LEGO MINDSTROMS NXTS

LEGO M indStorms NXT（以下簡稱NXT）是樂高公司所生產的第二版本機器人學習套件 的，早期是為讓兒童學習邏輯與建構概念，而由於實體化組件的多樣性和簡易使用，並 能結合傳統樂高積木的各類組件，進行各種形體的建構，疊加機械動作與感測能力，開 始被運用於各種機器人學習與競賽，並使用於可動結構的學習與驗證。

(1) 操作環境：主要為在實體環境中的組裝，分為控制單元與結構單元。控制單元即 為NXT核心中控端與其控制的各類感測器，做環境的辨識與機構的運動。

(2)

馬達零件得接到類比接口。再接著安排NXT對每個零件包裝好的邏輯方塊之順序，

來實作NXT的自動控制。 由於NXT是透過一控制核心來連結各種專用的感測器，

且於其上透過所提供的簡易介面安排邏輯，或電腦端撰寫後傳輸於其上，再進行 控制，實作控制的方法可看為主從架構，皆由核心接收與放號訊息，進行組合結 構的動作。

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a.NXT透過自定的接線規格來與各零件相連 b. 控制零件的連接口 Fig 3.6. NXT核心單元與各種感測器連接

(3) 限制：雖然使用NXT可進行實體化的互動開發，並有簡單的操作介面來設定流程，但 由於NXT的成本過高，無法普遍使用於人數較多的大型教學活動，較適合小班分組的 方式。NXT的感測零件接口，受主控端核心的限制，最多同時處理8個感測零件，而 且NXT感測零件種類亦較少，且由於徹底模組化，學習者不易了解內部零件，對應市 售感測器電子元件，以理解元件性質。再者，在於操作上，使用者無法立即於組裝過 程中，即時得知組裝的成果，必須再透過介面的程式安排，才能驅動物件的動作。

3.2.3. IDT套件設計架構

本研究在分析使用抽象式概念模組的套件特性後， 根據先前所列設計套件的分析與互動 設計學習套件應具備的基本特性，發現MAX/MSP所採用的即時操作物件，最能快速反應 讓使用者針對單一物件的功能進行了解，且能立即疊加另一物件，即時透過組件功能做 邏輯操作。然卻必須局限於電腦環境的因素， 僅能所見及所得，不容易於實體環境中操 作，提供實物操作經驗，更無法用於實體設計成品之上。而LEGO雖然提供了於實體環境 中組構互動物件的解決辦法，但其主從式的架構，反而造成擴充使用更多組件時，控制 接口不足，在設計時也須專門考慮主控核心的放置方法。再者，NXT其成本過高的問題，

著實不易於使用在互動教學上做使用，更不利於嘗試製作互動產品開發，而必須先組裝 再編寫邏輯的方式，也令操作經驗上，強制分為兩階段，對於初步的學習互動設計，並 未完全簡化使用者學習經驗。

INTERACTIVE DESIGN TOOLKIT  33  本研究分別延續兩者部分特性，及為提供使用者於操作上的直覺與便利，將避免使用者

在操作中於實體與虛擬介面做切換，並為了讓使用者能透過實際的操作，來初探實體互 動設計的特性，將採用全實體操作介面， Table 3-2整理出本研究IDT的規劃與上述兩者的 比較。

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3.3. 互動控制流程整理與分析

整理現今之互動元件案例 (Greenberg & Fitchett, 2001; Ballagas, 2003; Hernado, 2004;)，以及 於上一章提及之以往實做案例經驗，分類其機制與複雜度，並透過修改Fox的互動機構控 制流程 (Fox, 2001)，歸納為本論文所要依循的五種基本實體空間的互動控制系統架構，

並於每種分類提出該流程所需互動元件種類，以利推導出IDT所需互動元件：

(1) 直 接 控 制 (DIRECT CONTROL)

透過裝置本身直接去影響環境，並未透過其他環境因素作為輸出參數 (Fig 3.7)。例 如常見的燈光、電風扇等，藉由裝置本身獨立，可直接對其操控，並立即反應的控 制方式分類為此，並將此種類視為單一輸出控制元件。

Fig 3.7. 直接控制種類是裝置自身直接控制。

(2) 間 接 控 制 (IN-DIRECT CONTROL)

在此分類中，環境的反應狀態是透過感測器的回饋，此一基本的控制系統是透過感 測器由開始捕捉外在的變化，透過感測器傳送的訊息不同，再透過輸出裝置反應不 同的狀態或程度變化 (Fig 3.8)。此一種類為互動設計教學的基本練習時，最常使用 的基本控制流程，以下其餘分類也皆由此延伸，像是光感控制檯燈、動作感應窗皆 可由此控制流程產生，本研究將此流程的感測器視作單一輸入元件 (single input)，

而輸出裝置視為單一輸出控制元件 (single output)。

Fig 3.8. 間接控制種類為互動裝置的基本型，透過單一的感測器 控制單一的輸出裝置來達到簡易的環境感測互動。

INTERACTIVE DESIGN TOOLKIT  35  (3) 可 適 性 間 接 控 制 (ADAPTIVE I N-DIRECT CONTROL)

此分類由上一分類延伸，但由於輸出裝置經常需要透過決策判斷要如何反應感測器 所輸入之訊息，且對於複數的感測器作為輸入，也需要經由判斷來對應輸出，故多 會添加微處理器 (microcontroller) 作為運算單元 (Fig 3.9)，增加互動設計的可適性。

這種控制流程通常需要較為複雜的輸入判斷與複合的環境因素作為運算參數，如基 本的智慧環境需要溫度、光線、二氧化碳容量的變化決定是否開關窗戶，因此在互 動模組單元中，除基本的互動元件，也須新增運算單元 (computing unit) 與複合輸 入元件 (multi-input) 來應付不同的環境因素來源。

Fig 3.9. 利用運算單元來增加互動流程的可適性，並處理更多不同的環境因素。

(4) 遍 佈 可 適 性 間 接 控 制 (UBIQUITOUS ADAPTIVE IN-DIRECT CONTROL)

這種分類為一群的感測器與一系列的輸出裝置相互運作，運算單元必須有些預先規 劃好的邏輯與與參數來決策那些輸出裝置該做出反應，以及如何反應，這樣的流程 已可成為一獨立的遍佈式運算單元 (Fig 3 .10)。於此流程中，尚需新添增複合輸出 元件 (multi-output) 來應付不同的輸出狀態。

Fig 3.10. 具多輸入與多輸出能力的運算，可製作遍佈式運算獨立單元。

INTERACTIVE DESIGN TOOLKIT  36  (5) 互 聯 式 間 接 控 制 (UBIQUITOUS ADAPTIVE IN-DIRECT CONTROL)

透過將一連串運算單元相互連接，可以藉由此分散輸入輸出的裝置，可將其每一運 算單元與其相連接的輸出輸入單元視為一子系統，但並非獨立地運作，而是透過內 部網路連結來做決策，可以透過連結電腦當做運算單元來增進控制流程的能耐與提 供更豐富的功能，如資料庫、搖桿、投影機 等等，也因此會有額外的一些特殊處 理設備，需要另外做運算處理或線路安排來納入系統流程中，為最終也是最複雜的 一種互動流程 (Fig 3 .11)。此流程可實行於大部分的互動運用，然而與先前的流程 相比，此流程所需的系統複雜度與成本相對需求即相當高。

Fig 3.11. 結合電腦的運算效能，以及網路連結可加強互動流程的強度。

由此五種控制架構中，可見任何互動設計皆由各種基本元件單元所構成，在不同的設計 與情境腳本下，透過不同元件的組合，產生不同的功能集合，製作為雛形系統，最後再 經不斷地修正改良與整合，並包裝為完整的成品。

INTERACTIVE DESIGN TOOLKIT  37  3.4. 互 動 設 計 套 件 設 計

「 水 母 會 根 據 我 的 位 置 不 同 ， 會 揮 動 不 同 的 觸 手 ， 當 我 面 相 哪 邊 ， 朝 向 我 的 那 邊 觸手要舉起」，在了解邏輯敘述所需的資訊與控制的目的，進一步於實際製作時，就必 須不斷地實驗用哪種元件取得資訊，以及如何處理資訊，而設計的雛形就可能特定化為

「 使 用 光 當 做 媒 介 ， 水 母 會 根 據 我 的 位 置 不 同 ， 造 成 光 影 的 遮 蔽 ， 故 會 感 知 我 所 面 相 的 方 位 ， 朝 向 我 的 那 邊 觸 手 就 會 經 由 機 構 帶 動 舉 起 」 ，在這階段，雛形必須實 際地將邏輯敘述再落實，規劃出所採用的環境因子，以及邏輯處理的條件，來改變輸出 控制 (Fig 3 .12)。在現行的互動設計操作中，往往需要相當多的時間與技術能力，來處理 如何取得環境資訊，甚至因於此階段的技術因素或環境操作不如預期，而最終回頭改變 設計。

Fig 3.12. 規劃雛形系統的實作，往往是互動設計最耗費人 力的階段，甚至有可能因此變更設計。

因此，為了落實由抽象概念整理至邏輯敘述後，設計者能更快實行概念的驗證，必須思 考如何簡化由邏輯敘述實行雛形開發的過程，使用者如何能快速體驗不同的操作因子，

或更進一步透過快速置換，可以在設計初期就可以驗證想法可行性。

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• 複合輸入(multi-input)：單一輸入的延伸，可同時處理數個輸入，經過處理再傳給 邏輯單元或複合輸出，增加控制系統感測複雜度，例如磁簧開關矩陣。

• 邏輯單元(MCU)：負責思考與溝通，如何將感知的輸入經過轉換作為輸出，例如 環境光的變化，可轉化為聲音音階的改變。

• 單一輸出(single output)：負責獨立輸出控制功能，各個元件具有各自的輸出特性，

如光、轉動、聲音等，提供互動系統有各種不同呈現。

• 複合輸出(multi-output)：整合數個獨立輸出，協調輸入源來決策輸出對應的目標與 改變，例如LED燈矩陣。

• 額外特殊處理設備：當系統過於複雜，或是需借助其他額外硬體來做特殊運用，

往往這些硬體需要特殊的通訊協定，或更複雜的需求來與互動系統做結合，如電 腦、DMX燈控系統、RFID讀卡機、投影機或iPod等，可以說在一互動系統外再連 結另一互動系統，組合擴增為更大的架構。