乐高Mindstorms，如何玩转创意与编程？

什么是乐高 Mindstorms？

乐高 Mindstorms 是乐高集团推出的一个结合了机械搭建、电子传感器和计算机编程的机器人套件，你可以用它来设计、搭建和编程一个能够与物理世界互动的机器人。

它的核心理念是“学习通过创造”（Learning through Creating），让学习编程和工程学变得有趣和直观。

Mindstorms 的核心组成部分

一个标准的 Mindstorms 套件（如常见的 EV3 和最新的 Robot Inventor）通常包含以下几个关键部分：

a. 可编程积木

这是机器人的“大脑”。

• EV3 智能积木: 这是 EV3 套件的核心，它是一个带屏幕、处理器、扬声器、端口和按钮的独立设备，你可以在积木本身上进行简单的编程，也可以通过电脑或平板连接进行更复杂的编程。
• SPIKE Prime / Robot Inventor Hub: 这是乐高最新的智能中枢，功能更强大，设计更现代化，支持蓝牙和 Wi-Fi，与 SPIKE Prime 和 Robot Inventor 套件兼容。

b. 电机

这是机器人的“肌肉”，让机器人能够动起来。

• 大型电机: 提供强大的扭矩，适用于驱动车轮、手臂等需要较大力量的部件。
• 中型电机: 更轻便、更精确，适用于需要精细控制的关节、抓取器等。
• 中型电机带角度传感器: 集成了角度传感器，可以精确知道电机转了多少度。
• 线性执行器: 一种直线运动的电机。

c. 传感器

这是机器人的“感官”，让它能感知外部环境。

• 颜色传感器: 可以识别不同颜色和光线强度。
• 触动传感器: 类似一个按钮，检测是否被按下或碰撞。
• ultrasonic 传感器 (超声波传感器): 通过声波测量距离，可以探测障碍物。
• gyro 传感器 (陀螺仪传感器): 测量机器人的旋转角度和速度。
• force sensor (力传感器): (在最新套件中) 可以检测按压的力度和次数。
• distance sensor (距离传感器): (在最新套件中) 结合了超声波和颜色传感器的功能，性能更强。

d. 乐高 Technic 积木

这是机器人的“骨骼”，与传统的乐高积木不同，Technic 积木有孔和梁，可以方便地连接电机、传感器，并搭建出复杂的机械结构，如齿轮、连杆、滑轮等。

e. 软件

这是用来给机器人编写指令的“思想”。

• 图形化编程界面: 这是 Mindstorms 最大的亮点，它采用类似积木的拖拽式编程块，将复杂的代码（如循环、条件判断、变量）简化成看得见的图形模块，非常适合初学者和儿童。
• 文本编程: 对于有经验的用户，也可以使用 Python 等语言进行编程，实现更高级的功能。

Mindstorms 的主要版本

Mindstorms 发展至今，主要有以下几个重要版本：

Mindstorms 的应用领域

Mindstorms 不仅仅是一个玩具，它在很多领域都有重要应用：

• 教育领域: 这是它的核心应用场景，全球无数的中小学和大学使用 Mindstorms 来教授STEM/STEAM（科学、技术、工程、艺术、数学）课程，培养学生的逻辑思维、问题解决能力和创新能力。
• 机器人竞赛: FLL (First Lego League) 乐高机器人挑战赛是全球最具影响力的青少年机器人竞赛之一，使用的正是 EV3 和 SPIKE Prime 平台，比赛要求团队合作，完成机器人挑战和课题研究。
• 个人爱好与创客: 对机器人感兴趣的爱好者可以用它来实现各种创意项目，比如自动驾驶小车、机械臂、小型的 3D 打印机、甚至小型 CNC 等。
• 原型开发: 工程师有时会用它来快速搭建一个机械或电子系统的原型，验证想法。

优点与缺点

优点:

1. 强大的整合性: 将机械、电子、软件完美地整合在一个套件中，开箱即用。
2. 直观的图形化编程: 大大降低了编程的入门门槛，让儿童和零基础者也能快速上手。
3. 极高的扩展性: 所有乐高积木都是兼容的，你可以无限地扩展和改造你的机器人，创造力不受限制。
4. 强大的社区支持: 拥有全球庞大的用户社区，网上有无数的项目教程、分享和代码，遇到问题很容易找到解决方案。
5. 耐用和安全: 乐高积木以其质量和安全性著称，可以反复使用。

缺点:

1. 价格昂贵: 相比其他入门级机器人套件（如 Makeblock mBot），Mindstorms 的价格要高得多。
2. 学习曲线: 虽然图形化编程简单，但要搭建出复杂的机械结构和编写高效的程序，仍然需要学习和实践。
3. 软件更新问题: 乐高有时会停止对旧版本软件的支持（如对 EV3 的支持逐渐转向 SPIKE），可能会让一些老用户感到不便。
4. 尺寸和重量: 电机和智能积木相对较重和笨重，搭建小型、精细的机器人可能会有挑战。

如何开始？

1. 选择一个套件:
   • 初学者/儿童: 推荐最新的 乐高机器人发明家 套件，它设计友好，软件有趣，项目引导性强。
   • 教育/竞赛: SPIKE Prime 是目前教育市场的首选，如果预算有限或想进入 FLL 赛事，经典的 EV3 依然是很好的选择，并且有大量二手资源。
2. 学习软件: 下载并安装乐高提供的 Mindstorms EV3 Home Edition 或 SPIKE App，软件里有非常详细的教程，跟着做就能完成第一个机器人。
3. 从模仿开始: 先跟着官方教程或网上热门教程搭建一个基础机器人（如“小车”），理解基本原理。
4. 大胆创造: 在熟悉了基本搭建和编程后，尝试修改设计，增加传感器，编写新程序，让它做你想让它做的事情。

乐高 Mindstorms 是一个真正意义上的“寓教于乐”的里程碑式产品，它不仅仅是一个玩具，更是一个强大的学习平台，能够系统性地培养一个人的工程思维、编程能力和创造力，无论你是想让孩子接触科技，还是自己实现一个机器人梦，Mindstorms 都是一个极佳的选择。

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