樂高機器人」來幫忙「檢空瓶子」時，如果缺少了「超音波感測器」來偵測前方的物品或障礙物時，往往無法順利完成目標。因此，各位讀者，如果要研究樂高機器人，一定要加裝各種感測器，才能真正模擬「機器人」的各種行為。 圖： 接下來，我們可以從圖1-1來說明「資料與資訊的關係」 當我們「輸入原始成績」之後，如何輸出一張成績單呢？那就必須要透過「程式」來進行處理， 而在資料結構中，程式=資料結構+演算法

34 行 我 圖： 接下來，我們可以從圖1-1來說明「資料與資訊的關係」
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35 15-5.1觸碰感測器（NxtTouchSensor）
【定義】 是指用來感測機器人是否有觸碰到「目標物」或「障礙物」。 【功能】 類似按鈕式的「開關」功能。 1. 用來感測機器人前、後方的障礙物。 2. 用來感測機器人手臂前端是否碰觸到目標物或障礙物。 圖： 接下來，我們可以從圖1-1來說明「資料與資訊的關係」 當我們「輸入原始成績」之後，如何輸出一張成績單呢？那就必須要透過「程式」來進行處理， 而在資料結構中，程式=資料結構+演算法 【運作原理】 當碰觸感測器被壓下（或觸碰）時，則回傳值為1；否則回傳值為0。

36 【應用時機】 1. 機器人前進行走時，如果碰到前方有障礙物時，就會自動轉向 （如：後退、轉彎或停止等事件程序）。如：碰碰車。
2. 在機械手臂前端可利用觸碰感測器偵測是否碰觸到物品，再決定 是否要取回或排除它。如：拆除爆裂物的機械手臂。 3. 線控機器人的操控按鈕。 圖： 接下來，我們可以從圖1-1來說明「資料與資訊的關係」 當我們「輸入原始成績」之後，如何輸出一張成績單呢？那就必須要透過「程式」來進行處理， 而在資料結構中，程式=資料結構+演算法

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45 15-5.2「聲音」感測器（NxtSoundSensor）
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50 15-5.3「光源」感測器（NxtLightSensor）
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51 行 我 圖： 接下來，我們可以從圖1-1來說明「資料與資訊的關係」
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52 【應用時機】 1. 循跡機器人（沿著黑色行走） 2. 垃圾車（循跡車+ 超音波感測器） 圖：
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53 行 我 圖： 接下來，我們可以從圖1-1來說明「資料與資訊的關係」
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60 15-5.4「超音波」感測器（NxtUltrasonicSensor）
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67 行 我 圖： 接下來，我們可以從圖1-1來說明「資料與資訊的關係」
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68 15-6 NXT 與EV3 比較 我 圖： 接下來，我們可以從圖1-1來說明「資料與資訊的關係」
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69 【NXT 與EV3 版本比較】 我 圖： 接下來，我們可以從圖1-1來說明「資料與資訊的關係」
當我們「輸入原始成績」之後，如何輸出一張成績單呢？那就必須要透過「程式」來進行處理， 而在資料結構中，程式=資料結構+演算法

70 行 我 圖： 接下來，我們可以從圖1-1來說明「資料與資訊的關係」
當我們「輸入原始成績」之後，如何輸出一張成績單呢？那就必須要透過「程式」來進行處理， 而在資料結構中，程式=資料結構+演算法

71 行 我 圖： 接下來，我們可以從圖1-1來說明「資料與資訊的關係」
當我們「輸入原始成績」之後，如何輸出一張成績單呢？那就必須要透過「程式」來進行處理， 而在資料結構中，程式=資料結構+演算法