前言

還記得第一次興奮地把玩著手中的樂高機器人嗎？那種感覺就像是整

個世界為你而敞開似的！製作了這麼多的機器人，來面對一些有趣的

挑戰，進行實驗，採用一些有趣的設計方式，它的應用層面真的是無

限的寬廣。例如改裝一部分的積木與發光二極管（LEDs），用膠水將這些零組件都組裝在一起，讓機器人更耐用。試想能夠用樂高積木來

製作的機器人的確是一個令人振奮的體驗。

我個人最喜歡的是一個可以和樂高機器人一起完成的實驗，該實驗的

目的是為了判斷使用光感測器或觸控感測器（這是利用虎克定律及彈

簧的校準實驗）來進行藥丸的計數作業是否會更有效率。在真實世界

的應用，以及以應用科學的方法為基礎的協助之下，我最後在高中和

社區的科學展覽中贏得了兩枚金牌。

為了加快使用更先進的機器人來完成實驗的腳步，選用 RCX 2�0並不是一個很好的方案。 該裝置缺乏與各種感測器和致動器溝通的介面，使得它成為往後發展的最大障礙，所以我甘願冒險進入 Arduino的領域！從那個時候開始，我的腦海裡就已經浮現出了一個更有趣味的機

器人的技術領域了。

值得一提的是，機器人領域的學習之旅是有趣味而且永無止境的。這

本書將提供一個巨大的跳板，協助你進入更專精的機器人領域裡。不

僅你將能夠做出更精密的機器人，解決更複雜的技術挑戰，或親自體

驗更多精心製作的實驗，而且，無論是軟體程式設計、電子領域、機

械結構、設計和應用，你將有更好的機會去發掘自己到底喜歡哪個機

器人應用的領域。

viii

前言

當開始接觸應用 Arduino的新樂高的機器人時，你會覺得整個世界又再次地向你敞臂開放，而且它還提供了更廣、更深的技術層次讓你探

索！盡情地接受它，因為你永遠不知道你的下一機器人的製作可能會

將你帶往何處。 也許它會像教學機器鳥（RoboBrrd）一樣，從原型的開發到一個完成上架的產品組合，甚至啟發了更多新一代機器人的製

造者。一定要與你的朋友或網路社群一起分享你對機器人領域的熱

誠。請記住機器人可以教我們如何更了解自己，包括如何思考、行為

舉止模式為何，以及對事物的反應模式。

歡迎你進入一個令人目不暇給的機器人世界！現在開始著手學習並且

將機器人的應用提升到一個新階段！

- Erin "RobotGrrl" Kennedy

本章內容

• 本書所做的論述

• 本書的內容

• 本書編排慣例

• 使用範例程式

• John致謝詞

• Matthew致謝詞

• Adam致謝詞

序

在蠻王柯南這部經典的劍與巫術的小說中提到，當時標題是這麼下

的：“什麼是人們最嚮往的生活？”其中一位威猛戰士響應“ 要粉碎你的敵人，將他們驅趕在你面前，然後聽到他們的女人的哀嚎 ”。

錯了，柯南。你錯了。

首先，迫害人民，讓他們與最親近的親人分開的悲慟行為是非常不

智之舉。這是不對的，柯南，你要知道能夠擁有蛋糕同時還可以享

用它才是生命中最美好的事。試想一下，為什麼是這樣的情境呢，

野蠻人，喔，我不是指你的意思，你應該會這麼認為，例如只能把

Arduinos拿來當作消遣 ，而不能夠將它們與 Lego Mindstorms NXT實驗項目整合在一起不是很不值得嗎？

如果你還不了解，Arduino的特殊現象是當今電子業餘同好之間最酷、最熱門的議題。它讓你自己可以開始撰寫程式、讓使用微控制器

能變得很輕鬆就可以上手。你或許還不清楚 Lego Mindstorms NXT的流行現象，已經是當今業餘同好機器人應用最酷的事件了。這個發展

使得製作屬於自己的機器人變得格外容易。

《Make: 樂高機器人與 Arduino專題製作》，是全力結合以上兩個主題而出版的。

本書所做的論述

這本書一開始，利用兩個較簡單的實驗項目，屬於普通的技術難度。 也就是說，你可能會發現在後面一些章節的主題會變得相當具有挑戰

性。但是不必擔心！你製作各個實驗項目所需要的相關資訊，都會有

詳盡的解說，其中真正困難的議題也只是單純的提供資訊讓你做參考

而已。

除此之外，我們在本書所列舉的機器人，儘量利用了我們廣泛收集來

的樂高積木所設計的。如果你手上只有一個非常簡易的積木組合，至

x

序

少你會想要取得樂高的 Mindstorms NXT 2�0組合，但是你一定得要購買更多的零組件才能完成本書所有的實驗項目。

本書的內容

我們在這本書裡討論了各式各樣的主題。你會學習到下列的重點：

第 1章向讀者介紹了樂高積木和 Arduino的絕佳組合，也就是繪圖機器人（Drawbot）的實驗項目。這是一個簡單的實驗，該實驗製作了一個用畫筆來繪製各種圖案的機器人。它會協助你利用 Arduino深入探討 Mindstorms馬達系列的奧秘之處。我們還引進了 Bricktronics Shield模組，這是 Arduino周邊的擴充硬體，它可以拿來當作樂高積木和 Arduino之間的通訊介面。

在第 2章，我們將強化樂高積木的使用技巧，學習有關 Mindstorms系列組合以及 Technic 和 Power Functions兩個產品組合的相容性。

第 3章介紹的是截然不同系列的產品：學習有關 Arduino和名為 shield 的擴充電路板模組。

接下來我們的第二個實驗項目是一個時鐘裝置，將在第 4章首次亮相，並且會示範如何使用 Mindstorms馬達，來精確控制時鐘的時針與分針的轉動。

第 5章將詳細介紹本書中最複雜的機器人之一，巧克力牛奶製造機，該裝置會將牛奶和巧克力糖漿混合放入杯中並且用電動攪拌器加以均

勻攪拌。

我們將在第 6章了解到更多有關電子產品的奧秘，了解電的原理，所有零組件的用途，以及如何操作電子業餘愛好者的主要診斷工具，也

就是萬用電表的使用。

第 7 章提供了另一個技術更精密的機器人，一個魔爪機器人（Gripperbot） ：一個利用滑輪與 Arduino的護腕裝備以及一組Wii 雙節棍式（Nunchuk）控制器所組合而成的應用。

第 8章告訴你如何製作一個酷炫的電子樂器， 電子吉他（Keytar）。這是一個樂高吉他的裝置，安裝了各種按鈕和旋鈕可以發出各種電子

音樂！

對於最後一個實驗項目，在第 9章介紹了我們的燈具裝置，其中詳細製作了用智慧手機控制的樂高燈具。

本書第 10章，涵蓋了一批進階馬達的選項和電源供應器等主題，以及如何製作與麵包板具備等值功能的 Bricktronics Shield模組。

祝你好運，製作愉快！

1

圖 1-1　Drawbot實驗項目包括一個小型，輪式機器人，藉由走動進行繪圖的挑戰

我們的第一個實驗項目是個 Drawbot（如圖 1-1所示），一個小機器人，拿著麥克筆到處畫畫，留下 Drawbot所經過的路徑用畫筆把它呈現出來。我們會撰寫程式讓機器人遇到障礙物時會自動轉向嘗試另一

條路徑，讓它即使遇到障礙物還能繼續繪圖。

我們會挑戰藝術創作中最基本的繪圖技巧。基本上，我們會撰寫程式

讓機器人藉由觸控感測器的輸入訊號所做出的反應進而繪製出一系列

的圓、圓弧、螺旋等不同的圖案（如圖 1-2所示）。

本章內容

• 零組件清單

• 組裝說明

• 替機器人撰寫程式

• 下一章節

實驗項目：Drawbot

2

第 1章 實驗項目：Drawbot

圖 1-2　機器人製作的藝術！

這是 Drawbot的作業原理。當保險桿第一次被碰觸時，每個馬達分配到一個隨機的速度，從 255（全速向前）到 -255（全速向後）。另外有一個隨機分配暫停時間，介於 1秒到 10秒之間。如果保險桿被碰觸時，兩個馬達的旋轉方向改為逆轉，並且速度會因此放慢一些。如果

馬達的轉速已經非常慢或是暫停時間已過，新的隨機速度會另外分配

給每個馬達，此外還指定一個新的隨機暫停時間。你看 Drawbot所繪製的圖案是不是很酷呢？

零組件清單

與其它的模型相比雖然沒有那麼複雜，Drawbot的小小組合裡還是包含很多的小細節。讓我們來了解一下，當你製作該機器人時需要用到

哪些零組件。

工具及電子零組件

• Arduino Uno

• Bricktronics Shield（如圖 1-3所示以及第 3頁的“Bricktronics的簡介”）

• 幾個＃ 2號，0�25吋長的木螺絲

• 2�1毫米的 DC插頭（我們使用 Digi-Key的產品編號是 CP3-1000- ND）

• 電池組（Mouser產品編號 12BH361A-6R）

• Bricktronics固定板（參考第 21頁的“安裝 Arduino的電池”）

• 用標準木製附彈簧的曬衣夾

• 麥克筆

• 一支 #8-32，1�5吋長的機械螺絲，附帶墊圈和螺帽

3

零組件清單

BRICKTRONICS 的簡介

什麼是 Bricktronics ？當我們三個人著手寫這

本書時，馬上就體會到我們需要某種裝置當作

Arduino、Mindstorms馬達、和感測器之間的介

面。在初期我們嘗試用麵包板做成一個小型電路

板，同時設想如何在 Mindstorms電線的尾端添加

與 Arduino相容的插頭，但最後還是決定製作屬於

自己的 shield電路板會來得更有意義。而其結果就

是開發出 Bricktronics Shield模組！

shield電路板讓你能夠同時控制到四個感測器、兩

個Mindstorms馬達、以及額外的零組件，如 Power

Functions馬達就是一個最好的例子。它的目的不

是用來取代 NXT積木組合，而是讓你把受歡迎的

Arduino環境，以及 NXT馬達和感測器的應用整合

起來。就如同我們整本書中所使用的 Bricktronics

Shield模組，你會學習到一些相關的功能，我們認

為你會因此而感到興奮甚至期待它可以發揮一些

作用！

如果這還不夠，我們還設計了 Bricktronics 馬

達控制器（第 7章你會首次與我們見面），讓

你控制多達五個 Mindstorms 馬達以及額外的

Power Functions馬達。它不但很酷炫而且功能

強大！

圖 1-3　Bricktronics Shield（右側電路板）是你結合樂高和 Arduino技術的管道介面！ Bricktronics馬達控制器（左側電路板）協助你控制複雜的馬達配置

樂高零組件

我們用下面的樂高零組件（如圖 1-4所示）來製作 Drawbot。將你所需要的所有零組件彙整，然後按照本章節後面的說明來製作機器人。

我們已透過測試並進行調整和改變，花了好幾個月開發該模型。我們

對這些作品感到很驕傲，整體設計的功能都表現地很好。然而它們只

是我們眾多實驗項目有效設計中的一個代表而已！請根據你自己的需

求進行調整，同時觀察它們對實驗項目有什麼樣的影響！

A� 觸控感測器

B� 兩個互動式伺服馬達

4

第 1章 實驗項目：Drawbot

C� 三條 Mindstorms傳輸線（圖 1-4沒有顯示）

D� 兩個輪圈

E� 兩個輪胎

F� 一支 2M Technic樑柱 *

G� 兩支 7M Technic樑柱

H� 四支 Technic轉角樑柱 3×5

I� 兩支雙轉角樑柱 3×7

J� 兩支 Technic 3M連桿 *

K� 四支 Technic 4M連桿 *

L� 兩支 Technic正三角形連桿 *

M� 兩支直角三角形連桿 3×5*

N� 18個短套筒

O� 9個套筒

P� 5支 2M十字軸（紅色）

Q� 3支 3M連桿插銷（藍色）

R� 12支十字連桿插銷（藍色）

S� 1支十字連桿插銷，不含止滑片（米色）

T� 3個 3M十字軸

U� 6個 3M含握柄的十字軸

V� 5個 4M十字軸

W� 2個 4M十字軸（附尾端固定器）*

X� 6個 5M十字軸

Y� 1個 8M十字軸 *

Z� 2支管子 *

AA� 2個延長型十字軸

BB� 1個 T型三孔連桿

CC� 7個雙十字連桿 *

DD� 4個直型（180度）轉角連桿

EE� 1支 Technic十字連桿叉

FF� 1個 2×3十字連桿

GG� 1個 3×3連接積木 *

HH� 2支 3M Technic連桿（附卡榫）

II� 2個皮帶輪 *

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零組件清單

*標有星號的零組件代表不包含在 Lego Mindstorms NXT 2�0的組合或數量不足者。需要注意的是在樂高組合裡的數量，由於包

裝作業的錯誤，有時會與官方的數字不符。

圖 1-4　這些是用來製作 Drawbot所需要的樂高積木零組件

非標準零組件的採購

可惜的是，Mindstorms組合中只包含一個少量抽

驗的作業，特別是考慮到樂高數量龐大的產品項

目。在這個模型的製作過程中，我們努力的將你

需要購買其它一系列的零組件的明細單降到越少

越好。如果你本身有一個小小的樂高系列收藏 -我

們假設它的最低限度是一個 Mindstorms組合！可

以參考下面的列表明細找到數量不足的部分。

需要注意的是我們連接到 Peeron網站，這是一個

致力於提供樂高大宗零組件目錄服務的第三方網

站。每一個網頁包括一系列提供該零組件的商家。

這是一個豐富資源！

• 1支 Technic 2M樑柱，產品編號 43857，http://peeron.com/inv/parts/43857

• 2支 Technic 3M連桿，產品編號 6632，http://peeron.com/inv/parts/6632

• 4支 Technic 4M連桿，產品編號 32449，http://peeron.com/inv/parts/32449

• 2個 Technic正三角形連桿，產品編號 2905，

http://peeron.com/inv/parts/2905

• 2個雙十字連桿，產品編號 32184，http://peeron.com/inv/parts/32184

• 2直角三角形連桿 3×5，產品編號 32250，

http://peeron.com/inv/parts/32250

• 2支管子，產品編號 62462，http://peeron.com/inv/parts/62462

• 1個 8M十字軸，產品編號 3707，http://peeron.com/inv/parts/3707

• 1個 4M十字軸（附尾端固定器），產品編號

87083，http://peeron.com/inv/parts/87083

• 1個 3×3的連接積木，產品編號 111，http://peeron.com/inv/parts/111

• 2個皮帶輪，產品編號 4185，http://peeron.com/inv/parts/4185

另外，你也可以選擇購買包括上述零組件的

Bricktronics超級組合，這麼一來你就不必自己去個

別尋找了！

6

第 1章 實驗項目：Drawbot

組裝說明

雖然機器人個體比較小，但是它的組裝可能會有點難度。所幸以下的

解說將會帶領你完成這些組裝的步驟。

製作樂高模型

讓我們來進行 Drawbot的樂高底盤。這個有趣的小機器人有三個輪子和一個漂亮的大平台來安裝電池組以及 Arduino和 Bricktronics Shield電路板。

1� 讓我們開始進行保險桿的裝配。將直型轉角連桿連接到三角形

的 3×3積木（如圖 1-5所示）。

2� 將紅色 2M十字軸插入上述積木。如圖 1-6顯示它插入的位置。

3� 保險桿組合裡添加一個正三角形連桿，利用 2M十字軸來固定（如圖 1-7所示）。

圖 1-5　步驟 1：保險桿的裝配 圖 1-6　步驟 2：繼續裝配保險桿 圖 1-7　步驟 3：添加一個正三角形連桿

7

組裝說明

4� 再添加兩個 2M十字軸（如圖 1-8所示）。

5� 添加轉角樑柱（如圖 1-9所示），它們是實際產生碰撞時發揮作用的零組件！

圖 1-8　步驟 4：更多的十字軸 圖 1-9　步驟 5：裝配好的保險桿

6� 在上方再添加一個正三角形連桿，藉以確保各個零組件（如圖

1-10所示）。

7� 在正三角形連桿頂部的孔插入一個 3M十字軸，並且預留足夠的空間可以在頂部和底部分別安裝一個短套筒（如圖 1-11所示）。

圖 1-10　步驟 6：再添加一個零組件 圖 1-11　步驟 7：插入一個十字軸，讓它兩端都稍微露出一部分

8

第 1章 實驗項目：Drawbot

8� 添加短套筒（如圖 1-12所示）。保險桿的裝配已完成！

圖 1-12　步驟 8：完成保險桿裝配

9� 接下來，讓我們進行 Drawbot馬達的裝配作業。透過馬達的裝配孔插入兩個 5M十字軸，同時在該處安裝一支 L型樑柱（如圖1-13所示）。

圖 1-13　步驟 9：安裝十字軸和 L型樑柱

9

組裝說明

10� 添加兩個延長型十字軸（如圖 1-14所示）。

11� 在延長型十字軸上添加兩支 5M樑柱（如圖 1-15所示）。

圖 1-14　步驟 10：添加延長型十字軸 圖 1-15　步驟 11：將十字軸延長

12� 接下來，在馬達上添加一支附帶插銷的 3M樑柱（如圖 1-16 所示）。

13� 然後，添加兩支管子（如圖 1-17所示）。

圖 1-16　步驟 12：安裝 3M樑柱 圖 1-17　步驟 13：添加兩支管子

10

第 1章 實驗項目：Drawbot

14� 接著，安裝另一個附帶插銷的 3M樑柱！如圖 1-18顯示的裝配方式。

15� 連接另一台馬達（如圖 1-19所示）。並確定將十字軸穿過新馬達的裝配孔時，另外安裝一支轉角樑柱就定位。

圖 1-18　步驟 14：安裝另一支樑柱 圖 1-19　步驟 15：連接第二台馬達

16� 用套筒固定十字軸（如圖 1-20所示）。現在完成了兩個馬達的連接作業。

圖 1-20　步驟 16：固定十字軸

11

組裝說明

17� 接下來，讓我們安裝後輪。首先添加一個米色十字連桿（不含止滑片）來固定它（如圖 1-21所示）。

18� 接下來添加另一個十字連桿，並且用一個 2M十字軸將它固定（如圖 1-22所示）。

圖 1-21　步驟 17：開始安裝後輪 圖 1-22　步驟 18：固定零組件

19� 添加兩個 3M連桿插銷（如圖 1-23所示）。

20� 將一支 2M樑柱插入插銷（如圖 1-24所示）。

圖 1-23　步驟 19：添加連桿插銷 圖 1-24　步驟 20：將樑柱插入定位

12

第 1章 實驗項目：Drawbot

21� 連接一個 2×3的十字連桿在插銷的尾端（如圖 1-25所示）。

22� 添加一個 2M十字軸和一個皮帶輪（如圖 1-26所示）。

圖 1-25　步驟 21：連接十字連桿 圖 1-26　步驟 22：安裝輪子

23� 安裝另一個皮帶輪（如圖 1-27所示）。完成了後輪的組裝！現在先把它放一邊，我們到最後再來安裝本體。

圖 1-27　步驟 23：添加另一個輪子

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組裝說明

24� 接下來，讓我們進行主要底盤的部分。連接一支 7M樑柱，一個直角三角形連桿，和一個 4M的十字軸（如圖 1-28所示）。請注意這個零組件目前還沒固定好 -你必須暫時用手將它們 固定住。

25� 添加一個十字連桿和安裝一支位於背面的 3M提臂（如圖 1-29所示）。

圖 1-28　步驟 24：製作主要底盤 圖 1-29　步驟 25：連接十字連桿和提臂

26� 添加另一個 4M十字軸（如圖 1-30所示）！

27� 連接 3M插銷與一個直型轉角連桿（如圖 1-31所示）。

圖 1-30　步驟 26：添加一個十字軸 圖 1-31　步驟 27：連接直型轉角連桿與插銷

14

第 1章 實驗項目：Drawbot

28� 再添加兩個直型轉角連桿（如圖 1-32所示）。

29� 下一步將直型轉角連桿安裝在兩個 4M十字軸的尾端（如圖 1-33所示）。

圖 1-32　步驟 28：兩個直型轉角連桿 圖 1-33　步驟 29：連接組合件

30� 再連接兩個 4M十字軸與直型轉角連桿（如圖 1-34所示）。

31� 然後，另外再連接一個直型轉角連桿到十字軸的尾端（如圖 1-35所示）。

圖 1-34　步驟 30：再添加兩個十字軸 圖 1-35　步驟 31：添加另一個直型轉角連桿

15

組裝說明

32� 添加另一支 7M樑柱（如圖 1-36所示）。

33� 在十字軸上添加一個十字連桿和一支 3M 提臂（如圖 1-37 所示）。

圖 1-36　步驟 32：添加另一支 7M樑柱 圖 1-37　步驟 33：添加十字連桿和提臂

34� 插入兩個 3M十字軸到十字連桿的插孔內（如圖 1-38所示）。

35� 下一步，添加兩支 3×5轉角樑柱（如圖 1-39所示）。

圖 1-38　步驟 34：連接兩個十字軸到十字連桿上 圖 1-39　步驟 35：連接 L型轉角樑柱