作者：（美）Marziah Karch 卡奇
出版社：人民邮电出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
乐高EV3机器人搭建与编程试读：
前言
如果你正在寻找不需要焊接电线或学习高深的编程语言就能够一窥机器人奥妙的方法，那么LEGO MINDSTORMS EV3正是你要找的。你可以通过LEGO连接部件和图形界面来搭建机器人并为其编程。当你准备好接受新挑战的时候，你还可以破解操作系统并使用更高级的编程语言，如Java。你还可以把几个EV3机器人连接起来，让它们具有更强的计算能力或者让它们互相之间实现无线通信。
当你准备好分享你的项目时，第一LEGO机器人联赛（First LEGO Robotics Leagues）、 LEGO 机器人俱乐部以及LEGO 机器人主题营都是不错的平台。即使你是青少年或成年人，也可以尽情地与LEGO机器人为伴。我就曾经在得克萨斯州的奥斯汀举办的SXSW互动节上，在一个谷歌赞助的展台帮忙搭建了机器人。其中的比赛甚至包括破解一款安卓手机的应用，使它可以作为机器人的遥控器。参加比赛的没有一个是青少年，然而大家都兴奋得像糖果店里的孩子。
EV3是一款对各年龄段都适用的理想套装，不仅因为它是一款做工扎实的玩具，含有学习搭建所需的一切，更因为你不需要被既有的东西所限制。 Cubestormer 3是魔方世界纪录保持者，它主要由EV3部件和一部三星Galaxy S4手机打造而成。一位12岁的创意少年用EV3搭建了廉价盲文打印机的原型。更多详情请参见第12章。
EV3已经远远超出了人们对传统玩具的期待。它所提供的创意玩法，可以让你有机会去解决问题，进行工程设计和搭建，并且寓教于乐。
本书旨在给你作入门指导。书中的所有项目都适合各年龄段的新玩家，无论是在教室集体操作还是独立搭建。本书尽可能地既告诉大家操作步骤，又解释这样做的原因。仔细阅读本书， 拆解项目，并改善它们。努力去做，别再抱怨说，你的地板清洁机器人不能发邮件告诉你地板已经清理完毕，或者不能爬楼梯。
失败是成功之母，在失败中能学到更多。在阅读本书的时候，你可能偶尔会遇到某些项目在第一次尝试的时候无法工作。这其中大部分都是故意安排的，不过别担心，我会解释清楚哪里出错了以及如何修正错误。这是学习的一部分，当你从头到尾学习过之后，你会成为一个更好的搭建者。
EV3现在有两个版本正在发售。从玩具店买到的多半是EV3家庭版，而那些从第一LEGO机器人联赛或者学校订购的则更可能是LEGO教育版。不过别担心，本书已将两个版本都涵盖在内。本书内容
第1章“盒子里有什么”：这一章介绍了EV3家庭版所包含的部件和零配件，包括内含的传感器、电机以及测试轨道等。
第2章“LEGO教育版盒子里有什么”：这一章介绍了EV3教育版套装所包含的部件和零配件。即使你没有这个套装，也可以单独购买很多部件，所以这个整体介绍可能会给你一些新的启发。
第3章“比较EV3和NXT”：如果你玩过老版本的LEGO MINDSTORMS，你可能想知道EV3有哪些不同和改进。
第4章“搭建第一个机器人”：这一章介绍了LEGO提供的演示机器人，并提供了一些你在搭建的时候应该注意的小提示。
第5章“搭建LEGO教育版机器人”：这一章介绍了LEGO教育版的演示机型，并指导大家从自平衡机器人到陀螺工厂的各种机器人的搭建。
第6章“改造成品”：当你开始搭建之后，就没有必要再“重新发明轮子”。充分利用你从演示机器人中学到的东西来做点儿新东西吧。
第7章“编写第一个EV3程序”：这一章将利用在第6章搭建的机器人教你如何编写第一段程序。本章同时也展示了如何用不同的方式来编写相同的程序。
第8章“更多的机器人编程：巡线机器人”：这一章更加深入地介绍了编程相关的内容。你将学到变量和流程图的相关知识，希望这些知识能帮助你像程序员那样思考。
第9章“地板清洁机器人”：在本章中，你将学习如何打造一款自适应的机器人，它在为你清洁地板的时候可以自主导航和避免碰撞。
第10章“神奇的彩色扑克魔术”：与搭建车辆不同，这一章的重点在于让机器人能够通过颜色识别纸牌并做出相应操作的复杂的工程设计工作。
第11章“菊链项目”：在这一章中，你要把两个EV3机器人连接起来并看它们是如何通信的。你还将探索EV3机器人之间的无线连接。
第12章“扩展玩法”：本章将探索如何安装leJOS——一个支持Java编程的第三方操作系统。你还将看到机器人科技俱乐部、机器人装饰以及其他品牌玩具中与EV3兼容的部件。
附录“名词解释”：附录是对本书中经常出现的一些名词所做的解释。如何使用本书
纵览本书，你会发现有许多“注意”和“提示”。
提示
提示是一些很有用的信息，能帮助你避免问题或者提高效率。
注意
注意是一些关于相关主题的额外信息。它们可能会标注出一些很棒的未来值得学习的地方。第1章盒子里有什么
你知道LEGO推出了一款可编程的机器人吗？当然，这就是你购买这本书的原因。 EV3是LEGO MINDSTORMS系列的第三代。相比NXT 2.0，这个版本有更智能的处理器、新的传感器和新的组件。除此之外，它还具备更多你喜欢的东西。在第4章中，我们会展示几个机器人案例，让你能快速掌握EV3家庭版，并搭建出一个属于自己的机器人。那么，现在让我们先来看看盒子里有些什么东西。
图1.1展示了EV3家庭版的包装盒，除了家庭版还有一款EV3教育版。在第2章中，我将会介绍有关包装盒的更多细节。 LEGO EV3教育版和EV3家庭版使用相同的主机和搭建技巧，只是在零件上有一些差别。图1.1 LEGO MINDSTORMS EV3家庭版盒子里包括了搭建各种机器人所需的所有零件注意
在你打开盒子之前，一定要仔细思考在哪里安置这些零件。在本章中，我觉得用一种透明而且可以重复封口的塑料袋将会是不错的选择。另外， EV3家庭版的其他配件还需要6个5号电池和3个7号电池。1.1 打开MINDSTORMS EV3包装盒
请你从侧面打开LEGO MINDSTORMS EV3包装盒，取出里面的东西。但是，一定要小心，别高兴过头以至于破坏了盒子。这个盒子对EV3非常重要，因为这个盒子里面实际上是一个有测试路线的场地。你要沿着背面那条黑色的虚线小心地剪开盒子，即可生成测试场地，如图1.2所示。图1.2 按照演示的方式剪开盒子
剪掉所有密封着EV3纸盒的胶带后，你就可以打开包装来展示自己漂亮的新测试场地，如图1.3所示。
现在你已经完整地打开测试场地，可以取出零件了。虽然你的EV3盒子是一个很好的容器，但是这个盒子没有足够的空间来放置种类众多的零件。不过，你大可放心。当你取出所有零件后，会看到几个袋子、一本小册子和一些贴纸，如图1.4所示。你可以用这些袋子来收纳零件或是已搭建好的模型。这样你就不必为EV3家庭版的盒子没有足够空间来放置搭建好的模型而烦恼了。图1.3 展开测试场地图1.4 EV3包装盒中装在袋子里的零件
在你撕开这些袋子取出零件之前，建议你找一个塑料材质的、干净的、易开启的容器来放置零件，如图1.5所示。
五金店也有各种用来放置小零件的容器，与MINDSTORMS零件容器一起使用效果更佳。你可能需要两套存储系统：一个用来放小零件，另一个用来放置拼装好的模型。拼装好的模型需要更大的空间，你需要至少一个牛奶箱大小的空间来放置这些模型。可能要读到第4章的内容你才能知道多大的容器适合装拼装好的模型。图1.5 这是一个推荐的零件存放方法，它利用了透明的塑料袋和大的塑料箱将零件分类
没有最完美的方式把LEGO零件分类存放到袋子或盒子里。初期通过尺寸、颜色和类型来分类是个不错的想法。我找到了一个我认为最好的分类方法，就是将所有直梁放入同一个袋子或隔间中，不区分颜色，但销要按颜色分类。弯曲的梁很难分类，使用时也很难取出，所以我根据尺寸和形状来对它们分类。
如果你不知道我所说的“梁”和“销”是什么，不用担心，我会在本章带你认识所有的零件。
当你使用套装时，你就会发现最适合自己的分类风格。你只需要确保有很多的袋子和坚固的盒子来放置分类后的零件即可。如果你没有好的分类系统就开始玩EV3的话，会很容易丢失零件。
说起这些零件，你马上会发现这些零件不像传统的LEGO零件。这是因为EV3的零件是LEGO科技系列的零件，它使用环环相扣的销和齿轮来实现更强大、更复杂的搭建。1.2 LEGO系列产品
如果你从小玩LEGO积木，就会发现MINDSTORMS的零件和传统的零件有很大不同。这两种零件类型大多不兼容。为了理解为什么普通LEGO和EV3无法轻松地结合在一起，你需要了解关于LEGO家族的更多知识。1.2.1 LEGO得宝积木
LEGO得宝积木零件是针对6岁以下难以将小零件正确地扣合和拼装的幼儿设计的。得宝积木易于抓握和组装，你可以用LEGO标准搭建板来放置得宝建筑。但是，由于得宝积木的零件尺寸很大，因此它与其他LEGO零件不大兼容。1.2.2 LEGO标准积木
7岁以上儿童的兴趣从得宝积木转移到了LEGO标准积木。在LEGO市场，因为这些积木都有一定的年龄范围，所以套装最开始先使用简单的搭建手册来指导简单玩具的搭建，之后就演变成了复杂的有多本搭建手册的大型套装玩具。 LEGO标准积木就是听到别人提到“LEGO”一词时多数人会想到的那种积木。
LEGO标准积木有着各种各样的主题，可以搭建任何事物，从超级英雄到城市景观，也有专为女孩打造的LEGO朋友积木系列。所有这些不同主题的零件都是相互兼容的。你可以使用波巴菲特的星际飞船的零件来搭建霍比特人的家园，甚至装饰LEGO朋友积木的花卉。1.2.3 LEGO科技积木
LEGO科技积木零件是为大于10岁的孩子设计的，它通过销、齿轮、滑轮和梁来组装模型，强调运动和力学。有些LEGO科技积木零件使用了电机和遥控器，即使是需要最多零件的组装方案，可能也不会使用任何标准零件。
这就是LEGO MINDSTORMS系列的零件类型。虽然技术上LEGO科技积木和MINDSTORMS是两个独立的类型，但是它们通常都是兼容的，并且使用同样的搭建方法用销和齿轮来搭建，不使用圆砖。如果你要扩展EV3，并且需要额外的气动力或拖拉机车轮，可以购买LEGO科技积木系列，此时你会发现它们大部分都兼容。有时你也会在标准零件类型里面找到一些LEGO科技积木零件。
在LEGO科技积木里，你会发现一些圆砖，但是它们大多是给卡车上的灯之类作装饰用的东西。如果不使用圆砖的话，组装会更加容易且更加强大和灵活。但是，你需要为搭建的结构做更多的筹划。1.3 LEGO单位
LEGO家族的零件有一种独特的测量方法。你需要注意零件标有长度，比如“3”。LEGO搭建手册一般会避免使用文字叙述，这种做法使得套装可以更加轻松地在国际范围内通用。但是，当你只看到尺寸标有“3”的图片时，就会无法做出选择，甚至感到沮丧。“3”究竟代表什么？
由于LEGO是一家丹麦企业，所以你可能会认为这里的单位是公制单位，但实际上不是这样的。图1.6展示了使用公制软尺来测量基本的轮轴（简称轴）。最右边轴的尺寸是3M。图1.6 你可以看到LEGO没有采用公制单位
测量结果不太符合任何公制单位，所以长度为3M的轴不是3米、3厘米或3毫米长。事实上，它比2厘米长一点点。长度为3的轴和长度为3的梁一样长，如图1.7所示。图1.7 LEGO科技积木零件的最佳测量方式是采用梁的长度
LEGO单位使用自己的零件测量长度，不需要尺子。单位M是1个LEGO科技积木梁孔的尺寸。梁的测量使用同样的宽度和深度，沿着梁的孔的分布间隔也是相同的。尺寸为6M的梁上面就有6个孔。所有你想要测量的轴的大小都和梁的尺寸相同。然而，套装中的搭建手册在你搭建时仍然会展示1 : 1的图例。
接下来，让我们开始探索EV3套装中最常见的LEGO零件。1.3.1 梁
梁和销是最常见的LEGO科技积木零件。作为刚刚讨论过的对象，梁是EV3零件中最基本的测量单位。图1.8展示了基本的长梁。 EV3家庭版有4根长度为15M的梁、 4根长度为13M的梁、 4根红色的长度为11M的梁以及8根长度为9M的梁。如果你对梁的尺寸有疑问，只需要数一数销孔的数量即可。图1.8 各种各样红色或黑色的横梁
梁的长度从15孔到3孔不等， EV3家庭版提供12个3孔梁、10个5孔梁和6个7孔梁。图1.9展示了一个3孔横梁。
你一定想把各种从长到短的梁分别安置到整理箱里，不过我找到了最重要的方法来把直梁和弯梁（备注：两种带角的梁）妥当地分开。稍后我会在下文讲解。图1.9 直梁1.3.2 带角度的梁
EV3里的梁不都是直的，还有带角度的。图1.10展示了这种像雪橇的梁，但是实际上它们被称为“双弯梁”。图1.10 注意两个135度的角和在同一侧的长臂
接下来你会发现，在每一个这种梁的末端都有一个十字形的孔，那是提供给各种十字轴的。我现在先不介绍“十字轴”，稍后我会详细地介绍它。就目前而言，我觉得最重要的是你要知道，可以用轴去连接这种梁以完成你的设计，当设计需要一定角度的时候，就可以利用这种梁解决问题。
EV3家庭版有12个这种特殊的梁臂，所以在你的设计中，一定会在大量使用它们的时候感到无比轻松。
EV3同样提供12个只有一个135度角的单弯曲横梁，如图1.11所示。如果我是你的话，我肯定会把单弯曲和双弯曲的横梁分开来放。这是因为这种带角度的梁臂往往会钩住其他的零件，如果这样的话，想把它们拿出来就会比较难。图1.11 这种梁臂只有一个135度角
套装还提供4个略小的带135度角的梁臂，以及一大一小两种带90度角的梁臂各提供6个和8个，甚至还有4个T字形的梁臂（如图1.12所示）！这下你可是有足够强壮且形式多样的梁臂了，它们在拼一些胳膊、腿或者其他需要力量来支撑的结构时会很有帮助。图1.12 两种其他类型的角梁1.3.3 框架梁
图1.13展示了一种其他类型的梁——长方形框架梁。它有两种类型：一种是长方形的，但长边的两端会延伸超过宽边的边缘，而另一种是标准的长方形。这种梁非常重要，因为它们使你可以不通过弯曲来搭建稳定的结构，而且改变了连接孔的角度，所以你可以使用这些梁（每种各有两个）在6个不同的面上连接别的梁。图1.13 使用框架梁来从不同方向连接其他梁1.3.4 销
怎么连接所有的这些梁？当然是用销。销是多功能的连接器，因为它们圆的形状意味着移动。使用一个销来连接两根梁，然后梁可以通过销来绕某个轴旋转。将两个销插入两个不同的位置，就可以让两根梁保持稳定。
常见的黑色的销可以轻松地插入孔中，图1.14展示了这种黑色的销。 EV3套装包括了95个黑色的销。黑色的销从中间分开，在两边分别有一个梁的宽度，所以如果你使用一个黑色的销来将两根梁连接在一起，它们将会齐平，并且拥有轻微的间隙。因此，它们会在自由运动中产生一些摩擦，但关节仍然是可动的，只是不如灰色的销那么自如。
我建议把这种黑色的销单独放在一个地方，因为你会经常使用它们连接零件。如果刚开始时就单独放置，你就不用再考虑到哪里寻找它们了。图1.14 黑色的销可以把两根梁固定在一起
除了这包黑色的销以外， EV3里还有一个包是用来装各种颜色的销的，包括绝缘的销，图1.15中展示的就是这些销。我们就先来说说这些比较特殊的销吧。第一种销是灰色的，也是单独的（看起来跟黑色的销比较相似），这种灰色的销连接梁臂不像黑色的销那么紧、那么牢固，它连接得比较灵活，所以一般被用在需要活动的连接处。
你会看到10个红色的且一端稍长的销和4个米黄色的其中一端相当于两个梁长度的销。这些销对于加长距离和连接梁都非常有用。如果你不喜欢米黄色，还可以选用其他38个同样类型的蓝色的销。
图1.15中所示的并不都是严格意义上的销，盒子中还有28个蓝色的半长销和半轴以及12个红色的轴，这些都将在下文作介绍。
最后，图1.16所示的是双长度的销，它们中的一部分还有轮轴连接器和交叉块。这些零件的名字都类似于“模块连接器”和“交叉块”，这些交叉块都非常有助于结构之间连接的稳定。图1.15 各种销、轴和轴销图1.16 模块连接器和交叉块1.3.5 轴
图1.17展示了你能在EV3家庭版中找到的各种各样的轴。它能将零件连接起来，但它同销和横梁不一样，因为单个轴连接的两个零件是无法移动的。轴的重要特性包括它的长度和挡块的位置。图1.17 轴具有多样的尺寸
如果轴没有挡块，那么连接起来的零件将有可能滑下来。这时你就需要用其他的零件来加固连接或者在末尾加上一个轴套。提示
有时候较小的轴可能会卡在其他零件里，你可以使用另一根轴将它捅出来。当然，尺寸适合的螺丝刀也可以解决这个问题。1.3.6 轴套
轴套是放在轴末尾的连接件，它被用来固定轴。你会有11个黄色的半轴套和9个红色的全轴套（如图1.18所示）。你可以使用半轴套从尾部固定轴，然后使用全轴套来固定或者将两个轴连接在一起。但为了更好地连接，你应该使用轮轴连器（简称轴连器）。图1.18 这些轴套和半轴套可以套在轴上1.3.7 轴连器
如图1.19所示，你可以用轴连器按照设想把两根轴连接在一起。如果你觉图1.19 使用红色转角零件来连接轴（图中的数字代表了每种零件的个数）
得一根轴不够长，那么你可以用轴连器把两根轴连接在一起当作一根长轴使用。你也可以用另一种轴连器，使两根轴形成一个45度角的弯曲，或者把销加在轴连器上用来连接横梁。这样的零件也被称为“角元件”。
除了销、梁、轴和轴套，工具箱中还有额外的部件来连接这些组件。图1.20展示了一个正交连接器。它使销与轴能够垂直连接。图1.21展示了轴套、梁和销的更多变化。图1.20 这些部件也被叫作交叉块图1.21 这些灰色的零件可以用于转向或是杠杆的制作1.3.8 球窝接头
如图1.22所示，球窝接头的作用是为了能够装入托座和自由旋转。你可以想象一下，它类似骨骼中连接肩膀或是臀部的关节部位，它们可以让胳膊和腿实现大范围的转动。再举一个例子，它就像拖车上用来拖动车辆的连接器。当你需要活动的带圆孔的横梁时，就可以使用球窝接头。 EV3套装中的球窝接头，一般都与销或轴连器配合使用。图1.22 球窝接头有两种，下半部分分别为销和轴
图1.23展示了球窝接头能够与转向连杆连接。由于转向连杆在两端各有一个圆形的连接口，因此你能将球窝接头放在任意一端来接上拖车或其他组件。图1.23 两种不同规格的转向连杆1.3.9 齿轮
现在你已经在LEGO科技积木系列工具箱里看见了一些基础的连接器，再来看看这些能够给你的工程增加一些杠杆和动力的组件。
图1.24展示了能在LEGO EV3套装中找到的各式各样的齿轮，其中包括四点齿轮和拥有不同规格的锯齿的圆形齿轮。注意齿轮的中心，你可以将销或轴插在它们的中心来做成一个曲柄。图1.24 EV3套装里所配的各种类型的齿轮
如图1.25所示，你可以使用蜗杆传动另一个齿轮。这种蜗杆尤其对制作曲轴和升降装置有很大帮助，它也可以用来制作机械臂或桥梁。
图1.26展示了工具箱中的两个凸轮，你可以使用它们来使物体做活塞运动。
EV3套装中有各式各样的轮毂与轮胎，如图1.27所示。你可以根据需要选择是使用单独的轮毂还是和轮胎搭配使用。事实上，你也可以考虑用履带来替换轮胎，当然这取决于你想要做什么样的机器人。图1.25 这个名字古怪的蜗杆用于制造曲柄图1.26 凸轮有着多样的轴插槽
EV3套装中的履带（如图1.28所示）在零售的EV3家庭版中显得非常独特。而EV3教育版套装则采用了另外一种方式，它使用了一种十分坚硬的塑料的连锁相扣式的零件来替代家庭版中的橡胶履带。不可否认的是，教育版中的这种履带十分坚硬且可以随意改变大小。虽然你的家庭版套装中配有两个履带，但是它们也有一个缺陷，就是不能任意变大或变小以供交替使用。图1.27 EV3套装提供多种类型的轮子图1.28 EV3家庭版中提供橡胶履带
除了轮胎和履带，还有一个红色的皮筋。它放在一个白色的纸盒里，如图1.29所示。如果你是一位LEGO迷，就会发现它很像包装LEGO迷你人物使用的迷你披肩。盒子可以丢弃，但要把皮筋留下来。它在零件或齿轮之间像一个胎面或者可以作为绷紧装置使用。图1.29 打开这个包装后，里面有一个红色的皮筋
EV3家庭版套装中还配有跟球相关的一套装置，如图1.30所示。它们分别是3个红色的小球、一个球托以及一个球夹持器。这部分和球有关的装置是EV3家庭版套装中所特有的，而且这些零件与NXT robotics 套装的零件不太一样，它们有着细微的差别。图1.30 球、发射器以及球托
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]