2018-04-10

以 LEGO Boost 與 Scratch 2 製作互動遊戲

LEGO Boost 除了使用行動裝置上官方所提供的 app 編寫程式外, 也可以在電腦上透過 S2Bot 以 Scratch 2 控制,  這樣正好能夠運用 Scratch 的遊戲編程功能 以及 Boost 的馬達與感應器, 製作出生動有趣的互動遊戲.
下面的影片就是一個結合兩者所製作的「顏色輪盤遊戲」, 玩法如下: 
  1. 先由 Scratch 2 顯示讓玩遊戲的人可以挑選所要下注顏色的畫面.
  2. 下注之後啟動Boost 的顏色輪盤隨機旋轉至某一個顏色, 再藉由 Boost 的顏色感應器讀取比對輸贏狀態.
  3. Scratch 會因應本局的輸贏, 變更舞台背景並計算剩餘的籌碼, 而且當贏局時 Boost 還會表演一小段歡呼動作作為獎勵.
  4. 一旦輸光所有籌碼, 本次的遊戲就隨之結束.


LEGO Boost 「顏色輪盤遊戲機」構造

遊戲機的構造全部都是使用 LEGO Boost 17101 的零件組合而成, 包含兩個內建馬達與一個外接馬達以及顏色感應器全部都用上, 各部分的功能如以下圖片說明:


使用 S2Bot app 連接 Boost 與 Scratch 2


S2Bot app 的功能是提供 Scratch 2 能夠以藍芽方式無線遙控 LEGO Boost, 包含: 馬達控制讀取感應器, 而執行 Scratch 的電腦, 無論是 Windows 或 Mac,  都必須使用 BLED112 藍芽配接器, 才能連接 Boost. 
  1. 此處 下載安裝 S2Bot app .
  2. 執行 S2Bot app, 由左上方下拉選單中挑選 LEGO Boost , 接著點按 Scan for Devices 開啟對話框連接 Boost.
  3. 若是首次連接 Boost, 再點按右上方的下拉選單按鈕, 選擇 New Scratch template 產生 Boost 的 Scratch 程式積木範本: boost_template.sb2 並存檔於電腦中.
  4. 在 Scratch 2 中透過 File->Open 開啟 boost_template.sb2, 即可於腳本區的 More Blocks 中使用 Boost 的程式積木.

以 Scratch 2 控制 LEGO Boost 馬達


使用 Scratch 2 腳本區中 More Blocks 的 Boost 程式積木可以控制 Boost 的兩個內建馬達(Motor A 與 B) 以及外接馬達(Port C 或 D) 的速度' 方向' 位置   運轉時間.
 Boost 馬達內建位置感應器, 精確度如同 EV3/NXT 一樣, 每一圈 360 階, 惟要注意的是 Boost 的兩個內建馬達是車輛模式配置, 所以兩者旋轉方向與位置值的變化關係正好相反, 當以順時針方向旋轉時, Motor A 的位置值變化是負增量, Motor B 是正增量, 至於外接馬達則與 Motor B 一樣為正增量.
在 More Blocks 中提供了四個變數: SensorA' B' C' D 用來讀取馬達位置感應器的值, 即使手動方式旋轉馬達感應器的值也會有變化, 可以透過程式積木將位置值歸零.

Boost 的距離/顏色二合一感應器

Boost 的外接感應器可同時偵測物體的距離與顏色, 使用  distancecolor 兩個變數讀取.

  • 距離感應器: 可偵測距離約在 30cm 以內, 近距離時(小於 5cm)回傳 0-10 的值, 增量為 1, 大於 5cm 時回傳 10-100, 增量為 10, 若未偵測到任何障礙物回傳 100 的值.
  • 顏色感應器: 可辨識六種顏色, 回傳值分別為: (0)' (3)' (5)' (7)' (9) 與 (10), 若未偵測到任何顏色則回傳 255.

Boost 本體的內建感應器


Boost 除了外接的 距離/顏色感應器 之外, 本體 (hub) 也內建幾個感應器, 在 More Blocks 中都有對應的變數積木可用來讀取:
  • 傾斜感應器(Tilt sensor): 會偵測本體目前的姿態, 使用 tilt 變數讀取感應器值, 據 文件 上說明可以回傳 0-5 六個姿態值, 實際測試則只有五種值, 分別為: 平放(0)' 左/右傾斜(4/2)' 直立(1/3), 另外, 還可以使用 tiltxtilty 兩個變數讀取以角度為單位更精確的兩軸傾斜值.
  • 按鍵狀態: 使用 「button pressed ?」 積木, 可以判斷本體上的綠色按鍵是否正被按下( 回傳 true/false ).
  • 電流感應器(Current sensor): 使用 current 變數讀取, 實際測試當馬達運轉受到外力阻礙時, 感應器的值會驟增.
  • 電壓感應器(Voltage sensor): 使用 voltage 變數讀取, 可用來判斷電池的電量狀態, 正常值約在 3.2V 左右.


改變 Boost 的 LED 顏色


透過「set hub light to __」積木, 可以變更 Boost 本體上 LED 的顯示顏色, 共有十種顏色可以選擇 或 設定成 off 狀態.

結論 與 心得


這次試著以 LEGO Boost 與 Scratch 2 製作一個互動遊戲, 過程中對於 Boost 無論是馬達的精準程度' 感應器的功能等使用體驗, 感覺上相當的實用, 特別是 S2Bot app 為 Boost  所提供的Scratch 程式積木(建議下載最新的 v0.8.4 ), 確實能夠充分發揮 Boost 硬體所具備的功能, 即使玩過 NXT/EV3, 仍然覺得是值得入手的 LEGO Set. (感謝 創意科技 林老師的協助) 
唯一的限制就是 Technic 零件不多,  不過, 可以使用補充零件來加強, 並非問題.


以 Scratch2 製作劇場版的機器人控制體驗:結合 S2Bot 遙控 SBRick

PICAXE 這家公司的教育部門,推出了 S2BotScratch Helper Apps,提供了透過 Scratch 2 可以用來控制多種機器人系統,包含 LEGO 的 Wedo、Wedo 2.0、NXT、EV3以及 SBrick PF 馬達藍芽控制器

由於 Scratch 2 擅長於製作遊戲動畫,因此結合 S2Bot 就可以將對實體機器人的控制,融入到 Scratch 2 設計的劇情中,這會是相當有趣的體驗,也是其他程式語言很難做到的情境。
以下的影片,就是對上述的構想所做的嘗試。

影片首先開始的武器測試 (Weapon System Test) ,是展示以 Scratch 2 + S2Bot 遙控 SBrick PF 馬達控制器的功能,由 Pico 角色執行,包含:順/逆時針方向旋轉雷射槍座、改變瞄準方向以及發射雷射槍等動作。
而雷射槍
燈光閃爍特效是使用 Brickstuff 的照明系統 ( 參考本文 )。

接著是一個射擊遊戲,太空船 (Spaceship 角色) 會以隨機的高度與方向出現並飛越螢幕畫面,而 Pico 角色則一方面發射雷射槍 (Shoot laser gun 角色) 同時遙控 SBrick 射擊動作。

當 Spaceship 角色偵測到已碰觸到 Shoot laser gun 角色時,表示太空船被雷射槍擊中,這時候 Spaceship 角色以及舞台背景都會切換成為爆炸的造型,而 Pico 角色也呈現為歡呼的造型。

而配合劇情進行的各種音效,也更加凸顯出每個情境所強調的效果。

2016-04-28

以藍芽遙控 LEGO PF 馬達的四軸機械手臂:使用 SBrick

SBrick 是 2014 年在 Kickstarter 所推出的可連接 4 個˙LEGO PF 馬達的藍芽接收器,同時也提供了 iOS、Android、Windows Phone 等三種行動平台的遙控 App,而 App 的操作介面還可以透過 SBrick 的 Profile Designer 網頁依據操控需求,自行客製化設計後下載到行動裝置中。
當實際以 iPad 操作時,回應的速度幾乎與 Lego 的 IR 遙控器一樣靈敏,而採用藍芽相較於紅外線的優勢在於較長的遙控距離以及沒有方向性的限制,這對於玩 Lego Technic 的愛好者而言,無疑又多了一樣可選擇的好幫手。
以下影片就是以 SBrick 控制的四軸機械手臂,其中 iPad App 的操作介面正是依據控制需求的客製化設計。

2016-04-11

以 Brickstuff Lego 照明系統製作的 星際戰士

過去在欣賞 Sariel 的 Technic 創作時, 有時會很好奇如何在那麼緊湊的機構中加上照明功能, 特別是 LED 亮度與配線彈性, 很明顯都是 Lego PF Light 所無法做到的, 後來也是從他所公開的影片中得知, 原來有一部分是使用 Brickstuff 的 Lego 照明系統 。
最近有機會取得了一組  Brickstuff 的 Starter kit 以及 DIY Connecting cables, 因此, 就試著以樂高零件製作了一支雷射槍, 同時也使用 Arduino 控制器加上一些特效, 包含: 發射時兩支槍管的交互快速閃爍, 以及呈現出槍枝本身能源消耗與充電時的狀態, 這些都是使用 Brickstuff 的組件所製作出來的, 以下就是完成後的示範影片:

Brickstuff 特別為樂高所製作的照明裝置, 無論 LED 燈' 線纜 或接頭, 真的非常地小, 像影片中的雷射槍以及能源指示燈, 線材都能夠完全收納在樂高的管狀零件中, 組裝過程不用太花心思去考量機構如何去配合線材的問題, 相信無論應用在車輛或建築物的燈具上, 會比使用樂高原廠的 LED 燈還更事半功倍, 唯一的缺點是太貴了 XD

2016-04-05

實作 EV3 以 Temboo 連接 Google 雲端服務的方式

Temboo 平台雲端服務的 Choreos, 提供了多種程式語言的程式庫, 以簡化開發工作, 其中的 Python 不僅方便好用同時也支援多種作業系統, 包含: Windows' OSX 與 Linux 等, 而 EV3 官方版本的作業系統雖然也是以 Linux 為核心, 但並不太容易安裝像 Python 這樣的程式語言.

不過, 幸好可以使用專門為 EV3Raspberry-Pi + Brick Pi 開發的 ev3dev,  讓 EV3 可以充分運用 Linux 的強大功能, 包含為數眾多的免費軟體與 USB 周邊, 如: Web Cam' RJ45 轉接器' 音效卡' 隨身碟等, 同時若需要的話, 還可以使用 USB Hub, 同時連接多個 USB 裝置,
讓 EV3 成為具體而微的 Linux 電腦.


ev3dev 的功能特性


※ 安裝 ev3dev 並不會刷掉原有的 EV3 Kernel, 只需將 ev3dev 的 Image 檔案寫入至另一片 Micro SD 卡中, 插入 EV3 後重新開機就可以使用, 並隨時可以換回原有的 Micro SD 卡, 恢復原有官方版本的作業環境.


※ ev3dev 提供了 4 種網路連接方式, 可以參考: Getting Started with ev3dev 網頁 Step 4: Setup a network connection 說明.

※ ev3dev 目前提供: C++' Node.js 與 Python 等三種程式語言支援開發 EV3 的專案. 並以統一介面方式建立程式庫.


 此外, ev3dev 的 Python 程式庫雖然可同時支援 2.x 與 3.x 版, 不過, 目前只預裝於 2.x 版,



使用 Temboo 支援的 Google 雲端服務


關於 Temboo Choreo 的使用方式, 可以參考前一篇 "Arduino Yun 筆記:測試呼叫 Temboo 的 Gmailv2 與 Spreadsheets choreos 功能" 的說明.

至於 Temboo Choreo 的 Python 程式庫, 可以由 此連結 下載.

而本次將會以 EV3 的 Color Sensor 讀取環境光源的亮度值 (Ambient Light Intensity), 並每間隔 10 秒透過 Temboo 的 Google - Spreadsheets - AppendRow Choreo 將包含: ( 讀取時間 與 感應器值 ) 的一筆資料寫入至 Google 試算表中.



Pyhton 程式說明:

A.  匯入程式庫

# 匯入 ev3dev 程式庫
from ev3dev.auto import *

# 匯入 Temboo 程式庫
from temboo.Library.Google.Spreadsheets import AppendRow
from temboo.core.session import TembooSession

# 匯入 讀取系統日期功能
from datetime import datetime

# 匯入 sleep() 功能
from time import sleep

B.  連接 EV3 Color Sensor 及設定測量環境光源亮度模式
cs = ColorSensor(); assert cs.connected
cs.mode = "COL-AMBIENT"

C. 登入 Temboo 並建立 Session
session = TembooSession("Temboo-Acct", "Temboo-APP", "Temboo-AppKey")

D. 傳送資料至 Google 試算表的函式
def sendDataToGoogle(nowTime, sensorVal):
    # 建立 Choreo 實例
    appendRowChoreo = AppendRow(session)

    # 取得 Choreo 的 InputSet 物件
    appendRowInputs = appendRowChoreo.new_input_set()

    # 設定 Choreo 所需要的輸入資訊
    rowData = ','.join([nowTime, str(sensorVal)])
    appendRowInputs.set_RowData(rowData)
    appendRowInputs.set_SpreadsheetTitle("ev3_lightIntensityValue")
    appendRowInputs.set_RefreshToken("RefreshToken-of-Google-Spreadsheets")
    appendRowInputs.set_ClientSecret("Your-Google-Client-Secret")
    appendRowInputs.set_ClientID("Your-Google-Client-ID")

    # 執行 Choreo 呼叫 Google 雲端服務
    appendRowResults = \
    appendRowChoreo.execute_with_results(appendRowInputs)

    # 顯示執行 Choreo 後的回傳訊息
    print("NewAccessToken: " + appendRowResults.get_NewAccessToken())
    print("Response: " + appendRowResults.get_Response())


E. 讀取 EV3 Color Sensor 測量值
# 進行 10 次的測試
for rec_cnt in range(10):
    # 取得目前的系統時間字串
    nowTime = datetime.strftime(datetime.now(), '%m-%d-%Y %H:%M:%S')

    # 讀取 Color Sensor 的測量值
    sensorVal = cs.value(0)
    print("Light Intensity: ", sensorVal)

    # 呼叫執行 AppendRow choreo 函式
    sendDataToGoogle(nowTime, sensorVal)

    # 等候 10 秒之後再繼續執行
    sleep(10)

執行結果

下圖右側為程式執行過程所顯示的回傳訊息,
       左側為新增資料至 Google Spreadsheets 的執行結果.


2016-03-26

Arduino Yun 筆記:測試呼叫 Temboo 的 Gmailv2 與 Spreadsheets choreos 功能

Arduino Yún 名稱中的 "Yún" 正是中文的 "" ,也就是特別強調在雲端應用的整合能力,所以除了 Yun 本身已具備的連網功能之外,更透過與 Temboo 的合作,很方便的就能夠連接許多目前相當普遍的雲端服務,如:Google、Facebook、Twitter、Yahoo Weather、Dropbox ... 等。

Temboo 平台提供了數十種連接雲端服務的 Choreos
Choreo 是指呼叫每個特定雲端服務的可重複使用程式碼,用以簡化程式開發工作。同時在最新版本的 Arduino IDE 中,也已經預載了 Temboo 程式庫,結合 Choreo 很容易的就能夠實現 Arduino Yun 在雲端的整合應用。

(圖片來源:arduino.cc)

在 Temboo  網站中提供有 12 個 Arduino Yun 連接雲端服務的範例,同時在 Arduino IDE 的  File - Examples - Temboo - Arduino Yun 中也有相對應的範例程式,這些都是相當好的參考資源。
(圖片來源:Temboo.com)

本次的測試是以 Arduino Yun 在 Sketch 中使用 Bridge 以及 Temboo 程式庫 呼叫 Temboo 的 Gmailv2Google Spreadsheets 兩個 Choreos 功能,將 Arduino 端的資訊透過 Gmail 傳送至指定信箱 以及 存放到 Google 試算表中。

以下是過程的相關記錄:

2016-02-27

Arduino Yun 筆記:以Arduino Yun 製作的 MP3 播放器

Arduino Yun 比較傳統的 Arduino 主板,最大優勢在於同時兼具兩個開發環境:
  1. Atmega32u4 處理器:
     Arduino Leonardo ,具有 20 個數位、類比、PWM 腳位以及 3 種序列通訊功能(Serial、I2C 、SPI),並可堆疊相容的 Shields 擴充板。 
  2. Atheros AR9331 處理器:
    使用 OpenWRT Linux 作業系統並內建 USB Host、Ethernet、WiFi 、Micro SD slot等周邊,另提供有 Python 2.7 作為 Linux 端的
    程式開發。
兩者間以 Hardware Serial port 相連,並以 Arduino 的 Bridge 程式庫,作為相互利用彼此資源的軟體介面,尤其 Linux 系統功能強大,雖是輕量版的 OpenWRT,但可運用的範圍與彈性已遠超過傳統的 Arduino 主板。

這次以 Arduino Yun 製作的 MP3 播放器,即運用 Linux 對 USB 裝置的支援能力,使用 USB 音效卡播放 Micro SD 卡內的 MP3 檔,並透過 I2C 外接 Arduino Uno + LCD Keypad shield 作為控制面板,可以顯示 MP3 檔 ID3 tag 的曲目與演出者資訊,以及透過操作按鍵逐一瀏覽及選擇歌曲播放,功能如同一般的 MP3 播放器。



系統架構

2015-07-30

EVShield筆記(4 - 2) : EVShield WiFi Web Server Arduino 軟體功能

在前篇 " (4-1) 結合 Arduino WiFi Shield 的 EVShield Web Server " 中,主要探討的是硬體介面相關,包含: SPI介面Shields 推疊 以及 Arduino 腳位配置 

本篇將以軟體功能為主,包含:建立 WiFi 連結啟動 Web server 以及 處理瀏覽器的 HTTP request

【參考資訊】

(1) Arduino WiFi.h 程式庫 
(2) HTTP Headers for Dummies 
(3) EVShield筆記(2):UI Module使用者介面擴展板程式摘要 

【1. 建立WiFi連結】


  • 連接無線網路,需要確認 SSID 與 加密方式 ,再以 WiFi.begin() 進行加密認證。
  • 通過加密認證之後,會由 DHCP 配置動態 IP,也可以先以WiFi.config() 設定靜態 IP後再進行加密認證。
  • IP 位址可以由 WiFi.localIP() 取得資料型態為IPAddress,實際上為四個元素陣列的IPV4 格式

2015-07-23

EVShield筆記(4 - 1) : 結合 Arduino WiFi Shield 的 EVShield Web Server(硬體介面)

以EVShield 結合 Arduino WiFi Shield,就可以實現透過無線網路控制 EV3/NXT 的馬達與感應器。
而最簡單便利的人機控制介面就是在 Arduino UNO建置 Web server,這樣任何平台的裝置,即只需以瀏覽器開啟網頁方式遙控機器人的操作,而不需要開發專屬的 App。

下圖為本次所計畫建置的 EVShield WiFi Web server,將會以瀏覽器控制 EVShield 上兩組 RGB LED 的顏色顯現,並同時在 UI Module 的 LCD 螢幕上顯示目前所執行的顏色設定指令。 

【示範影片】


【擴展板推疊方式】
EVShield WiFi Web server 的所有組件如下圖:除Arduino UNO之外,另還包含 UI Module shield、EVShield 以及 WiFi Shield 等三個擴展板。
  

2015-07-06

EVShield筆記(3):測試 EV3 以 I2C 連線控制 EVShield

EVShield 是作為Arduino連接 Mindstorms NXT/EV3 馬達與感應器擴展板
EVShield具備的功能中,除了 Servo pins 之外,都是透過 I2C 方式進行控制,包含:三個按鍵、兩個 RGB LED、四個 Motor ports 以及 四個 Sensor ports
而對於同樣具有 I2C 通訊
介面的 EV3主機 Sensor ports,應該也可以取代 Arduino 直接連接及運用 EVShield 的功能,以下即是對於這個需求所進行的測試記錄。


【EV3 接線方式】:
如下圖,將 EVShield 背面正下方的 4 pins I2C 接腳轉接成 RJ12 cable 之後
連接 EV3 的 Sensor Port。

【EV3 使用軟體】:
EV3 程式使用 RobotC 4.32 版。
至於 EV3 軟體,目前已知 Mindsensors 與 DI 的 EV3-I2C Programming Blocks,在功能方面並不適用。
 

EVShield I2C 架構

如下圖,EVShield 由兩個 I2C Slave 裝置所組成,分別為 Bank A ( 位址:0x34 ) 與 Bank B 0x36 ),其中 LED 與 按鍵 的控制功能都建立在 Bank A,詳細的 I2C 暫存器資訊需參考 "EVShield Advanced Development Guide文件