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Hace unos meses se publicó el primer libro sobre NXT Mindstorms, en concreto sobre programación en NXC en alemán, Roboter programmieren mit NXC für LEGO MINDSTORMS NXT (”Programación de robots LEGO MINSDSTORMS NXT con NXC”). Está escrito por Daniel Braun relacionado desde hace tiempo con la inteligencia artificial y la robótica. Ha participado como entrenador en varias ediciones de la First LEGO League, y en 2005 fue campeón de la edición alemana de la RoboCup. Además, es también responsable de la “Pleopatra” Proyecto del Centro Alemán de Investigación de Inteligencia Artificial (DFKI).

La robótica forma parte de la vida diaria, y el autor ha querido sentar las bases para que cualquier usuario pueda programar su robot, aprendiendo desde cero el lenguaje NXC. Según avanzan los capítulos se va progresando de forma gradual en el uso y conocimiento del lenguaje de programación.

Con explicaciones detalladas y ejemplos prácticos que nos permitirán controlar nuestro robot para realizar las tareas que le mandemos, o programarlo para que sea capaz de resolver problemas de todo tipo.

Además, al final de cada capítulo encontraremos un pequeño resumen de los comandos nuevos, ejercicios y cuestiones para afianzar los conocimientos adquiridos.

La versión comercial NXT 2.0, es decir 8547, incorpora un nuevo sensor de color que es exclusivo de este conjunto hasta junio, fecha en la que podrá ser adquirido como producto de LEGO Education. La programación de este sensor se realiza mediante su propio icono gráfico cuando trabajamos en NXT-G y requiere que el firmware del ladrillo inteligente sea el de versión 1.28 (diferente al 1.26 de la versión NXT 2.0 del software educativo).

Aunque todavía como versión de prueba, NXC y BricxCC acaban de presentar una nueva versión que incluye soporte para este nuevo sensor de color. Pueden descargarse a través de las siguientes URLs:

http://bricxcc.sourceforge.net/test_release.zip
http://bricxcc.sourceforge.net/nbc/beta/nbc-1.0.1.b36.tgz
http://bricxcc.sourceforge.net/nbc/beta/nbc-1.0.1.b36.osx.tgz

Antes de empezar a controlar el nuevo sensor de color mediante NXC o BricxCC es necesario decirle al compilador de que trabajamos con el firmware adecuado del NXT 2.0. Podemos indicarle esto al compilador mediante línea de comandos:

El valor 128 indica la versión 1.28, que se corresponde con el firmware de la versión comercial NXT 2.0.

Si trabajamos con BricxCC necesitamos tan solo activar la opción “NXT 2.0 compatible firmware” en la pestaña
Compiler|NBC/NXC del diálogo de “Preferences”.

Se pueden emplear 5 nuevos tipos de sensores con este nuevo sensor:

• SENSOR_TYPE_COLORFULL,
• SENSOR_TYPE_COLORRED,
• SENSOR_TYPE_COLORGREEN,
• SENSOR_TYPE_COLORBLUE, y
• SENSOR_TYPE_COLORNONE.

Estos tipos pueden emplearse mediante la función SetSensorType para configurar el puerto de sensor como sensor de color. Mientras que para detectar colores emplearemos el tipo SENSOR_TYPE_COLORFULL, los tipos restantes los emplearemos para detectar niveles de luz ambiental (con el tipo COLORNONE). Si deseamos usar el sensor de color como si fuera el antiguo sensor de luminosidad, emplearemos entonces el tipo COLORRED para activar la lámpara roja.

El API de NXC dispone también de funciones específicas de configuración para cada uno de los tipos anteriores: SetSensorColorFull, SetSensorColorRed, SetSensorColorGreen, SetSensorColorBlue, y SetSensorColorNone. Cada una de estas funciones llama a SetSensorType con la constante de tipo de sensor apropiada, hace una llamada a SetSensorMode con SENSOR_MODE_RAW, y finalmente llama a ResetSensor para esperar a que el firmware finalice de inicializar el sensor con los datos correctos de tipo y modo.

Una vez realizado lo anterior ya hemos configurado correctamente el puerto para poder emplearlo con el nuevo sensor de color, por lo que podemos leer los datos del sensor de varias maneras. La forma más sencilla de hacerlo es empleando los valores SENSOR_1, SENSOR_2, SENSOR_3, y SENSOR_4. Estos devuelven el número de color cuando el sensor está configurado en modo a todo color. También puedes leer los valores del sensor directos, de forma similar a lo que haríamos para obtener los valores del sensor de luminosidad con SensorRaw si configuramos el sensor como un tipo “non-full color”.

El acceso directo a los campos del sensor de color en el módulo IOMAP se realiza a través de las siguientes funciones de bajo nivel de NXC:

unsigned long ColorCalibration(const byte port, const byte pointNum, const byte colorNum);
unsigned int ColorCalLimits(const byte port, const byte pointNum);
unsigned int ColorADRaw(const byte port, const byte colorNum);
unsigned int ColorSensorRaw(const byte port, const byte colorNum);
int ColorSensorValue(const byte port, const byte colorNum);
byte ColorBoolean(const byte port, const byte colorNum);
byte ColorCalibrationState(const byte port);

Existe también una función de bajo nivel denominada SysColorSensorRead que hace uso de una estructura como argumento del tipo ColorSensorReadType. Esta estructura tiene la siguiente definición:

Como entrada a la llamada a la función SysColorSensorRead escribes el campo de Port con los valores S1, S2, S3 o S4. Después de la llamada puedes leer el campo Result para comprobar si se han producido errores y, en caso negativo, acceder al valor de ColorValue o leer los datos de los 3 arrays. Cada array se indexa mediante INPUT_RED (0), INPUT_GREEN (1), INPUT_BLUE (2), or INPUT_BLANK (3).

También es posible realizar una lectura de alto nivel de los valores directos del sensor haciendo uso de ReadSensorColorRaw(byte port, unsigned int & rawValues[]). Para leer los datos del sensor de color podemos emplear ReadSensorColorEx(byte port, int & colorValue, unsigned int & rawValues[], unsigned int & normValues[], int & scaledValues[]).

El valor ColorValue devuelto por estas funciones será una de las siguientes constantes:

• INPUT_BLACKCOLOR,
• INPUT_BLUECOLOR,
• INPUT_GREENCOLOR,
• INPUT_YELLOWCOLOR,
• INPUT_REDCOLOR, y
• INPUT_WHITECOLOR

(1..6, respectivamente).

Fuente: nxtasy.org

El Segway es el primer aparato de transporte impulsado eléctricamente que mantiene su propio equilibrio. Con unas dimensiones inferiores al tamaño promedio de un cuerpo adulto y la habilidad de imitar el equilibrio humano, el Segway usa el mismo espacio que un peatón y puede ir a cualquier sitio por donde una persona puede andar. Este vehículo permite ir más lejos, moverse más rápido y aumentar la cantidad de peso que puede cargar por los sitios por donde se anda normalmente.

El segway puede modelizarse como el péndulo invertido, un problema clásico de control, un sistema no lineal e inestable en ausencia de control. Es necesaria la presencia de un control con objeto de estabilizar el sistema. El segway emplea sensores de inclinación, giróscopos y la electrónica necesaria para controlar el movimiento del vehículo.

Podemos encontrar varias implementaciones realizadas con LEGO que resuelven el problema de estabilidad.

Steve Hassenplug, creador del LegWay en el 2002, emplea un método de control diferente para mantener estable un robot que se sujeta sobre 2 ruedas. El vehículo fue construído con el LEGO MINDSTORMS RCX, pero el sistema de control estaba basado en la información de 2 sensores EOPD (Electro-Optical Proximity Detector), que devolvían la distancia de un punto concreto del vehículo al suelo. Esto proporcionaba una medida indirecta del ángulo de inclinación del vehículo y eliminaba la necesidad de uso de los giróscopos. El programa fue escrito en BrickOS (LegOS).

A partir de la idea de Steve surgieron otras variantes, como la de James Matthews en el 2004, que basó la realimentación en función de la cantidad de luz recibida de dos sensores situados delante y detrás del vehículo. Con un código tan simple como el siguiente de NQC consiguió estabilizarlo durante 10-15 seg.

La inspiración del modelo de la fotografía anterior de Philippe Hurbain la proporcionó el Legway. El modelo de Philo se basa en el NXT y realimenta la posición con el sensor de luminosidad. Tiene varios vídeos en los que documenta el modelo estabilizado durante 1.5 minutos.

Podemos deducir la inclinación del robot a través del sensor de luminosidad teniendo en cuenta que existe una relación entre luminosidad y ángulo: partiendo de una posición de equilibrio se toma la medida de referencia de luminosidad. Si el robot se cae hacia el lado del sensor, es decir, se acerca el sensor al suelo, crece el valor de luminosidad y de este valor inferimos el ángulo. Para ajustar los parámetros es necesario raelizar una calibración previa. Debido a que el sistema es no lineal y la variación de la respuesta obtenida no es la misma dependiendo si el robot cae hacia uno u otro lado, se han dispuesto dos sensores, uno a cada lado del robot, y para el cálculo de la inclinación se hace uso de la lectura del sensor cuya luminosidad es mayor. Para que este sistema funcione debemos trabajar en unas condiciones de iluminación controladas, a la par que la superficie debe ser lo más homogénea posible. Es posible trabajar en condiciones distintas si implementamos un sistema adaptativo. Por ejemplo, si la lectura de ambos sensores crece, podemos encontrarnos en un sistema en el que la iluminación del entorno está aumentando o la superficie sobre la que nos movemos es más clara, por lo que deberemos de adaptar los umbrales de trabajo a esta nueva situación.

El programa fue escrito en NBC y para el desarrollo hizo uso de BricxCC.
Philo proporciona el código fuente del modelo.

Basándose en los modelos anteriores de Steve Hassenplug y de Philippe Hurbain, Ryo Watanabe creó en el 2007 una nueva versión basada en el NXT y haciendo uso del giróscopo. En su página documenta con todo detalle desde la estructura hasta la obtención de las ecuaciones que caracterizan al modelo.

nxtOSEK proporciona el API en C para el NXTway-GS.

Este otro modelo de cadornabeach descubre su inclinación mediante sensores de luminosidad y está demás controlado por un segundo NXT a través de bluetooth.

Aunque no lo hemos comentado, también es posible hacer uso del acelerómetro y calcular la inclinación mediante trigonometría.

El sudoku es un pasatiempo cuya popularidad ha crecido en los últimos años. Podemos tomar un lápiz y pensar un rato, pero es más creativo diseñar un robot con LEGO que lo haga por nosotros. Seguramente nos lleve más tiempo crear el robot que resolver el sudoku, pero la satisfacción personal de haberlo conseguido no tiene precio. Son varios los que han creado resolvedores de Sudoku mediante el NXT de LEGO. Nos hemos quedado sorprendidos de nuevo por el potencial del MINDSTORMS.

La frase “una imagen vale más que mil palabras” hace justicia en este caso. Frummels diseñó un robot que consigue resolver un libro de 200 sudokus en unos 30 minutos. Requiere de la ayuda de una cámara y un ordenador.

Con pretensiones no tan intensivas, pero de forma totalmente autónoma -es decir, sin contar con la ayuda de externa del PC o de ninguna cámara- este otro robot creado sudokuTeam es capaz de resolver el sudoku en unos 25 minutos. Se basa en una primera inspección visual, en donde está funcionando como escáner. Una vez conocidos los valores que tiene el sudoku inicialmente tras el barrido anterior, resuelve internamente los valores que faltan y por último los escribe. El sistema de rieles le permite un control muy fino del desplazamiento. Hace uso de dos motores para el desplazamiento en los dos ejes y de un tercer motor para controlar la altura del rotulador.

El detalle de la escritura lo podemos ver en este otro vídeo. Como se puede apreciar, la calidad que obtiene en los trazos es tremenda.

Después de su prestigioso resolvedor del Cubo de Rubik, Hans Andersson nos ha vuelto a sorprender un año después con su nuevo resolvedor de Sudoku. A pesar de que la mecánica de este modelo y el del anterior es totalmente distinta, el funcionamiento es el mismo: una primera fase de reconocimiento de caracteres mediante barrido, búsqueda de soluciones y, por último, escritura de los números. De los tres grandes apartados el de reconocimiento es el más complejo.

Con objeto de disminuir el tiempo empleado en el reconocimiento inicial Hans realiza un primer barrido de toda la superficie para determinar dónde están los números, sin importar su valor. Una vez descubierta su posición, realiza un barrido fino sobre cada uno de ellos, en lugar de realizar un barrido fino sobre los 9 x 9 = 81 casillas.

Hans nos explica el proceso en detalle, con instrucciones de montaje e incluso programa en NXC, en su página tiltedtwister.

Todos hemos visto vídeos impresionantes de lo que se puede hacer con Mindstorms, y ya hemos enseñado varios modelos sobre robots que trabajan con imágenes (por ejemplo los escáneres). En esta ocasión os queremos enseñar un modelo del conocido Danielle Benedetelli, se trata de un Mindstorms que hace retratos.

Según nos cuenta el autor en su página, durante la “Cirque des Sciencies” de Luxemburgo del 2007 quedó muy impresionado por el XY Plotter de Erik (un plóter o trazador gráfico es un dispositivo de impresión diseñado específicamente para trazar gráficos vectoriales o dibujos lineales).

Y debido a ello comenzó a diseñar uno propio basado en el Plotter del centro de Control de Technic (ref. 8094).

Claude Baumann le explicó como transformar una imagen formada por píxeles en una representación vectorial… y así nació el robot que os mostramos hoy.

Durante el Festival de la Creatividad de Florencia (2008), se presentó el primer prototipo de este robot, que dibujó más de 170 retratos de los visitantes en 2 días.
Se trata de un modelo de brazo antropomorfo (forma humana) donde dos motores hacen las veces de articulación del hombro y de la muñeca, y un tercer motor desplaza la totalidad del brazo con respecto a la posición del papel. Está programado en NXC, y el tratamiento de imágenes se hace mediante una aplicación de MATLAB hecha por el propio Benedetelli. Es decir no se trata de un sistema totalmente autónomo, sino que requiere de la ayuda del ordenador, en el que se ejecuta el MATLAB.

Este robot trabaja como un artista real, primero traza las lineas principales, luego los detalles y finalmente rellena los espacios en negro.

Aquí os dejamos un vídeo de su funcionamiento, primero se nos muestra como se pasa la imagen a vectorial en el ordenador, para después enseñarnos cómo el robot dibuja el retrato.

Fuente Danielle Benedetelli

“NXT Power Programming” presenta todo lo que necesitas para crear el robot con el que has soñado. Es la guía de programación en C escrita por el creador de algunas de las herramientas de desarrollo para LEGO MINDSTORMS más potentes y populares.

John C. Hansen ha escrito una serie de proyectos que exploran toda la funcionalidad del NXT. Estos proyectos se desarrollan sobre Versa, un robot móvil que sirve de plataforma sobre la que emplean otros módulos y con los que se estudia:

• NXC, el lenguaje C para el NXT.
• BricxCC, un completo entorno de programación.
• Sensores y motores.
• Utilidades para música, muestreo de sonido, gráficos, etc.
• NBC, un lenguaje ensamblador para el NXT. Si queremos optimizar algunas rutinas, podemos hacer uso del ensamblador NBC.
• Construcción de robot sin bricks. En este capítulo se compara la construcción tradicional basada en “ladrillos” con la más reciente basada en vigas.
• Juegos de Arcade en el display del NXT.
• Comunicaciones Bluetooth entre módulos NXT.
• Sensores de HiTechnic y mindsensors.

Daniele Benedettelli nos presenta un libro con instrucciones paso a paso para crear y programar varios modelos de dificultad progresiva. Hay varios modelos que caminan, y el último de todos es JohnNXT, un robot desarrollado a imagen de Johnny 5, que aparece en la película Cortocircuito.
Este modelo requiere dos ladrillos inteligentes NXT para su construcción y un tercero para el mando a distancia. En la web del autor pueden verse además de JohnNXT, otros tres modelos que aparecen en el libro: Omni Biped, Turtle y Landmine Sweeper. Casi más importantes que los modelos en sí, son las excelentes ideas, trucos y discusiones que va aportando a medida que desarrolla los conceptos y modelos, ejemplo de ello es el primer capítulo sobre la construcción de bípedos.

Las instrucciones de montaje son excelentes, lo cual es importante, porque ocupan buena parte del libro. El autor hizo uso de técnicas avanzadas para la generación de las instrucciones.

La mayoría de los modelos están enfocados a usuarios intermedios o avanzados, y con el código sucede lo mismo: no estamos ante un libro que enseñe a programar en NXC, sino que la programación de estos robots se emplea como medio para presentar varias técnicas de programación: máquinas de estados (FSM), hysteresis, programas multitarea y su control… El modelo JohnNXT utiliza comunicación serie entre los dos NXT a través del puerto de comunicaciones de alta velocidad (el puerto 4). Podemos encontrar vídeos y código de programación de este modelo en la página de Daniele.

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NXC es un lenguaje de alto nivel similar a C. Utiliza el firmware original de LEGO, por lo que no necesita reescribir el firmware del ladrillo NXT, y está disponible para Win32, Mac OSX y Linux (ia32). Este lenguaje ha sido construído sobre el compilador NBC. NBC/NXC es un software libre que hace uso de licencia tipo MPL.

NXC ha sido desarrollado por John Hansen. Referenciando sus comentarios, el entorno de programación gráfico NXT-G es adecuado si te inicias en el mundo de la programación, mientras que si eres un programador ésta puede ser una alternativa más adecuada.

Nos proporciona una guía del programador, además del compilador y editor, BricxCC. Disponemos además de varios ejemplos.

Como documentación adicional, podemos mencionar la guía en inglés y el libro “Creating Cool Mindstorms NXT Robots”, escritos ambos por Daniele Benedettelli.

Existen además otros proyectos que han sido programados también en NXC y que nos pueden servir como referencia y ayuda. Por ejemplo, los dos diseños de Hans Andersson, tanto el resolvedor del cubo de Rubik, como el resolvedor de sudokus, han sido programados en NXC.

John Hansen ha publicado un libro sobre programación con NBC y NXC: “NXT Power Programming Robotics in C“.

Como seguro que os habéis preguntado en alguna ocasión qué posibilidades hay a la hora de programar vuestro Mindstorms, vamos a hacer una pequeña review de los lenguajes de programación principales para el NXT.

- NXT-G

Programación en modo gráfico, basada en iconos. Se trata de un software oficial de LEGO, compatible con Windows y Mac pero sin soporte para Linux. Basado en LabVIEW. Permite conexiones bluetooth y por puerto serie. Tiene algunas limitaciones en cuanto a las posibilidades de programación y en ocasiones resulta algo engorroso, sobre todo cuando se emplean muchos iconos para programas más complejos. Utiliza el firmware habitual. Permite hacer programas relativamente rápido sin tener conocimientos de programación. En contrapartida son más lentos y ocupan mayor cantidad de memoria.

Hay 2 versiones:

Educativa: la versión 2.0 tiene Data Logging, permite monitorizar en tiempo real el estado del robot y/o sus sensores. Incluye actividades para el aprendizaje del diseño y programación de robots NXT Mindstorms.

Comercial: No tiene Data Logging. Incluye instrucciones y guía de programación para los modelos básicos que se muestran en la caja (la versión 1.0 y 2.0 tienen distintos modelos).

- RobotC

Programación en modo texto, también es un software oficial de LEGO, hasta el momento sólo con soporte para Windows. Basado en AnsiC. Permite conexiones por bluetooth y puerto serie. Las posibilidades crecen enormemente y prácticamente ya no existen más limitaciones que la propia imaginación. Los programas en modo texto ocupan mucha menos memoria que los gráficos y eso siempre es un alivio debido a las limitaciones de memoria del ladrillo NXT (aunque en la versión 2.0 la capacidad se ha duplicado). Incluye programas de ejemplo. Los programas son livianos y de rápida ejecución, sin embargo son necesarios conocimientos de programación.

- NXC

Programación en modo texto, se trata de un software libre desarrollado por la comunidad. Compatible con Windows, Mac y Linux descargando el compilador adecuado para cada sistema. Suele venir de la mano con NBC (ensamblador) y tiene ciertas similitudes con C. Tiene soporte para bluetooth y puerto serie.
Importante: Los programas de RobotC y NXC no son compatibles entre sí, y no se pueden portar de una plataforma a otra, ya que hacen uso de librerías y funciones distintas.
Hace uso del firmware estándar. Los programas son también muy ligeros y de rápida ejecución, sin embargo son necesarios conocimientos de programación.

- LeJOS

Programación en modo texto, también se trata de software libre. Compatible con Windows, Mac y Linux. Basado en Java. Soporte para bluetooth y puerto serie. Requiere de un firmware personalizado. Los programas se ejecutan relativamente rápido y son ligeros. Se necesitan conocimientos de programación.

- PbLua

Programación en modo texto, basada en Lua, que es un lenguaje de programación basado en C portable, fácil de leer y de escribir que se compila directamente desde el ladrillo. Software libre. Es necesario un firmware personalizado. Se requieren conocimientos de programación y son programas que ocupan muy poca memoria y de rápida ejecución.

- LabVIEW

LabVIEW es un entorno de programación gráfica empleado por millones de ingenieros y científicos para el desarrollo de sofisticados sistemas de control, medidas, pruebas mediante el uso de intuitivos iconos gráficos conectados por hilos, que recuerdan una tabla de flujo. LabVIEW permite la integración con una infinidad de dispositivos hardware y proporciona librerías que permiten el análisis avanzado y visualización de datos. La plataforma LabVIEW es escalable, trabaja en varios sistemas operativos, y desde su introducción en 1986 se ha convertido en líder industrial. LabVIEW dispone de una página de recursos relacionados con LEGO MINDSTORMS NXT, entre los que podemos encontrar el Toolkit for LEGO MINDSTORMS NXT.

Si estáis interesados en conocerlos todos, echad un vistazo a esta tabla comparativa.

Fuente: TeamHassenPlug

La habilidad de los creadores de Mindstorms nunca deja de sorprendernos, desde Alemania traemos nada más y nada menos que de una caja fuerte con apertura automática y combinación de 5 números (cada número puede estar entre 00 y 35).

Como veréis, el display muestra el número en el que nos encontramos en cada momento, si es correcto, abrirá uno de los 5 candados.

Cuenta también con un sensor que detecta si la caja es desplazada activando una alarma (un acelerómetro). Está programado en NXC y pesa unos 6.5Kg (casi toda la estructura es de ladrillos).

Fuente Lego Examples.