格物致知 篇二：【星球大战】BB-8机器人评测兼谈电影中的机器人形象

写作背景

在最新一集的星球大战电影《原力觉醒》中，机器人自然是不可或缺的角色。以前的C-3PO与R2-D2已经年近不惑，这次增加了一位新的机器人角色BB-8。据说是因为上下两个球叠加的造型很像数字8，因此取名为Ball-Bot-8。电影中不是3D特效，而是用实体拍摄。与前代相比，这个造型充分反映了技术进步的成果。即使在缩小版的模型玩具中，为原汁原味地实现BB-8的功能，也用到了很多“黑科技”。由于笔者对这类智能玩具很感兴趣，就申请了众测，并很高兴与几位乐高大神共同获得了测试资格。考虑到自己没有乐高人偶搭建星战场景，就打算重点分析一下Ball-Bot的工作原理和软件应用，争取尽早投稿，笨鸟先飞暖暖场。计划分成工作原理介绍，标准软件应用，进阶编程应用，电影中的机器人形象这几个部分说明。

满心喜悦地收到张大妈送的新年礼物，在此感谢编辑的信任。因为除了第一次投稿收到过修改意见，以后连改稿的沟通也没有。大家素不相识，凭几篇文章就寄送贵重商品；而且从客观角度完成第一次评测后，还能再次获得众测资格。我觉得这体现出值得买的众测思路，值友与网站的互动与信任都是令人称道的，希望能够通过对BB-8的全面测试有所回报。

工作原理介绍

从电影的宣传视频中，可以看到BB-8奔跑的一段场景。

球身快速滚动，头部稳定在球顶位置，随着颠簸甚至还小幅离开球身，让观众觉得很是神奇。估计电影道具球身的工作原理类似这种仓鼠跑球。

当仓鼠跑动时，球体也会朝同一方向滚动。从向前滚动时还能做扭头动作判断，BB-8头部的工作方式很像这种悬浮灯，灯口处有永磁铁和传感器，

在底座中安装一圈电磁铁，通过PID算法即时调整电磁场强弱，当灯泡向某方向倾倒时，增加该方向电磁铁的电流，靠电磁场把灯泡推回原位以保持稳定。类似方案用在BB-8上面，不仅可以保持运动中头部位置，还可以主动控制头部移动，做出各种憨态可掬的动作表情。上述原理均属推测，实际拟通过拆解来验证一下。

产品的包装非常结实，盒子上有BB-8的定妆照和主要功能介绍。

盒底标签注明产地广东，代理商腾讯，加上版权方迪斯尼，设计商Orbotix Inc.，可以说系出名门啊。

打开后，看到有机器人、充电底座、充电线、快速使用说明。

还专门有一张锂电池安全使用须知，对儿童用户的安全考虑得很周到。与电影中半人高的BB-8不同，玩具的尺寸较小，先来做个体检吧。

如果不算天线，BB-8高约99mm，腰围约230mm，体重约200克，单手刚好握住。相对体型而言，算是有点分量的。这个体检不是走走形式，后面还要用来计算浮力的。本想接着来一个拆解，给值友们看一下内部构造，但其球身是两半聚碳酸酯壳粘合或超声波焊接在一体的，不能做到无损拆解。只好在互联网上找现成的资料，看到Cnet上有大神用电磨把球壳切开讲解的视频，在此引用部分图文并致以谢意。

Cnet介绍“BB-8的主板采用意法半导体的STM32 F3作为MCU（72MHz主频的32位ARM Cortex-M4核心）、CSR 1010蓝牙芯片、意法半导体的M24512-R（512Kbit串行EEPROM）作为存储器、华泰HT6292电池充电管理芯片、陀螺仪和加速度传感器”，可以看出硬件配置还是较高的。机芯中部有两个三色发光二极管，通过调整RGB色彩的比例，能够发出255*255*255，合计约一千六百万种色彩的光，不仅显示工作状态，还可以自行定义，增加娱乐功能。

这类球形机器人最大的优点是具有静稳定性，只要算好配重，内部的机芯会自然而然地垂直立在球体里面，不像平衡车那样还需要陀螺仪与算法辅助。内部的陀螺仪和加速度传感器用于检测碰撞等触发事件，能够提高机器人的智能感知能力，设计更多玩法。机芯上部有两块磁铁，可以隔着球壳吸住BB-8的头部，并作为确定一条直线的两个点，约束头部的朝向。玩具的头部比较简单，是单纯造型设计，依靠内部的两块磁铁吸附在机芯磁铁上，依靠滚轮在球身上来回移动。

这种设计比电影道具简单得多，但用在小型玩具上，仍然可以模拟出大部分电影中的动作。

由于视频分辨率较低，而且拆开后机器人就无法再活动了，不能演示各种工作状态。笔者又到设计公司Sphero的网站查找资料，找到了与BB-8类似的产品Sphero2的爆炸图，除了没有连接头部的磁铁，机芯基本一样，就用Sphero2来替代说明吧。

透过球壳可以看到，机芯下部有两个各自独立的驱动轮，分别由两台电动机减速驱动。当驱动轮同方向等速旋转时，机芯前进或后退，球壳也随之前进或后退；当驱动轮同方向差速旋转时，机芯向低转速一侧偏转，球壳也随之拐弯；当驱动轮反方向转动时，机芯在球壳中水平自转，根据角动量守恒原理，球壳与机芯反向旋转。这样先旋转，再前进，BB-8就可以改变行动方向。上部的支撑轮由弹簧顶在球壳上，可以保持机芯稳定，并给驱动轮足够的正压力。如果没有支撑轮，大家可以想象摇晃仓鼠跑球时，仓鼠被摔得七荤八素的样子。这个结构还有一项绝技，就是当两个驱动轮以最大功率同方向旋转时，由于地面摩擦力存在上限，球壳滚不了那么快，下重上轻的机芯就会在球体内上下垂直旋转，这样球身整体的重心不断上下改变，就像下图这种蛤蟆夯一样，机芯相当于偏心轮，会带动球壳跳起来，非常有意思。

有了基础运动能力，稍微组合一下就可以作出更多身体语言。如机芯小幅左右转动就会作出摇头动作，机芯满功率小幅前后移动就会作出点头动作，诸如此类。

完整的爆炸图如上面所示，可以看到支撑轮下面的弹簧、主板、电池、电机等零件。等等，怎么主板下面多出一个电动机？

研究了一会，笔者判断这个爆炸图太狠了，把电机的转子都炸到外面来了，如上图红线所示。电机下面是无线充电线圈，相当于把一个变压器拆开，初级放在底座里，次级放在球壳下部。类似以前Palm的试金石充电器，特别适合BB-8这种无法设置充电接口的球体。最底下是配重，保持机芯垂直，很可能也兼作充电线圈的铁芯。

标准软件应用

新机器使用前最好先把电池充满，从拆解就可以看出自己很难更换电池，尽量浅充浅放，延长寿命吧。

充电时最大电流约为0.5A，对充电头没有特殊要求。虽然电流不大，但球壳底部发热明显，可能是无线充电初次级间隙偏大，效率较低导致。最好放到底座前摇晃几下，确保充电线圈处在最低位置。充电时正好在手机上下载StarWars Sphero BB-8控制软件，首次启动需要更新固件，输入用户年龄，之后熟悉的星战背景音乐响起，蓝牙配对很快完成，可以在手机上控制BB-8开始星际探险了。

虽然在原理章节已经介绍了球形机器人前进后退、改变方向的办法，但操纵时首先面临的问题是：哪里是前面？为此需要先校正方向，在面板上控制BB-8左右旋转，直到蓝色的尾灯对准自己，就可以按常规方式操作了。这点非常重要，因为在编程时经常会输入前进角度，转动角度等，均以蓝色尾灯的方向为180度。另外，如果发现头部面对蓝灯方向，需要把头取下来转180度，再放回去，避免机器人倒退着走。

初次上手的操作手感很有特点，由于球壳光滑偏硬，与地面摩擦很小，球体也有一定分量，因此运动惯性较大，像玩超级马里奥的感觉，一不小心就走过头。其实就算小心也没用，BB-8没有刹车。最好用较慢的速度，留点提前量控制，人的经验与参与感非常重要。这并不算缺点，很多虚拟的滚球游戏都设置或大或小的惯量，不同材质的桌面，以增加挑战性。而且Sphero自己也提供基于图像识别的游戏，能够控制实体球，在屏幕上躲虚拟的僵尸等，太容易定位就不算游戏了。非常遗憾的是Sphero没有把这些游戏开放给BB-8，找不到僵尸就回家逗逗猫吧（图片截自宣传视频）。

如果不想直接操作，也可以用命令方式。点击不同的功能键，可以要求BB-8完成点头、摇头、探索、返回、画图形等等功能。或者用语音互动，说“OK，BB8”进入倾听模式，如果对BB-8说“Run away”，机器人先吓白了脸，接着快速逃离现场；问他“what do you think?”，他会摇摇头，又点点头，闪几下光，很好玩。这类命令功能更多像是演示性质，数量有限，后面使用编程应用可以很方便地开发出更多的动作组合。语音控制则是先在手机端识别好，之后给机器人发送对应的运动指令。如果厂商支持，更新手机端APP，可以很容易地让BB-8听懂更多的语句，甚至改为中文交流。

关于信息投影功能，笔者认为需要具体说明一下，以免潜在用户产生误解。看宣传资料图片时，以为BB-8的头部能够发出3D投影图像，向用户传递信息，心想这玩意有多少黑科技啊。收到商品后，看到头部仅仅是外观设计，不可能具备投影功能，这项技术完全是在手机屏幕上实现的。例如当选择显示X翼星际战斗机后，把手机摄像头对准BB-8，当APP识别出机器人形状后，会在其屏幕映像的周围显示出星际战斗机图像，看起来好像BB-8在做关于战斗机的简报。

除了APP中预设的几种图案，也可以自行录制一段视频，显示在BB-8的屏幕映像周围。例如先录制一个发现天宫空间站的信息，

然后把图像显示在屏幕上的机器人前方，好像BB-8在报告新侦查到的情报。

如果希望测试一下BB-8的智能水平，可以使用巡逻模式，让他自动寻找前进路径。由于其主板上装有陀螺仪、加速度传感器，可以判断机器人的姿态，测量XYZ轴加速度。这样，一次碰撞就可以触发其改变前进方向。巡逻中各项传感器的参数，走过的距离，路线形状等都可以显示在手机屏幕上，在学习编程前熟悉一下能够更好地了解BB-8丰富的传感器资源。

例如笔者搭建了一个小迷宫，把机器人放到里面，看看他怎么寻找出路，走出迷之中国历史。下面的视频是几次测试中最慢的一次。此外，把电影中的角色、情节投射到衍生品上也是一项重要玩法。笔者以前就和小孩拿着《汽车总动员》中的麦坤、莎莉、板牙/拖线等车辆，放到一个修理站/消防站里，模仿电影中的对白，念念叨叨地玩上一两个小时。很可惜《原力觉醒》在国内的首映时间是1月9日，众测的时候还不了解剧情，就简单搭一个空地协同的场景吧，可以与小孩同时遥控，走向星辰大海的征途。期待同时参与众测的大神们展示精彩的乐高版星球大战！

进阶编程应用

在分析工作原理时，笔者发现BB-8的机芯与同一公司的产品Sphero2非常相似，虽然京东的网页上明确说“其他Sphero的APP不可以用于此产品。”但看过美亚Sphero2商品介绍的一段视频后，对其留下非常深刻的印象。如果BB-8还能兼容Sphero的软件，哪怕一部分，也能极大程度地扩展其功能，增加很多新的玩法。为此，笔者把App Store上该公司的软件全部测试了一遍，找出能够有效支持BB-8的逐一介绍一下。

按图滚球——算是一个入门编程工具，所谓编程就是在色盘上选好sphero的显示颜色，然后画出一个图形或线段，机器人就可以把设定的形状作为规划路线，自动走一遍。划方走圆自然没问题，稍复杂的8字，五星也能完成。并且可以调整滚动速度，走得慢一点精度就会高一点。

说到这里，还有一个关于按图滚球的故事。笔者是周末收到的BB-8，很快就学会了这个APP的用法。周日早晨喜降瑞雪，望着窗外洁白的世界，忽然想作诗言志，思索良久，苦吟出以下诗句：

当蜘蛛网无情地查封了我的钱包，当灰烬的余烟叹息着信用卡的悲哀，我依然固执地设定好滚球路线，在美丽的雪花上写下：相信什么值得买。

其中最重要的创意就是用BB-8在雪地上压出SMZDM五个字母，拍下照片作为向张大妈的表白。

顶着冻手的寒风，按下执行按钮，谁知这个不争气的机器球在雪地上不停打滑，做出各种花式扭动，就是一个字不写。想到错过与张大妈进一步发展的机会， 直接众测差评！后来在写报告过程中，发现可能冤枉了BB-8。Sphero还有橡胶防滑套作为选装附件，可以增大摩擦，提高越野能力，像下图这样。

上面的胶粒不但有助于越障，甚至还能划水。

在水中Sphero处于漂浮状态，球身旋转时，浸在水中的胶粒象明轮叶片那样，起到向后拨水的作用，在反作用力推动下，小球就能够向前航行。笔者马上想到能不能让BB-8也在水里走两步，先算一下平均密度，根据球体体积喂等于三分之四派啊立方计算（请张大妈给个公式编辑器），球半径3.65cm，体积203.69cm3，质量小于200g，平均密度刚好比水略轻一点。查到其防水等级是IPX4，只能全方位防溅，要防浸水至少IPX7。实践出真知，先把机器人完全按进水里，没看到有气泡冒出，接着在漂浮状态用防水相机拍张水下照片，看看吃水深度。

从图中可见，虽然BB-8还在漂浮，但吃水已经很深，估计是增加的头部定位磁铁以及对应的底部配重所致。这种情况下旋转，下半球往后划水，上半球向前划水，作用力基本抵消，不能像Sphero那样游泳了。在水浅的地方涉水前进还是可以的，要是设计时球体直径大一点，增加些储备浮力就好了。

MacroLab——类似Word，Excel中的宏命令，把一串控制语句排列在一起，让BB-8执行批处理程序。点击每条指令都会弹出子菜单，具体设置色彩，延时，速度，方向等参数。使用很方便，但可用的语句较少，适合初级编程练手。开始蓝牙连接时，如果BB-8没有反应，摇晃一下就可以唤醒并配对了。

Lightning Lab——这是类似scratch的积木化编程工具，具有明显的球形设计风格。各种功能非常多，可以作为主要编程工具使用。虽然没有教材，但APP中提供了很多范例，研究一会儿就能上手。

例如笔者设置一个故事情节：BB-8亮着绿灯在愉快地玩耍，在前进方向上撞到了门，头上起包，按原路弹回。心情由开心的绿色变成生气的红色，接着暴跳如雷地发火。2秒钟后，跳不动了，心情又回复成平静的蓝色，视频演示如下。具体程序如下图所示，其中的Raw Motor语句就能起到让小球跳起来的作用。

其中碰撞检测可能是调用中断的方式实现，写在主程序外的末尾。从两张图的底部菜单可以看出，机器人的各种功能语句、逻辑控件还是相当完整的，足以支持编写更加复杂的程序。

在此感谢不仅看文章首尾，而且还阅读中间内容的值友们，送上货真价实的彩蛋一枚。

这张照片引自Sphero网站，笔者估计是编写一个循环程序，让小球以跳跃方式乱蹦，每零点几秒换一种颜色，就光绘出了这样的七彩色带。

orbBasic——字符型编程工具，同样具有丰富的功能。举个例子，甚至有返回电池电压的函数Vbatt，可以更全面地控制sphero的各种硬件，熟练掌握后比积木式编程工具更快。

但笔者安装后发现APP能够识别BB-8，并可以用操纵杆控制其运动，但对执行程序没有响应。可能是笔者还没有吃透其用法，也可能是orbotix没有对BB-8开放其功能。如有熟悉该产品的值友，还请费心指点。此外，sphero网站介绍还有基于C编写的OVAL语言，但没找到相关的APP。

其他Sphero应用——除了编程类应用，Sphero程序可以分为遥控运动类（例如用来走迷宫、赛跑），

视频识别类（例如The Rolling Dead），运动感应类（例如Sphero Exile）等，其中运动感应类是调用sphero的陀螺仪和加速度计，把他当做一个三轴鼠标，控制游戏主体的移动，是一种很新颖的操作体验。介绍了这么多，概括起来就是“一枕黄粱”。游戏类的应用全都无法在BB-8上运行，太小气了！

总结一下星战机器人的优缺点吧。优点是设计非常巧妙，有丰富的硬件资源和功能，能够帮助儿童学习编程 ，其实最重要的就是作为星球大战电影衍生品的价值加成。如果不考虑这个因素，Sphero SPRK版（School&Parents&Robot&Kids）面向教育市场的价格折扣很大，这自然难不倒值得买上感兴趣的海淘达人。

缺点包括玩具的头部滚轮容易沾灰变涩，不像电影中那样灵活；储备浮力小，几乎不会游泳；外壳较滑，不能在雪地上写字等等 。其实最大的缺点就是没有开放丰富的软件资源，想必迪斯尼和Orbotix认为产品中包含的星球大战文化已经足以支撑其一千多元的售价了。那么，他们对电影衍生品估值的依据在哪里呢？笔者想继续分析一下什么样的机器人形象更容易得到观众的偏爱。

电影中的机器人形象

电影衍生品包含了影视角色、情节，甚至价值观在商品中的投射，能够随时随地唤出对剧情的记忆，可以说是不会落幕的电影，其市场价值超过票房自然顺理成章。有数据称：《星球大战》三部曲（也不知指哪三部）的全部票房收入为18亿美元，而其衍生品的收入却超过了45亿美元。在迪斯尼收购卢卡斯影业并获得《星球大战》品牌后，从米老鼠时代就深喑衍生品授权之道的迪斯尼，在新片档期主推千元级的智能机器人而不是普通静态模型，看来是非常自信BB-8能够得到观众的喜爱与认可。

电影中常见的机器人从外形上大致可以分为三类：拟人亲和型，拟物功能型，二者兼备的变形金刚。星球大战初代的C-3PO与R2-D2正好是前两类的代表。

分别进化到近期的电影，《机械姬》中轻易通过图灵测试的Ava和《星际穿越》中忠实的CASE走向了各自的极致。

如果设计电影衍生品，前者不太容易做出来，而且Alicia Vikander算不算机器人也很难说；后者还不如自己拿铁丝串四根积木做一个。过于拟人化或功能主义的外形都不理想，变形更会被笑话为抄袭孩之宝——梦工厂的Transformers，看来只剩部分拟人部分拟物这条路了，而且其代表作Wall-E曾获得空前的成功。

Wall-E的底盘是完全拟物的卡特皮勒三角履带加垃圾箱，上部却是拟人化的手臂和萌萌的大眼睛，加上迪斯尼赋予的好奇、纯真、执着的性格，看值得买上关于乐高版Wall-E的评论，不难得出其形象深入人心的结论。有了前面的经验基础，再设计一个功能主义大轮子加善解人意大眼睛的组合方案，一个高越障能力侦查机器人的形象就跃然纸上了。

再结合orbotix在球形机器人方面的黑科技，更有未来风的BB-8就诞生了。

虽然还没有看过剧情，但以迪斯尼所遵循的乐观（Optimism）、正直（Decency）的主流价值观判断，相信BB-8的电影角色与衍生玩具会成为科技、商业与艺术完美结合的精品。

谢谢值友们耐心读完！