第一节 认识Prime科创套装 LEGO. Education SPIKE. Prime 科创套装是乐高教育开发的针对STEAM 学习的 工具。Prime 科创套装结合了色彩丰富的乐高积木颗粒、易于使用的智能硬件和以图形 化编程平台为基础的直观图形编程语言，适合小学高年级和初中学生使用，以此学习编 程、动手创作、进行各学科研究性学习。学生可以通过寓学于乐的学习方式获得审辩式 思维和解决复杂问题的能力。 智能集线器 Prime 科创套装提供了可编程式智能集线器。这是一款集电源、传感器，以及控制 器于一体的积木形设备，它拥有6 个输入/ 输出端口、5.5 矩阵灯、蓝牙连接、扬声器、 6 轴陀螺仪和可充电电池。它可以通过USB 线或蓝牙与计算机连接。 其中陀螺仪是位于智能集线器中的一个重要的传感器，通过这一传感器我们可以检 测智能集线器的运动状态和所处角度。陀螺仪是一种用来传感与维持方向的装置，是基 于角动量守恒的理论设计出来的。陀螺仪主要是由位于轴心且可旋转的转子构成。六轴 陀螺仪可以分别感应Roll （左右倾斜）、Pitch （前后倾斜）、Yaw （左右摇摆）以及三轴 加速度的全方位动态信息。智能集线器如图1-1 所示。 图1-1 智能集线器 Lkczw新.indd 1 2021.6.7 8:49:53 AM 2 乐高SPIKEPrime入门 电机 电机是机器人运动最常用的部件。除此之外，还有液压、气动等驱动方式。对一个 机器人最主要的控制就是控制其移动，无论是自身的移动还是手臂等关节的移动，机器 人驱动器中最核心的问题就是控制电机转数，从而控制机器人移动的距离和方向、机械 手臂弯曲的程度或者移动的距离等。Prime 科创套装提供了大型电机和中型电机两种电 机。这两种电机具有集成式高级转动传感器，可以报告速度和位置信息。如果是手动旋转， 电机也可以直接测量到用户的输入，可以同时作为传感器使用。 Prime 科创套装提供的两种电机如图1-2 所示，其区别在于内部齿轮传动结构的不 同，因此会提供大小不同的转动力矩。 图1-2 电机 力传感器模块 Prime 科创套装提供的力传感器可以测量受力的大小，以及是否被触碰的状态检测。 力传感器是用来检测触碰或者接触信号的，比如机械手臂的应用，当一个东西运动到机 械手臂中时，并让机械手臂自动抓住它，这里就需要力传感器检测东西抓得紧不紧。典 型的力传感器是微动开关和压敏传感器。微动开关其实就是一个小开关，通过调节开关 上杠杆的长短能够调节触碰开关力的大小。但是这种传感器必须事先确定好力的阈值， 也就是说只能实现硬件控制。而压敏传感器能根据受力大小自动调节输出电压或电流， 从而实现软件控制。力传感器如图1-3 所示。 Lkczw新.indd 2 2021.6.7 8:49:54 AM 3第一节 认识Prime科创套装 图1-3 力传感器 颜色传感器模块 颜色传感器可将接收到的光值返回给机器人，同时也可作为非编程式灯光输出，通 过颜色传感器所提供的信息，可以进行颜色、反射率和环境光强度的测量；颜色传感器 是机器人在运动过程中应用广泛的一种传感器，它可以测量光的反射值（就像光电传感 器那样），用于检测周围反射光的强度，也可以检测颜色。在自动化流水线上，颜色传 感器被大量用于遴选不同的产品。颜色传感器检测颜色时通过返回的数值提供检测的结 果，返回值与颜色的对应结果如下。 返回值0 1 3 4 5 7 9 10 –1 颜色黑紫蓝浅蓝绿黄红白无色 颜色传感器如图1-4 所示。 图1-4 颜色传感器 Lkczw新.indd 3 2021.6.7 8:49:54 AM 4 乐高SPIKEPrime入门 距离传感器模块 距离传感器（见图1-5 ）即超声波传感器，是用来测量距离的电子模块，主要由超 声波发射器、超声波接收器和控制电路组成。当超声波发射器收到指令时，会向前方发 出耳朵听不出的高频声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障 碍物就立即返回来，当反射回来的声波被超声波接收器收到时，超声波接收器会立即停 止计时。距离传感器工作原理如图1-6 所示。 图1-5 距离传感器图1-6 距离传感器工作原理 声波在空气中的传播速度大约是340m/s ，根据计时器记录的时间t，控制器就可以 计算出发射点距障碍物的距离s。 乐高Prime 所提供的这一距离传感器在“眼睛”周围配有光输出，分为4 个部分， 可单独启动。 拓展与提高 我们在本节中认识了哪几种传感器？请同学们想一想这些传感器可以应用在哪些地 方？如果我们学会这些传感器的使用，可以有哪些创作，请与同学们分享你的想法。 传感器种类 作用和应用场景 创作想法 Lkczw新.indd 4 2021.6.7 8:49:55 AM 第二节 编程环境 初次使用Prime 科创套装时我们需要安装编程软件，乐高教育网站https:// education.lego.com/zh-cn/downloads 提供了软件下载，我们只要选择Prime 科创套装， 然后单击“点击下载”按钮即可安装，如图2-1 所示。 图2-1 下载软件 初识SPIKE 运行SPIKE 软件将出现如图2-2 所示的界面。 图2-2 SPIKE 编程环境 Lkczw新.indd 5 2021.6.7 8:49:55 AM 6 乐高SPIKEPrime入门 SPIKE 软件在提供编程环境的同时，也提供了大量可供学习的案例和搭建手册，对 于初学者具有很好的启发，如果要建立自己的程序，只需在屏幕深色区域单击或关闭首 页即可。要新建一个程序，应选择新建项目，如图2-3 所示。 图2-3 学习或新建项目 选择新建项目就进入了编程界面，在此可以编写程序，如图2-4 所示。 图2-4 编程界面 按照功能分类，编程环境可以分为积木区和舞台区两个主要功能区域。编程界面右 下角有程序运行、停止指令与运行模式的选择，在编程区上方还有连接状态显示，如图2-5 所示。 （1）积木区：针对机器人各种指令对应不同颜色、形状的积木模块，这些积木模块 即编程中所用的程序指令，将这些积木拖动到舞台区按照一定方式搭建起来，就可以完 成程序的编写。 （2）编程区：这一区域用于设计程序作品，通过一些组合与搭建，完成具有一定功 Lkczw新.indd 6 2021.6.7 8:49:55 AM 7第二节 编程环境 能的程序。 图2-5 软件功能区 （3）连接状态：显示机器人目前是否与计算机连接，如果已经与计算机连接，显示 机器人具有的电机、传感器连接端口与检测数值。 （4）运行模式：Prime 科创套装提供了串流和下载两种运行模式，如图2-6 所示。 如果选用串流模式，可以在计算机上读取电机与传感器的各种数据，下载模式需要将程 序下载到智能集线器中进行运行。 图2-6 两种运行模式 连接智能集线器 如果我们用USB 线将智能集线器与计算机连接，打开智能集线器电源，智能集线 Lkczw新.indd 7 2021.6.7 8:49:58 AM 8 乐高SPIKEPrime入门 器会自动与计算机连接，在连接状态中会显示出连接的电机和传感器的信息。如果想使 用蓝牙连接，我们需要单击按钮进入连接向导，如图2-7 所示。 图2-7 蓝牙连接 选择蓝牙连接方式，按提示进行操作完成连接。连接完成后，在连接状态区将显示 与机器人相连接的电机与传感器的状态，如图2-8 所示。 图2-8 电机与传感器的状态 图2-8 中的状态表示智能集线器在端口C 连接了一个电机，转动角度为2°，在端 口A 连接了力传感器，受力为0。其中电机位置、转动角度如图2-9 所示，转动角度为 0°~360°。 图2-9 电机位置和转动角度 Lkczw新.indd 8 2021.6.7 8:50:00 AM 9第二节 编程环境 智能集线器设置 连接智能集线器后，我们可以单击按钮进入智能集线器进行设置，可以选择传感 器和电机反馈的不同物理量，如力传感器可以选择力、被触碰、压力；电机可以选择功率、 速度、运转角度、位置；智能集线器可以选择倾角、方向、陀螺仪速率、加速度，如图2-10 所示。 图2-10 智能集线器设置 同时还可以对集线器进行重置和重命名，如图2-11 所示，作者将自己这台智能集 线器命名为Robot-1 。 图2-11 重置和重命名 Lkczw新.indd 9 2021.6.7 8:50:01 AM 10 乐高SPIKEPrime入门 第一个程序 制作一个机器人小车，如图2-12 所示，详细步骤见下文。 图2-12 机器人小车 任务1 让机器人行走 5 秒，停止 端口设置 端口 器材 A B C 电机 D 电机 E F 算法分析 （1）设置电机端口。让机器人行走必须用到运动模块，在运动模块中，需要进行机 器人电机端口的设置，如图2-13 所示。 Lkczw新.indd 10 2021.6.7 8:50:01 AM