以 PFx Brick 運用 Under-actuation 建構具有三個自由度的 LEGO 搬運設備

即使 PFx Brick  比起 SBrick 少了兩個 Power Functions Ports, 不過它所具有的多樣化周邊, 包含: 音效 與 燈光, 對 LEGO 的創作者而言, 更增添了創作的空間與樂趣.

以下的 Demo 影片示範以 PFx Brick 的兩個 Motor Ports 驅動一個具有: 抓取' 抬起' 旋轉等三個動作(自由度)的搬運設備, 包含了兩個主要功能:

1. 抓取機構: 將貨物 抓取後抬起 或 放下後釋放 的功能.
2. 旋轉機構: 以 順時針 或 逆時針方向 旋轉抓取機構的功能.

同時配合機構的運作, 再加上音效與燈光等警示效果, 一方面可凸顯不同作業時的特性, 亦能夠模擬真實世界的作業實況, 這些都是 PFx Brick 團隊推出這項產品的企圖心.

PFx Brick的控制界面設定

PFx Brick 具有兩個 LEGO Power Functions Ports, 一個 8 Channels 的 Lighting Dock 以及一個外接喇叭, 其中 Lighting Dock 目前可以接兩種介面板, 分別是傳統 LED 與 Brickstuff 的高亮度 Pico LED, 前面影片中的警示燈即是使用此種微型 LED 燈.

PFx Brick 內建 Flash memory 用來儲存 設定資料(Profile) 與 音效檔, 不同於 SBrick 是將 Profile 存放在手機端, 會這樣設計的原因是為了要能夠同時提供 手機(BLE) 與 LEGO IR 遙控器兩種無線控制方式.

因此, 在手機上所使用的 PFx Mobile App 控制界面也是模擬目前 LEGO 兩種不同類型的 IR 遙控器, 分別如下圖左側的 8879(Speed Remote Control) 與右側的 8885 或 EV3 IR Beacon.
這兩種控制界面都具有對應 LEGO IR 遙控器相同的控制項, 所以當完成了所有控制項的設定並將 Profile 下載至 PFx Brick 之後, 則無論是使用手機 或 IR 遙控器, 操控的方式都將會是一樣.

PFx Brick 的 Profile 透過電腦端的 PFx Desktop APP 進行設定, 在示範影片中採用如下圖的 Dual Joystick 控制界面, 共有 7 個控制項, 分別對應遙控器左' 右兩邊搖桿的前推' 後拉與置中 以及 EV3 Beacon 按鍵等 7 個動作:

每個控制項包含三種設定項目: Motor Action' Light Action 以及 Audio , 以下就示範影片中兩個主要功能的設定方式進行說明:

(1) 抓取機構設定:

如下圖, 以控制界面右側的上' 下鍵分別設定為操控: 將貨物抓取後抬起 以及 放下貨物後釋放 等兩個 Actions, 這是運用單一馬達完成兩個自由度的動作(也稱為 Underactuated Mechanism), 其中向上鍵的設定內容如下圖右邊 [Edit Action - Right Joystick Forward] 畫面所示:

設定的內容如下:

• Motor Action: 當持續按著向上鍵時, 接在 Port B 的馬達會以 50% 的 Speed 運轉, 此時抓取機構會開始夾住貨物, 一旦夾緊之後隨即將貨物抬起.
  至於向下鍵的 放下後釋放 反向動作設定, 則只需於 [Right Joystick Forward] 控制項中將 Motor Speed 改成 -50% 即可.
• Light Action: 當 Motor Action 啟動時, 8 個 Channels 的 Pico LED 會依單' 雙數順序, 以間隔 1 秒的週期交替輪流顯示, 作為抓取動作時的警示燈號.
• Audio: 當 Motor Action 啟動時, 會以外接喇叭播放 Servo2.wav 音效檔, 作為抓取機構的運轉音效.

當放開按鍵時, 會中止馬達的運轉以及關閉警示燈顯示與音效的播放, 這些動作設定於 [Right Joystick Center] 控制項中: (如下圖)

(2) 旋轉機構設定:

如下圖, 以控制界面左側的上' 下鍵分別設定為: 將機構順時針與 逆時針旋轉 等兩個 Actions, 其中向上鍵的設定內容如下圖左邊 [Edit Action - Left Joystick Forward] 畫面所示:

設定的內容如下:

• Motor Action: 當持續按著向上鍵時, 接在 Port A 的馬達會以 67% 的 Speed 運轉, 此時機構會 往右以順時針方向旋轉.
  至於向下鍵的逆時針旋轉動作設定, 則需於 [Left Joystick Forward] 控制項中將 Motor Speed 改成 -67% 即可.
• Light Action: 當 Motor Action 啟動時, 右側的前方向燈(編號: 6' 7' 8) 與 後方向燈(編號 4) 等 4 個 Pico LED 會閃爍顯示, 作為旋轉動作時的方向指示燈號.
  而向下鍵的逆時針旋轉動作, 則改為使用編號 1' 2' 3 與 5 等 4 個位於左側的 Pico LED.
• Audio: 當 Motor Action 啟動時, 會以外接喇叭播放 ReverseBeep1.wav 音效檔, 作為旋轉動作時的警示音效.

當放開按鍵時, 會中止馬達的運轉以及關閉警示燈顯示與音效的播放, 這些動作設定於 [Left Joystick Center] 控制項中: (如下圖)

透過 Underactuation 增加機構自由度(DOF)的方式

PFx Brick 只有兩個 Motor Ports, 通常以兩個馬達驅動的機構至多僅能有兩個動作 (DOF 自由度), 不過由示範影片中可以看出整個機構實際上共有三個動作: 抓取' 抬起(或 放下' 釋放)與 旋轉, 這是因為在抓取機構中使用了 Under-actuation 的設計: 以一顆馬達來完成兩個動作. 運作的方式參考下圖說明:

上圖的抓取機構中, 輸入齒輪(1) 的動力來源為馬達, 再透過 惰齒輪(2) 將動力傳遞給 輸出齒輪(3), 當馬達開始運轉時, 輸出齒輪(3) 會驅動夾具機構夾緊物品, 而一旦物品被夾緊而造成 輸出齒輪 停滯(halted)時, 原 惰齒輪 的角色將會轉變成 輸出齒輪 將被夾緊的物品舉起, 因此而完成了兩個自由度的動作, 這是克服 PFx Brick 只有兩個 Motor Ports 而增加機構自由度比較簡易的方式.

另外, 也可以在同一個 Motor Port 上接兩個馬達同時運轉, 不過這樣必須考量運作的協調性, 機構設計上較複雜也更耗費電力. 

PFx Brick - 兼具聲光效果的 LEGO PF 馬達 BLE 控制器

雖然目前以藍芽遙控傳統 LEGO Power Functions 馬達的控制器, 最熱門的至少還有 SBrick 與 BuWizz 兩種, 不過位於加拿大的 Fx Bricks 在 2017 年透過 Kickstarters 籌資, 也成功推出了另一款能以 BLE 遙控 PF 馬達的控制器: PFx Brick, 以下的 Demo 影片, 大致就可以看出 Fx Bricks 團隊何以在已經有強大競爭者的情況下仍然推出這項產品的企圖心.

如上面影片所展示的效果, 相較於 SBrick 或 BuWizz , 最大的差異在於 PFx Brick 多了 音效 與 燈光 功能, 此外還具有許多獨有的特性, 以下這些就是它的主要亮點:

• 內建 Flash Memory 儲存音效檔 , 可以透過外接喇叭直接撥放歌曲或音效.
• 外接 Lighting 介面, 具備 8 組可獨立控制的 channels 顯示燈光效果, 除了可接傳統的 LED 之外, 也支援 Brickstuff 的高亮度 Pico LED.
• 具備 Lego IR 接收器, 所以, 也可以使用 Lego 8879' 8885 或 EV3 的 IR Becon 遙控器進行控制 ( ** EV3 或 NXT 就可以使用 Mindsensors 或 Hitechnic 的 IR 發射器控制 PFx Brick ^^)
• 具備 Micro USB 接口, 除了作為連接電腦進行設定之外, 還可以外接行動電源供電, 大大的支援 LEGO 創作的長時間操作.

SBrick 筆記 - 三種進階功能測試 (Clinometer' Sequence' Circuit)

SBrick 的 Profile Designer 提供了 6 種控制項 (Controls) 作為遙控 LEGO PF 裝置的操作介面 :

• Slider: 以移動滑條方式控制單 Channel 的動作. 
• Joystick: 以雙向搖桿方式控制雙 Channels 的動作. 
• Button: 以按鈕的 On/Off 開關方式控制單 Channel 的動作.
• Clinometer: 測斜儀, 藉由偵測作為遙控裝置(手機 或 平板)的三種運動方式 - Pitch(俯仰)' Yaw(偏擺) 與 Roll(翻滾), 控制三 Channels 的動作.
• Sequence: 同時控制多個 Channels 依據時間序列執行指定的動作.
• Circuit: 藉由讀取指定 Channel 或 感應器的值(Input), 比對設定的條件(Logic), 觸發符合條件的控制指令(Target).

其中後三種屬於較進階的控制項, 即使 SBrick 原廠也一直延到產品上市幾個月之後才提供正常的運作功能, 尤其 Sequence 與 Circuit 兩個控制項具備可程式化的特性, 能夠運用 PF 周邊建構如同 EV3 與 NXT 一樣彈性的自動化應用, 對於 Lego Technic 玩家具有相當的吸引力.

功能測試

為了測試這三種進階控制項, 將製作一台以 PF 馬達驅動的四輪車(如下圖), 主要功能包含:

1. 以 PF Servo motor 控制車輛的轉向以及以 PF L motor 驅動車輛的行進, 另以三個 PF LED 燈分別作為車頭燈 與 左右轉向指示燈.
2. 以 Clinometer 控制項偵測手機的 俯仰 與 偏擺 動作, 遙控車輛的 進退 與 轉向, 
3. 以兩個 Sequence 控制項顯示左' 右轉向指示燈的閃爍效果.
4. 以一個 Circuit 控制項偵測車輛是否處於前進狀態, 以自動點亮 或 關閉 車頭燈.
5. 以兩個 Circuit 控制項偵測車輛是否處於左' 右轉向狀態, 以自動啟動 或 關閉左' 右轉向指示燈的閃爍顯示, 模擬真實車輛的運作.

上述功能的實作, 可以參考以下影片:

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: 馬達控制與讀取感應器, 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. 由 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 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 S2Bot 的 Scratch 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。
而雷射槍的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 的射擊動作。

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。

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。

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 的亮度與配線彈性, 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

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 EV3 與 Raspberry-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.

• 關於 ev3dev 的安裝指南, 可以參考: Getting Started with ev3dev 網頁 Step 1 ~ 3 說明.

※ 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.

• 關於 EV3 硬體功能使用方式, 可以參考: Getting Started with ev3dev 網頁 Step 5  Using the EV3 Hardware drivers 說明.
• 關於程式庫規格, 可以參考: ev3dev Language bindings 的網頁說明.

※ 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,

• 安裝 Python 3.x 程式庫方式, 可以參考:  Python2.x and Python3.x Compatibility 的網頁說明.
• 開發 ev3dev  Python 程式的方式, 在 官網 Tutorials 網頁 中有介紹在  PC 或 Mac 端安裝 PyCharm 開發環境的說明, 或是透過 SSH 連接 EV3 後直接使用文字編輯器撰寫程式.

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.

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 "雲" ，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 Gmailv2 與 Google 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：

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：
   同 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