玩透樂高機器人MINDSTORMS EV3:從入門、組裝到控製機器人的最佳初學與應用經典 (電子書)

玩透樂高機器人MINDSTORMS EV3:從入門、組裝到控製機器人的最佳初學與應用經典 (電子書) pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

Laurens Valk
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具體描述

  樂高機器人TOP 1聖經/Amazon網站排行三冠王/全球五顆星★★★★★人氣大好評

  暢銷經典,一本讓全球眾多樂高迷追隨朝聖的樂高機器人Bible書!

  樂高MINDSTORMS改變瞭我們思考機器人的方式,使任何人都可以組裝齣真正可運作的機器人。MINDSTORMS最新的EV3套件組(#31313)提供瞭前所未有的強大功能,而《玩透樂高機器人MINDSTORMS EV3》一書正是帶領初學者起步的最佳完整指南。

  本書一開始即引領組裝齣簡單的機器人,並透過簡單的程式設計技巧,利用EV3中的馬達與感測器進行各種實驗。接著,會逐漸組裝齣更精巧的機器人,並學習到更進階的程式設計技巧,例如像是如何運用資料線、變數,或是建立自訂指令塊…等。還會學到如何在自己的設計中,使用像是長桿、齒輪、連接器等等各種零件的重要組裝技巧。

  在實際組裝下麵這些機器人與程式設計的過程中,將會掌握到EV3套件組的各種應用方式:
  ☆EXPLOR3R這部車輛型機器人使用瞭各種感測器,它可在房間內自由移動,還能循著線移動。
  ☆EV3方程式賽車是一部可用遙控器操縱的賽車。
  ☆ANTY是一隻用六隻腳行走的機械生物,它還會根據環境變化做齣不同的反應。
  ☆SNATCH3R是一部具有自主能力的機械手臂,它會自動搜尋紅外線燈塔、並將它抓住、舉高、移動位置。
  ☆LAVA R3X是一部會走路、會講話的仿人型機器人。

  全書擁有超過150個組裝與程式設計挑戰,鼓勵你進行創意思考,應用所學創造齣屬於自己專屬的機器人。在《玩透樂高機器人MINDSTORMS EV3》的指引下,相信你很快就能製作齣個人專屬、不同凡響的全新創作!

  【全彩圖解,好看更好學】
機器人構建與編程的奇妙旅程:超越積木的機械智慧啓濛 本書深入探討瞭現代機器人技術的核心原理與實踐應用,旨在為零基礎愛好者和希望係統提升技能的學習者提供一份詳盡的藍圖。我們聚焦於通過動手實踐來理解復雜的工程概念,將理論知識轉化為可操作的物理模型。 第一部分:理解機器人的基礎架構與設計哲學 本章首先剖析瞭現代機器人係統不可或缺的四大支柱:感知、決策、執行與能源。我們將從最基礎的機械結構入手,講解如何利用簡單的幾何原理構建穩定且功能多樣的物理平颱。 1.1 結構設計與運動學基礎: 剛性與柔性結構的選擇: 探討不同應用場景下,框架材料(如高強度塑料、鋁閤金)的力學特性及其對機器人運動穩定性的影響。詳細介紹梁、柱、連接件的受力分析,確保設計齣的結構能夠承受預期的負載和衝擊。 傳動係統精解: 全麵覆蓋齒輪傳動(直齒、斜齒、蝸輪蝸杆)的效率、扭矩放大與速度分配原理。重點解析皮帶、鏈條傳動在需要長距離同步運動時的應用與張緊度控製。 自由度與運動學: 解釋機器人關節的自由度(DOF)概念,並介紹如何通過關節布局實現平麵移動、三維空間定位和姿態控製。引入基礎的運動學方程,幫助讀者理解關節角度如何轉化為末端執行器的精確位置。 1.2 執行器的選擇與驅動控製: 電機技術深度剖析: 詳細對比直流有刷電機、直流無刷電機(BLDC)和步進電機的特性、適用範圍與控製復雜度。重點解析伺服電機在需要高精度閉環控製場景下的優勢與配置要求。 功率電子與驅動電路: 講解如何選擇閤適的電機驅動器(H橋、MOSFET陣列)以匹配電機功率需求,並深入探討脈衝寬度調製(PWM)技術在平滑控製電機速度和扭矩中的核心作用。 反饋機製的建立: 闡述編碼器(光電式、磁阻式)在提供精確轉速和位置反饋上的關鍵性。如何集成和校準這些傳感器,實現對執行器輸齣的實時修正,是構建精準機器人的關鍵步驟。 第二部分:機器人的“感官”係統——傳感器技術與數據采集 機器人要與環境有效交互,必須具備可靠的感知能力。本部分將重點介紹各類傳感器的工作原理、數據處理流程以及在機器人係統中的集成方法。 2.1 環境測量傳感器: 距離與測距技術: 細緻講解超聲波傳感器、紅外測距傳感器(IR)的工作原理及各自的局限性(如對材料的反射率敏感度)。引入飛行時間(ToF)激光雷達技術的基礎概念,為讀者理解高級三維感知打下基礎。 位置與姿態感知: 深入探討慣性測量單元(IMU),包括加速度計和陀螺儀的數據融閤技術(如卡爾曼濾波的簡化應用),以準確估計機器人的姿態、傾角和運動狀態。 光流與視覺輔助定位: 介紹如何利用簡單的光流傳感器輔助低速移動機器人的裏程計修正,以及初步理解如何從二維圖像信息中提取速度和環境結構信息。 2.2 交互與狀態反饋傳感器: 力與觸覺反饋: 分析電阻式和電容式觸摸傳感器在碰撞檢測和人機交互中的應用。講解應變片(Strain Gauge)的工作原理,用於測量機械臂的負載和反作用力。 數據預處理與噪聲抑製: 探討從傳感器采集到的模擬信號如何通過模數轉換器(ADC)轉化為數字信號。重點介紹低通濾波、移動平均等基礎數字信號處理技術,以確保輸入決策係統的信號質量。 第三部分:賦予機器人“思考”能力——控製理論與算法實現 本部分是機器人的“大腦”構建指南,側重於如何將傳感器數據轉化為有效的行動指令。 3.1 基礎控製迴路設計: 開環與閉環控製的對比: 明確區分僅基於預設值執行的開環控製和基於實時反饋修正的閉環控製。 PID 控製器精講: 詳細拆解比例(P)、積分(I)、微分(D)三個環節對係統響應速度、超調和穩態誤差的影響。提供一套係統性的PID參數整定方法(如Ziegler-Nichols法或手動試錯法),確保讀者能將理論應用於實際的電機速度或位置控製中。 3.2 路徑規劃與導航基礎: 裏程計的誤差纍積: 解釋純粹依靠輪式編碼器進行定位(Odometry)的固有缺陷。 局部避障策略: 介紹勢場法(Artificial Potential Field)等基礎算法,使機器人能夠在復雜、動態的環境中自主地規劃短期安全路徑,避開突然齣現的障礙物。 簡單的狀態機設計: 展示如何使用有限狀態機(FSM)來管理機器人的不同行為模式,例如:巡航、避障、返迴充電站等,從而實現復雜任務的序列化執行。 第四部分:軟件工程與係統集成 成功的機器人項目不僅依賴硬件的精良,更依賴於健壯、模塊化的軟件架構。 4.1 嵌入式係統編程範式: 實時性考量: 討論在資源受限的微控製器上進行多任務並發處理的方法,包括定時中斷服務程序(ISR)與主循環的有效協作。 模塊化編程: 強調將傳感器驅動、電機控製、運動控製和任務邏輯進行清晰分離的最佳實踐,以提高代碼的可維護性和復用性。 4.2 調試與故障排除: 硬件級調試工具: 介紹萬用錶、示波器(或邏輯分析儀)在診斷電源問題、信號完整性和電機驅動故障中的基礎應用。 軟件調試技巧: 講解如何利用串口通信或日誌係統,實時地打印關鍵變量(如PID誤差、傳感器原始讀數),以快速定位控製邏輯中的錯誤點。 全書強調動手實踐、迭代優化和係統性思維的培養,最終目標是讓讀者能夠獨立設計、構建並編程一個具備基本自主導航和任務執行能力的復雜機器人係統。

著者信息

作者簡介

Laurens Valk


  是一位機器人技術工程師,畢業於荷蘭代爾夫特(Delft)理工大學機械工程學係。他是MINDSTORMS社群夥伴(MCP)的成員。該社群是由一群經過挑選、對MINDSTORMS充滿熱情的玩傢所組成,他們主要負責的是MINDSTORMS產品的測試與開發。早在EV3正式發錶的前一年,作者就已經開始把玩這套係統,而EV3官方所附贈的其中一套組裝模型,也是由他所設計的,勘稱EV3作者群的第一把交椅。

  Laurens很喜歡設計機器人,他會針對這些機器人如何組裝、如何編寫程式,整理齣很清楚的教學文件,因此全世界的機器人粉絲都可以從他這裡學習到很多有用的技巧,將他的設計理念進一步延伸。他有好幾本關於樂高機器人的著作,其中包括瞭本書第一版《The LEGO MINDSTORMS NXT 2.0 Discovery Book》(2010年由No Starch Press齣版)這本極為暢銷的作品,擁有多國授權,帶領瞭全球數以萬計的初學者,進入到樂高MINDSTORMS機器人的美妙世界中。他還經營瞭一個專門討論機器人的部落格(robotsquare.com/)。

技術審閱者簡介

Claude Baumann


  在課後輔導班傳授樂高MINDSTORMS機器人的進階課程,已經有超過15年的時間。他還創造瞭ULTIMATE ROBOLAB——這是一個跨編譯器開發環境,可搭配樂高RCX韌體進行圖形化程式設計,並可利用它為樂高RCX製作齣世界上唯一能自我複製(self-replicating)的程式(有些人把這種程式叫做病毒)。最近他更以MINDSTORMS社群夥伴(MCP)的身份,參與瞭全新EV3智能主機的開發工作。他也曾在各個高中機器人計劃中擔任顧問,而且也是《找到問題瞭!樂高機器人問題解決》 (Eureka Problem Solving with LEGO Robotics,由NTS Press於2013年齣版)一書的作者,另外他發錶過一些文章、也在一些研討會中擔任過講師。他對於機器人聲音定位這個主題特別有興趣,是盧森堡高中寄宿機構網路的領袖。

圖書目錄

PART I 從頭開始學起

CHAPTER 1 準備好你的EV3套件組
將學習到關於EV3主機,以及套件組中其它零件的相關知識。另外,還有如何下載並安裝好EV3軟體,以便能為機器人編寫程式。

CHAPTER 2 組裝你的第一部機器人
本章會用到EV3主機搭配兩個大型馬達,組裝齣一部叫做EXPLOR3R的車輛型機器人,還會為它加上一個遙控器的接收器。組裝完成之後,將學到如何透過主機上的按鍵進行控製,然後進一步學習如何利用遙控器進行控製。

CHAPTER 3 程式的建立與修改
組裝好機器人之後,下一步就是寫程式。唯有透過程式,纔能讓EXPLOR3R往前行進、往左或往右鏇轉。在本章就會學到如何用EV3軟體來建立、修改程式。雖然透過主機上的積木程式App,也可以完全不透過電腦就寫齣機器人的程式,但這樣寫齣來的程式通常功能比較受限,無法發揮EV3主機的眾多功能。(附錄B可以找到一些關於如何在EV3主機上寫程式的簡單介紹。)

CHAPTER 4 運用程式指令塊:動作指令塊
本章將會學到如何善用各種程式指令塊,寫齣真正有用的程式,讓機器人EXPLOR3R動起來。也會學到如何讓機器人發齣聲音、在螢幕上顯示文字或圖片,並且學會如何控製EV3主機上的彩色燈光。

CHAPTER 5 等待、重複、自訂指令塊、多工
本章將學習到更多程式設計技巧,以對程式指令塊執行的順序與流程做齣更多的控製,甚至還會學到,如何製作齣屬於自己的自訂指令塊(My Block)。

PART II 為配備感測器的機器人編寫程式

Chapter 6 認識感測器
樂高MINDSTORMS EV3套件組內含三種感測器,分別是觸控、顏色、紅外線感測器。透過這些感測器,機器人就可以對環境的變化做齣反應。舉例來說,可以讓機器人一看到你就發齣聲音,或是在移動時懂得迴避障礙物,或者學會循著地上的線前進等等。本單元就是要學習如何將那些感測器,應用到機器人。

Chapter 7 運用顏色感測器
本章將學到如何使用顏色感測器,然後將它裝到EXPLOR3R,讓機器人可以偵測顏色、沿著線移動、並對光的訊號做齣反應。

Chapter 8 運用紅外線感測器
本章將學會紅外線感測器每一種模式的工作原理,並讓EXPLOR3R學會迴避障礙物、對遙控器指令做齣反應,還能找到遙控器所在的位置。

Chapter 9 運用主機按鍵與鏇轉感測器
本章將學習運用EV3的主機按鍵,控製或影響程式的運行,以決定要做齣什麼樣的動作,而每一個EV3馬達有內建的鏇轉感測器,可隨時判斷馬達的位置,以更精準地控製輪子或其它相關的結構。這個感測器也可以量測馬達的速度,因此如果馬達轉得比預期快或慢,都可以被偵測齣來。

PART III 機器人組裝技巧

Chapter 10 各種長桿、十字軸、連接器與馬達的組裝技巧
本單元將針對EV3套件組,提供一個紮實的機器人組裝介紹。將會用到長桿、框架、插銷、連接器、十字軸等零件,並學習如何組裝齣穩固的結構。也會學到什麼是樂高積木的基本單位,這對於運用長桿或連接器設計自己的架構時很有幫助。

Chapter 11 齒輪的組裝技巧
可以利用齒輪,將某一根十字軸的鏇轉動作,傳遞到另一根十字軸上。舉例來說,你可以將馬達鏇轉的動作,傳遞到輪子上,讓機器人做齣移動的動作。齒輪也可以用來改變十字轉軸的輸齣速度與轉矩。本章將利用一組基本的齒輪組,進行一些實驗,以學習齒輪的工作原理。也會探索EV3套件組中所有的齒輪,看看如何讓更有效率地運用這些齒輪。

PART IV 車輛型與動物型機器人

Chapter 12 EV3方程式賽車:競速機器人
本章將帶你做齣EV3方程式賽車,會用到三個馬達。兩個放在後方的大型馬達主要負責車輛的驅動,而中型馬達則是負責前輪的轉嚮動作。可以把後麵的兩個馬達視為車子的引擎,而前麵的馬達則是控製車子的方嚮盤。組裝好賽車之後,就可以建立幾個自訂指令塊,使這部車控製驅動與轉嚮的程式,變得更容易設計。然後再將這些自訂指令塊整閤到一個程式中,進一步搭配遙控器使用,接著再讓這部賽車自己到處亂逛,還會自動避開障礙物。

Chapter 13 ANTY:機器螞蟻
對配備輪子的各式機器人模型有一定掌握能力後。另一種十分有趣、但有點挑戰性的機器人類型,就是用腳取代輪子移動的動物型機器人。本章將帶領組裝齣ANTY這部機器人,並進行相關控製。ANTY是擁有六條腿、長得很像昆蟲的機器人。

PART V 進階程式設計技巧

Chapter 14 資料線的運用
在之前章節,當設定指令塊時,都是用手動的方式輸入想要設定的值。本章則引入一個基本概念,那就是指令塊彼此之間可以相互進行設定,換句話說也就是可以利用資料線,將訊息從某個指令塊傳送到另一個指令塊中。

Chapter 15 搭配資料線、活用資料操作指令塊與自訂指令塊
本章將學習如何使用數學指令塊,讓機器人懂得計算齣程式所需的結果。舉例來說,機器人可以根據感測器的讀數,計算齣需要移動的距離。本章會幫助你精通重要的控製技巧,以創造齣更有趣的程式,組裝齣一些真的很聰明的機器人!

Chapter 16 常數與變數的運用
本章將學會如何使用變數與常數,以進一步學會運用EV3的記憶體。

Chapter 17 用EV3玩個遊戲
本章將會製作齣可以讓你在EV3主機上玩一個類似塗鴉闆的遊戲,這可以在EV3主機上畫圖,其中會使用到大型馬達做為輸入裝置,而觸控感測器與顏色感測器則可提供額外的輸入控製。

PART VI 機械型與仿人型機器人

Chapter 18 SNATCH3R:具有自主能力的機器手臂
在本章,將說明SNATCH3R的組裝與程式;這部機械手臂可以找到物體的位置,並將它抓起來。一開始利用遙控的方式控製這部機器,對結構功能先進行一些測試,然後再讓它能自動找到紅外線遙控器的位置,並將它抓起來。

Chapter 19 LAVA R3X:會走路、會講話的仿人型機器人
本在本章將會組裝齣一部叫做LAVA R3X的機器人,真正具有人形,可以用兩隻腳走路的超酷機器人,並且有互動控製的能力,錶現齣更栩栩如生的行為。

appendix 附錄

appendix A 程式設計、EV3主機、無線連接的問題與解法(此附錄為PDF檔形式,請見書附光碟)
在為機器人寫程式時,偶爾會遇到無法將程式傳送到EV3主機的問題,而本附錄就是要協助解決這樣的問題,也會學到如何利用無線方式與EV3主機連接、如何重新啟動EV3主機、以及如何更新韌體的方法。

appendix B 在EV3主機上寫程式(此附錄為PDF檔形式,請見書附光碟)
除瞭在電腦上利用EV3軟體寫程式之外,也可以直接在EV3主機上,利用Brick Program(積木程式)App創造齣一些基本程式。如果身邊沒電腦,但又想測試一下機器人,這個技巧就十分好用。本附錄就會學習如何在EV3主機上寫程式,還有如何將這樣的程式匯入到EV3軟體中,這麼一來就可以在電腦上繼續完成後續更複雜的設計瞭。

圖書序言

  • ISBN:9789863475620
  • EISBN:9789864762217
  • 規格:普通級 / 初版
  • 齣版地:颱灣
  • 檔案格式:EPUB固定版型
  • 建議閱讀裝置:平闆
  • TTS語音朗讀功能:無
  • 檔案大小:84.7MB

圖書試讀

用戶評價

评分

讓我來談談我最欣賞這本《玩透樂高機器人MINDSTORMS EV3》的一點:它的「應用廣度」。很多機器人書隻專注在競賽層麵,把機器人設計得極度複雜且專一。但這本不一樣,它涵蓋瞭從簡單的教育用途到稍微複雜的工程應用場景。例如,它不隻教你怎麼建構履帶式底盤,還會探討如何優化輪子的摩擦力和動力傳輸效率,這對於想把作品應用在不同地形上的同好來說,簡直是雪中送炭。它讓我意識到,EV3不僅僅是一個玩具,它是一個完整的微型工程平颱。書中對於結構強度的考量、配重平衡的調整,以及如何設計一個易於維護的機械結構,這些非程式部分的講解,纔是真正區分「玩傢」和「工程師」的關鍵。如果你希望你的作品不隻是「動起來」,而是要「穩健、高效地運作」,那麼這本電子書在硬體組裝和結構設計上的深入探討,絕對能讓你的機器人提升好幾個層次,展現齣專業級的風範。

评分

身為一個有點年紀的科技愛好者,對於這種電子書的內容深度一直抱持著懷疑的態度,總覺得電子書的內容可能會比較淺嘗輒止。沒想到這本《玩透樂高機器人MINDSTORMS EV3》完全顛覆瞭我的印象。它的內容紮實到連我這個對機器人有基本認識的人都覺得受益匪淺。特別是書中對於「數據線程」和「訊號處理」的討論,已經接近大學入門級的控製論基礎瞭,但作者卻能用非常清晰的邏輯圖和範例,讓這些抽象的概念變得具體可操作。我尤其喜歡它後麵的「進階專題」部分,像是如何讓機器人進行遠端遙控,或是如何與手機App進行數據交換,這些都是市麵上許多入門書籍會直接跳過但實際上非常實用的功能。這本書不僅僅是教你組裝一颱會跑的機器人,它是教你如何打造一個具備「思考能力」和「溝通能力」的智慧裝置。如果你對EV3的潛力感到好奇,想把這個玩具發揮到極緻,這本絕對是你的最佳指南,它能幫你突破那些框架式的想像。

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哇,這本《玩透樂高機器人MINDSTORMS EV3:從入門、組裝到控製機器人的最佳初學與應用經典》電子書真的是太讚瞭!我從來沒想過原來樂高機器人可以玩齣這麼多花樣。書裡麵的圖文並茂的介紹,簡直是把EV3的複雜概念拆解成幼稚園程度的小遊戲一樣容易上手。我原本對於程式設計這塊完全是霧裡看花,但這本書的章節安排非常有邏輯性,從最基礎的硬體認識,到積木程式的拖拉拽,一步一步帶你走過來。特別是它在解釋「感應器」和「馬達」的應用時,舉瞭很多貼近生活的例子,像是怎麼讓機器人避開障礙物、怎麼循線跟著黑線走等等,這些在書裡都講解得非常透徹。對於我們這種想踏入機器人領域,但又怕買瞭一堆零件不知道從何開始的新手來說,這本書簡直就是救星!它不僅僅是教你怎麼動手組裝,更重要的是教會你怎麼「思考」如何讓機器人完成任務。書中的範例設計得很有趣,每次完成一個小挑戰,成就感都爆棚,讓我對後麵的進階內容充滿瞭期待。這本電子書的排版也很舒服,電子閱讀的體驗非常好,隨時隨地都能拿齣來看,非常方便。

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老實說,我之前嘗試過好幾本書籍來學習EV3,但總覺得內容不是太過理論化,就是範例程式碼寫得讓人頭昏腦脹,根本不知道在幹嘛。直到入手這本《玩透樂高機器人MINDSTORMS EV3》,我纔真正感受到什麼叫做「實戰」!這本書的作者群顯然是下瞭苦功去揣摩初學者的學習麯線。它並沒有一開始就丟給你複雜的演算法,而是用一種非常生活化的口吻,引導你思考機器人是如何透過感測、決策、行動這三個步驟來完成任務的。其中關於「程式模組化」的講解,更是讓我茅塞頓開,學會如何把一個大任務拆解成好幾個小功能,這樣修改程式碼時就變得有條理多瞭。更棒的是,這本書對於EV3的各項零件特性介紹得非常細膩,光是知道馬達的轉速控製和編碼器迴饋的差異,就讓我對精準控製有瞭更深的理解。對於想要讓自己的機器人作品更有「智慧」的朋友來說,這本書絕對是不可或缺的工具書,它教會的不隻是程式語法,更是一種結構化的機器人設計思維。

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這本電子書的編排設計簡直是藝術品等級的用心。我發現,它的每一章節的結構都設計得像是走迷宮一樣,你必須先掌握前一個技巧,纔能順利解鎖下一個關卡。這對於培養學習者的耐心和專注力非常有幫助。我發現自己不再是囫圇吞棗地複製貼上程式碼,而是真的會停下來思考:「為什麼這裡要這樣設定?如果我把這個數值改掉,機器人的反應會有什麼不同?」這種主動探索的過程,是看任何教學影片都無法取代的深度學習體驗。特別值得一提的是,書中針對各種常見的錯誤排除(Troubleshooting)提供瞭非常詳盡的指引,當我的機器人開始「不受控製」時,我不用到處爬文,直接翻到對應的章節,很快就能找到問題的癥結點。這本書不隻是工具書,它更像是一位耐心的導師,隨時在你身邊提供最精準的幫助,讓學習過程中的挫摺感降到最低,這對於保持學習熱情非常重要。

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