Lego Mindstorms

Lego Mindstorms NXT kaugusandur

Lego Mindstorms on Lego tootesari, millest saab ehitada mitmeotstarbelisi roboteid. Komplekti kuuluvad programmeeritav juhtplokk (inglise keeles brick), mitmesugused andurid, mootorid ja Lego ehitusosad sarjast Lego Technics. Tootesarja arendab MIT Meedia Labor^[1] (MIT Media Lab), mis alustas koostööd ettevõttega Lego Group 1985. aastal.

Kõige rohkem kasutatakse sarja Lego Mindstorms õppevahendina, et koolitada õpilasi ja üliõpilasi. Eestis edendab Lego Mindstormsi kasutamist Kooliroboti projekt,^[2] mille eestvedajateks on Tiigrihüppe Sihtasutus, Tartu Ülikool ja MTÜ Robootika.^[3]

Nimi "Mindstorms" pärineb raamatust "MINDSTORMS: Children, Computers, and Powerful Ideas", mille autor on Seymour Papert.^[4][5] Lego Mindstorms NXT nimi tuleneb ingliskeelsest sõnast next ('järgmine').^[6]

Robotics Invention System

RCX

Esimese generatsiooni RCX programmeeritav juhtplokk (inglise keeles brick)

Esimese põlvkonna Lego Mindstorms kannab nime Robotics Invention System (RIS).^[7] Vastavasse komplekti kuulub juhtplokk RCX (Robotic Command eXplorer).

Riistvara

Juhtplokil on 8-bitine Renesas H8/3292^[8] mikrokontroller, 16 kB suurune püsimälu (ROM) ja 32 kB suurune muutmälu (RAM).^[9] Püsimälus asub baasvahetussüsteem ehk BIOS.^[10] Muutmälus asub programmi püsivara ja kasutajate loodud programmid. Seadme programmeerimiseks tuleb kasutaja loodud programm spetsiaalse infrapunaliidese abil juhtploki mällu üles laadida. Juhtplokki saab programmeerida, kasutades selleks programmeerimiskeeli, nagu RCX Code ja NXC. Erinevate programmeerimiskeelte kasutamiseks on vaja vahetada RCX püsivara.

Juhtplokil on kolm sisendit anduritega suhtlemiseks ja kolm väljundit mootoritele. Väljundporte saab kasutada ka spetsiaalsete lampide kontrollimiseks. LCD-ekraanilt saab lugeda aku laetuse taset, sisend- ja väljundseadmete staatust, programmi tööolekut ning mida kasutaja loodud programm teeb. Maksimaalselt suudab ekraan korraga kuvada nelja tähemärki.^[11]

Versioonid

Kokku on loodud kolm versiooni: 1.0, 1.5 ja 2.0. Versiooni 1.0 RCX juhtploki eripära on toiteadapteri olemasolu, mis lubab seadmel töötada ka ilma patareideta. Versioonides 1.5 ja 2.0 on toiteadapter eemaldatud ja seadme toide tuleb patareidelt. Seadmed kasutavad toiteks kuut AA-tüüpi 1,5 V patareid. Toiteadapteriga RCX-versioonid on populaarsed statsionaarsete robootikaprojektide loomisel, nagu robotkäed või kontrollitavad Lego rongid (Lego Train). Erinevus kolme versiooni vahel peale toiteallika on ühendamine arvutiga, kasutades selleks infrapunaliidest (IrDa). Versioonides 1.0 ja 1.5 kasutab IrDa suhtluseks DE-9 jadaväratit, versioonis 2.0 on jadavärat asendatud USB-liidesega.

Infrapunaliides ja suhtlus

RCX on võimeline suhtlema teise RCX-seadmega, kasutades selleks sisseehitatud infrapunaliidest. Üks seadmetest hakkab täitma saatja ja teine vastuvõtja rolli. Infrapunaliidese abil on RCX võimeline suhtlema seadmetega Spybots, Scout Bricks, Lego Train ja NXT. NXT puhul on vajalik kolmanda osapoole infrapunaliidese moodul.

RCX 1.0 IrDa kandesignaali sagedus on 38,5 kHz ja RCX 2.0 IrDa kandesignaali sagedus on 76 kHz. Mõlemad versioonid suudavad saata andmeid mõlemal sagedusel.^[12] Kandesignaal on genereeritud RCX sisemiste taimeritega.

RCX suhtleb arvutiga läbi jadaühenduse või USB-põhise IrDa-torni.^[13] IrDa-torni toetavad operatsioonisüsteemid Windows 98, ME ja XP (32-bitine). Eksisteerib parandusprogramm, et toetada hüperhargtöötluse tehnoloogiaga mitmetuumalisi protsessoreid. Ametlik tugi Windows Vistale (32-bitine) puudub, aga leidub vastavaid draivereid, mis tagavad korrapärase töö. Jadaühenduse torn töötab tõrgeteta 32-bitise Windows 7 operatsioonisüsteemiga, kui kasutada kolmanda osapoole USB-jadaühenduse adapterit ja draiverit.

Unikaalne kood

Kõikidel RCX versioonidel on unikaalne number, mis on seadmele trükitud. See oli vajalik tehnilisele toele, et luua Lego Mindstorms kasutajakontot veebilehel, mis nüüdseks on oma töö lõpetanud. Esimene toodetud RCX on tähistatud numbriga "000001".^[14]

Robotics Discovery Set

Scout

Scout on sinist värvi juhtplokk, millel on kaks porti anduritele, kaks mootoritele ja üks sisseehitatud valgusandur. Juurde saab lisada veel ühe mootoripordi, kui kasutada seadet Micro Scout. Scouti saab osta komplektiga Robotics Discovery Set. Programmeerimiseks peab kasutaja lubama toiterežiimi (power mode). Scout suudab hoida mälus ühte programmi.^[15]

Riistvara

Scout kasutab Toshiba mikrokontrollerit. Mälu on jaotatud 32 kB püsimälu ja 1 kB muutmälu (RAM) vahel, millest 400 B on vaba kasutajale kasutamiseks. Seadme püsivara asub püsimälus, mis ei lase kasutada teisi püsivarasid. Muutmälu väikese mahu tõttu on paljud eelmääratletud alamfunktsioonid paigutatud püsimällu.^[16]

Scout toetab ainult passiivseid välisandureid, mis tähendab, et ainult puute-, temperatuuri- ja teised toidet mittevajavad andurid saavad olla kasutuses. Scout kasutab 8-bitise resolutsiooniga A/D-muundurit, samas kui RCX kasutab 10-bitist A/D-muundurit.^[17]

Infrapunaliides ja suhtlus

RCX saab kontrollida seadet Scout, kasutades "Send IR Message" programmiplokki. RCX tegeleb Scouti kontrollimisega, samal ajal kui Scout võtab vastu RCX-ilt käsklusi. Sel ajal on vaja seadmel Scout kõik sätted välja lülitada ehk seada režiimi off.

Scout suudab omakorda kontrollida Micro Scouti, kasutades selleks VLL-tehnoloogiat (Visual Light Link)^[18] ja spetsiaalset optilist fiiberkaablit.^[19]

Tarkvara

Legol oli plaan toota eraldi lisapakett, mis lubaks kirjutada Scoutile programme, kasutades selleks arvutit ja tarkvara, nagu RCX Code. Projekti keerulisuse ja kulukuse tõttu see tühistati.

Droid Developer Kit ja Dark Side Developer Kit

Micro Scout

Micro Scout loodi algtaseme kasutajate jaoks. Tegemist on limiteeritud juhtplokiga, millel on üks sisseehitatud valgusandur ja mootor. Micro Scouti juhtplokki kutsutakse inglise keeles sõnaga brick. Seadmel on seitse sisseehitud programmi. Seadet saab kontrollida seadmete Scout, Spybotics või RCX abil, kasutades VLL-põhist ühendust. Micro Scout (nagu Scout) baseerub Toshiba mikrokontrolleril.

Programmeerimine

Seadet saab programmeerida VLL abil. Selleks on esmalt vaja kalibreerida valgusandur, mis seadme sisselülitamisel seadistab ära tumeduse väärtuse. Järgnevalt on vaja Micro Scout sätestada programmeerimisrežiimi, mis paneb seadme lugema VLL koode.^[18][20] Järgnevalt on võimalik anda seadmele ette kuni 15 juhist. Programmi loomisel kustutatakse vana programm mälust ja asendatakse uuega. Salvestamiseks ja käitamiseks tuleb vajutada Run-nuppu. Salvestatud programmi ei saa muuta, vaid see tuleb uuega asendada.

Komplektid

Seadet müüdi osana, mis kuulus komplekti Droid Developer Kit (R2D2), ja hiljem ka Darkside Developer Kit (AT-AT Imperial Walker).

Lego Mindstorms NXT

Lego Mindstorms NXT juhtplokk

Lego Mindstorms NXT Intelligent Brick/NXT juhtplokk

NXT juhtplokk (Intelligent Brick) on RCX juhtploki järglane, sellest tuleneb ka nimi NXT ehk NEXT (järgmine). Tegemist on järgmise generatsiooni juhtplokiga, millel on kaks protsessorit – peamine on Atmel 32-bitine ARM7 protsessor AT91SAM7S256 ja teine kaasprotsessor Atmeli 8-bitine AVR protsessor ATmega48. Mäluhaldust tehakse ARM7 256 kB välkmäluga ja 64 kB muutmäluga.^[21] Kasutajale on vaba mälu umbes 120 kB. Selline kogus tuleneb sellest, et välkmälus paikneb ka püsivara. Tänu sellele on võimalik seadmele laadida peale teisi püsivarasid ja kasutada programmeerimiseks ka teisi programmeerimiskeeli. Arvutiga ühendamiseks saab kasutada USB 2.0 ühendust või Bluetooth 2.0 juhtmevaba ühendust.

Seadmel on neli sisendporti, kolm väljundporti, valjuhääldi, 100 × 64-piksline LCD-ekraan, neli nuppu. Seadet toidab kuus AA-tüüpi 1,5 V patareid või 1400 mAh laetav liitiumioonaku.^[22] Andurite ja mootorite vaheliseks suhtluseks kasutatakse I²C^[23][24] ja RS-485^[25] protokolle. Kõikides NXT versioonides on juhtplokk sama.

Lego Mindstorms NXT 1.0

Lego Mindstorms NXT on programmeeritav robootikakomplekt, mis toodi turule 2006. aasta juulis, asendades sellega esimese generatsiooni Lego Mindstorms komplektid. Komplekt koosneb 577 elemendist: kolmest servomootorist, neljast andurist (kaugus-, heli-, puute- ja valgusandur), seitsmest ühenduskaablist, USB-liidese kaablist ja NXT juhtplokist. Komplektis on lisaks veel NXT-G, mis on visuaalne programmeerimiskeskkond, mis võimaldab luua uusi programme ja neid ka kergesti NXT-seadmesse üles laadida. Tarkvaral on lisaks veel instruktsioonid nelja baasroboti jaoks, milleks on järgmised: Alpha-Rex (humanoid), Tri-Bot (auto), Robo-Arm T-56 (robotkäsi) ja Spike (skorpion).

Lego Mindstorms NXT õppeversioon

Lego Mindstorms NXT õppeversioon (Educational Version) on loodud koolidele, et arendada noortes huvi reaalainete vastu. Komplekti ei kuulu tarkvara, see tuleb eraldi juurde osta. Arendamise käigus on võimalik vahetada püsivara ja valida sobivaim programmeerimiskeel, millest paljud on vabavaralised ja tasuta. Õppeversiooni baaskomplekt^[26] koosneb 431 elemendist, mille sisse on arvestatud erinevad andurid, mootorid, jne. Põhiosade hulka kuuluvad järgmised komponendid:

• kolm servomootorit,
• ultraheliandur ehk kaugusandur,
• heliandur,
• valgusandur,
• kaks puuteandurit,
• laetav aku,
• aku laadija,
• ühenduskaablid,
• NXT juhtplokk,
• komplekteerimisjuhised.

Lisaks on võimalik juurde osta lisakomplekt,^[27] mis täiendab komponentide kogust 817 võrra. Komplekt koosneb peamiselt erilistest detailidest (käigud, ühenduskaablid, rattad). Õppeversioon sobib hästi kokku vanemate Mindstormsi versioonidega, kuna sisaldab ka kolme erilist tagasiühilduvat ühenduskaablit.

Lego Mindstorms NXT 2.0

Lego Mindstorms NXT 2.0 avaldati 5. augustil 2009. Komplekt koosneb 619 osast (koos mootorite ja anduritega). Versiooniga 2.0 tutvustati värviandurit, mis suudab eristatada peale musta ja valge ka erinevaid heledusi ja värve. Komplekti moodustavad^[28] peale ehitusosade järgmised andurid:

• ultraheliandur, mis funktsioneerib kui kaugusandur
• kaks puuteandurit
• kolm servomootorit
• värvusandur

  

  Mindstorms NXT Color Sensor (värvusandur)

• NXT juhtplokk

Erinevus varasemate versioonide ja NXT 2.0 vahel on võime opereerida ka ujukomaarvudega, kui eelmised versioonid olid vaid suutelised tegema tehteid täisarvudega. Tegemist on tarkvaralise lahendusega püsivaras ja seega saab uuendada ka NXT 1.0 versioone 2.0-ks. Tähelepanuväärne erinevus on ka selles, et uues versioonis puudub heliandur, selle asemel on lisatud veel üks puuteandur.^[29]

Andurid

Lego Mindstormsiga ühildub palju andureid, mille hulka kuuluvad ametlikud Lego ja kolmandate osapoolte andurid. Suuremad kolmandate osapoolte andurite tootjad on HiTechnic,^[30] Mindsensors^[31] ja Vernier.^[32] Järgnevalt on toodud Lego Mindstorms NXT standardandurid.

NXT heliandur	NXT kaugusandur (ultraheliandur)	NXT valgusandur	NXT puuteandur	NXT mootor

Programmeerimiskeeled

Lego Mindstormsi programmeerimine^[33] on pigem käsukastidega programmeerimine, kui koodprogrammeerimine. Leidub ka programmeerimiskeeli, millega arendamine on raskem algajatele, kuid annavad rohkem võimalusi.

Lego ametlikud programmeerimiskeeled

• RCX Code^[34] RCX juhtploki programmeerimiseks loodud visuaalne programmeerimiskeel.
• ROBOLAB^[35] RCX juhtploki programmeerimiseks loodud visuaalne programmeerimiskeel. Kasutab LabView'd programmi mootoriks, arendatud Tuftsi Ülikoolis.
• NXT-G^[36] Graafiline arenduskeskkond, visuaalne programmeerimiskeel, mis tuleb kaasa NXT sarjaga (kasutab LabView'd programmi mootoriks).

Populaarsed kolmandate osapoolte keeled

• GNAT GPL^[37] – NXT-programmeerimine, kasutades Ada programmeerimiskeelt.
• Not Exactly C (NXC)^[38] – vabavaraline C-programmeerimiskeelega sarnane kõrgtaseme programmeerimiskeel.
• Not Quite C (NQC)^[39] – vabavaraline C-programmeerimiskeelega sarnane kõrgtaseme programmeerimiskeel.
• RoboMind^[40] – skriptimiskeel virtuaalsetele ja füüsilistele Lego NXT robotitele.
• pbFORTH^[41] – Forth Lego Mindstormsile
• pbLua^[42] – Lua programmeerimiskeel Lego Mindstormsile.
• Visual Basic^[43] – Visual Basicu programmeerimiskeel Lego Mindstormsile.
• LeJos^[44] – Java programmeerimiskeel Lego Mindstormsile.

Lego Mindstorms Eestis

Eestis tegeleb Lego Mindstormsi edendamisega Kooliroboti projekt.^[45] Projekt sai alguse 2007. aasta kevadel eesmärgiga edendada inseneriteadust Eesti koolides. Projekti edendamiseks otsitakse koole, kes oleksid nõus projektis osalema.

Projekti raames korraldatakse õpetajatele kursuseid ning jagatakse õppematerjale. Robootikakomplektide ostmiseks peavad koolid leidma endale sponsorid või taotlema toetust Tiigrihüppe Sihtasutusest.

Tuntumaid robootikavõistlusi:

• Baltic Robot Sumo^[46] – Eesti, Läti ja Leedu robotiehitajate võistlus, mille eesmärgiks on insenerioskuste ja tehnilise loomingulise mõtlemise propageerimine.
• Robots Intellect^[47] – Leedus toimuv Baltimaade robootikavõistlus, mille peaauhind on 9000 eurot. Meeskond võib koosneda kuni neljast liikmest ja osaleda saab kuni kahe robotiga.
• EstLati robotivõistlus^[48] – Eesti ja Läti robotiehitajate võistlus. Võisteldakse joone järgimises, sumomaadluses ja etteantud linna läbimises.
• FIRST Lego League Eesti^[49] – robotivõistluse eesmärgiks on lahendada 2,5 minuti jooksul erinevaid ülesandeid ja koguda võimalikult palju punkte. Ülesanneteks on tõsielulised probleemid. Probleeme lahendatakse Lego Mindstorms NXT juhtploki abil.
• Robotex^[50] – Robotex on Tallinna Tehnikaülikooli, Tartu Ülikooli ja IT Kolledži korraldatav robotite võistlus. Võistlus toimub igal sügisel alates aastast 2001. Peamisteks ülesanneteks on jalgpall ja joone järgimine.

Vaata ka

• Lego Mindstorms EV3

Viited

1. "MIT Meedia Labor ja Mindstorms". MIT Media Lab (inglise keeles). Originaali arhiivikoopia seisuga 29.01.2013. Vaadatud 10.11.2012.
2. "Kooliroboti projekt". Originaali arhiivikoopia seisuga 7.03.2012. Vaadatud 10.11.2012.
3. "Kooliroboti projekti toetajad". Vaadatud 10.11.2012.^{[alaline kõdulink]}
4. Seymour Papert (1980). MINDSTORMS: Children, Computers, and Powerful Ideas. New York: Basic Books. ISBN 0465046290.
5. Bumgardner, Jim (29. märts 2007). "The Origins of Mindstorms". Wired (inglise keeles). Vaadatud 10.11.2012.
6. "NXT nimi". Robotsquare (inglise keeles). 18. veebruar 2012. Vaadatud 10.11.2012.
7. Latif, Usman (27. november 2005). "Lego Mindstorms: What Went Wrong?". TechUser.Net (inglise keeles). Originaali arhiivikoopia seisuga 28.12.2011. Vaadatud 10.11.2012.
8. Caprani, Ole (2. juuni 2006). "The RCX CPU" (inglise keeles). Originaali arhiivikoopia seisuga 5.04.2013. Vaadatud 10.11.2012.
9. Caprani, Ole (2. juuni 2006). "The RCX Memory" (inglise keeles). Originaali arhiivikoopia seisuga 5.04.2013. Vaadatud 10.11.2012.
10. "RCX ROM" (PDF) (inglise keeles). Originaali (PDF) arhiivikoopia seisuga 20.06.2013. Vaadatud 4.12.2012.
11. "RCX LCD Display" (inglise keeles). Vaadatud 10.11.2012.^{[alaline kõdulink]}
12. "RXC kandesignaal" (inglise keeles). Originaali arhiivikoopia seisuga 15.06.2011. Vaadatud 10.11.2012.
13. "RCX IrDa-torn" (PDF) (inglise keeles). Originaali (PDF) arhiivikoopia seisuga 20.06.2013. Vaadatud 04.12.2012.
14. "Esimene RCX juhtploki pilt". Vaadatud 10.11.2012.
15. "Lego Mindstorms Scout Software Developer Kit" (PDF) (inglise keeles). Vaadatud 4.12.2012.^{[alaline kõdulink]}
16. Gasperi, Michael; Hempel, Ralph; Villa, Luis; Baum, Dave (2000). Extreme MINDSTORMS: An Advanced Guide to Lego MINDSTORMS. New York: Springer-Verlag New York. ISBN 1893115844.
17. "A/D muundurid, RCX ja Scout" (inglise keeles). Originaali arhiivikoopia seisuga 10. veebruar 2001. Vaadatud 10.11.2012.
18. "VLL" (inglise keeles). Vaadatud 10.11.2012.
19. "Scout ja Micro Scout" (inglise keeles). Vaadatud 10.11.2012.
20. "VLL koodid Micro Scout´ile" (PDF) (inglise keeles). Originaali (PDF) arhiivikoopia seisuga 5.12.2004. Vaadatud 10.11.2012.
21. "Lego NXT Memory and Power Supply" (PDF) (inglise keeles). Vaadatud 10.11.2012.^{[alaline kõdulink]}
22. "What's Inside the NXT Brick?" (inglise keeles). 2. august 2006. Vaadatud 10.11.2012.
23. Toledo, Sivan (oktoober 2006). "I²C ja NXT" (inglise keeles). Vaadatud 10.11.2012.
24. "Lego NXT I²C communication" (inglise keeles). 5. aprill 2009. Vaadatud 10.11.2012.
25. "RS-485 ja NXT" (inglise keeles). Vaadatud 10.11.2012.
26. "Lego Mindstorms õppeversiooni baaskomplekt" (inglise keeles). Vaadatud 10.11.2012.
27. "Lego Mindstorms NXT õppeversiooni lisakomplekt" (inglise keeles). Vaadatud 10.11.2012.
28. "Lego Mindstorms NXT 2.0 komplekti kirjeldused erinevates keeltes" (inglise keeles). Originaali arhiivikoopia seisuga 3.10.2013. Vaadatud 10.11.2012.
29. "Understanding the difference between NXT set versions". Robotsquare (inglise keeles). 18. veebruar 2012. Vaadatud 10.11.2012.
30. "HiTechnic andurid" (inglise keeles). Vaadatud 10.11.2012.
31. "Mindsensors andurid" (inglise keeles). Vaadatud 10.11.2012.
32. "Vernier andurid" (inglise keeles). Originaali arhiivikoopia seisuga 10.01.2013. Vaadatud 10.11.2012.
33. "Lego Mindstorms programmeerimiskeeled" (inglise keeles). Vaadatud 10.11.2012.
34. Knudsen, Jonathan (31. jaanuar 2000). "Lego MindStorms: RCX Programming". O´Reilly (inglise keeles). Vaadatud 10.11.2012.
35. "ROBOLAB-online" (inglise keeles). Originaali arhiivikoopia seisuga 2.11.2012. Vaadatud 10.11.2012.
36. "Eestikeelne NXT-G kasutusjuhend" (PDF). Originaali (PDF) arhiivikoopia seisuga 10.03.2016. Vaadatud 10.11.2012.
37. "GNAT GPL" (inglise keeles). Vaadatud 10.11.2012.
38. "NXC" (inglise keeles). Vaadatud 10.11.2012.
39. "NQC" (inglise keeles). Vaadatud 10.11.2012.
40. "RoboMind" (inglise keeles). Vaadatud 10.11.2012.
41. "pbFORTH" (inglise keeles). Originaali arhiivikoopia seisuga 16.03.2007. Vaadatud 10.11.2012.
42. "pbLua" (inglise keeles). Originaali arhiivikoopia seisuga 29.01.2016. Vaadatud 10.11.2012.
43. Hanley, David ja Hearne, Sean. "Lego Mindstorms Programming with Visual Basic" (PDF) (inglise keeles). Originaali (PDF) arhiivikoopia seisuga 17.04.2012. Vaadatud 10.11.2012.
44. "Ülevaade Lego Mindstorms NXT ja Java ühildumisest". Originaali (PDF) arhiivikoopia seisuga 2.04.2015. Vaadatud 10.11.2012.
45. "Kooliroboti projekt". Originaali arhiivikoopia seisuga 7.03.2012. Vaadatud 11.11.2012.
46. "Baltic Robot Sumo koduleht" (inglise keeles). Vaadatud 11.11.2012.
47. "Robots Intellect koduleht" (inglise keeles). Originaali arhiivikoopia seisuga 5.01.2013. Vaadatud 11.11.2012.
48. "EstLat robotivõistluse koduleht" (inglise keeles). Originaali arhiivikoopia seisuga 21.03.2012. Vaadatud 11.11.2012.
49. "Mis on FLL?". Vaadatud 11.11.2012.
50. "Robotex". Vaadatud 11.11.2012.