機器人操作系統（ROS）史話篇連載22（為什麼叫TurtleBot？）

張新宇

為什麼叫TurtleBot

Turtle是海龜的意思，Bot是機器人的縮寫。TurtleBot字面上講，就是「海龜機器人」的意思。為什麼叫烏龜機器人，而不是螃蟹機器人，蟑螂機器人，金魚機器人？

讓我們慢慢解釋。

有這麼一位，叫威廉姆·格雷·瓦爾特（William Grey Walter），1910年出生於美國[1]，幼年由於父母的緣故，來到英語求學。後來成為一名神經科學家。一生多數時間在美國做研究。

為了研究大腦和神經反應，1948至1949年間，威廉姆·格雷·瓦爾特特製作了一個被自己稱為「機器冒險者」（拉丁語為Machina Speculatrix）的機械裝置。希望通過讓機器裝置來模仿，研究神經反應和人類的行為。「機器冒險者」採用了三輪結構，一個轉向輪，兩個驅動輪。前面的轉向輪用於控制方向，兩個後輪用來驅動整個機構。

圖：威廉姆·格雷·瓦爾特在組裝「機器冒險者」

威廉姆·格雷·瓦爾特在這個三輪「機器冒險者」的上面遮蓋了一個外殼，看起來非常可愛，像一隻大烏龜。人們稱其為威廉姆·格雷·瓦爾特的「烏龜」，這隻「烏龜」是人類歷史上第一個自主移動的機器人。

威廉姆·格雷·瓦爾特的「烏龜機器人」對機器人學、人工智慧產生重大影響。很多人在威廉姆·格雷·瓦爾特的「烏龜機器人」影響中成長起來。

其中，1956年有一位大學生伊萬·蘇澤蘭（Ivan Sutherland）給威廉姆·格雷·瓦爾特寫了一封信，信中伊萬·蘇澤蘭虛心地向廉姆·格雷·瓦爾特請教、徵求意見。

誰是伊萬·蘇澤蘭（Ivan Sutherland）？

伊萬·蘇澤蘭1938年出生於美國，ACM圖靈獎獲得者，圖形用戶界面（Graphical User Interface ，簡稱GUI）的發明者，我們現在用的Windows界面就是一種圖像界面，他還發明了SketchPad，允許用戶直接用筆在屏幕上畫圖，是手指交互的先驅（智能手機上用手機交互），當然那時候是用一支筆進行交互。他還是頭戴式虛擬現實頭盔的發明者，我們現在看到的HTC VIVE，PS VR就是這類設備，這位伊萬·蘇澤蘭被後人稱為「虛擬現實之父」。對的，就是近兩年大熱的「虛擬現實」，又稱VR。

圖：伊萬·蘇澤蘭和他的發明，頭戴式顯示器

伊萬·蘇澤蘭2016年還受邀到上海，做了幾場報告。

上面是 伊萬·蘇澤蘭給威廉姆·格雷·瓦爾寫的信。

回到TurtleBot。

1967年MIT人工智慧實驗室的教授們發明了PDP1 計算機，但是沒有顯示器。為了讓孩子能使用這樣的計算機，他們用電話線將計算機與一個機器人連在一起，通過機器人的運動來觀察計算機的計算結果。受威廉姆·格雷·瓦爾特的「烏龜機器人」的啟發，他們的機器人也有一個「烏龜」的外形。

圖：PDP 1計算機

未了能夠有效地控制這樣的「烏龜機器人」，他們發明的Logo語言[2]，並開發了一個模擬環境，顯示烏龜的小圖標。

設計Logo的本意是為了以某種合適的方式，向兒童教授計算機編程。後來的模擬環境就是Logo的海龜繪圖（Turtle Graphics）系統，通過向海龜發送命令，用戶可以直觀地學習程序的運行過程，因此它很適合於兒童學習。

海龜繪圖使得Logo用戶可以通過簡單的編程創作出豐富多彩的視覺效果或圖案。假想一隻帶著畫筆的海龜可以接受簡單的命令，例如向前走50步，右轉90度，再向前走50步，再右轉90度。通過對這隻海龜發送命令，可以讓它繪製出較為複雜的圖形，例如正方形，三角形，圓等。海龜的移動相對於它本身所在的位置。例如，命令"右90"意味著讓海龜右轉90度，學習者可以站在海龜的角度來思考它將如何執行命令，這使得程序設計更加形象化，也更易於理解。

向前50步 右轉90度 向前50步 右轉90度

圖: Logo中的小烏龜

為了讓編程更有趣，當時在美國施樂公司帕克研究中心（Xerox PARC）參考威廉姆·格雷·瓦爾特的工作開發了一款機器人，背上也背了一個大殼，可以在地板上運動。通過編程，輸入指令，可以讓這個機器人前進，還可以讓它原地轉動。它的動作非常慢，大家稱其為「烏龜」。

人們用Logo語言來控制這個海龜的機器人。下圖就是這個海龜機器人。海龜機器人底部有一隻畫筆，在移動和轉動的時候，可以在地板上留下畫筆的痕迹。根據計算機輸入的指令和海龜機器人的移動，就可以在地面上畫出不同形狀的圖形。

圖：烏龜機器人與Logo編程語言

還有一些其他類型、現代版的烏龜機器人。

其他內容在「烏龜」一文中有所描述。

烏龜（Turtle）在機器人領域基本成了機器人的代名詞了。起一個TurtleBot這樣的名字，也就不足為奇了。

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[1]可參考The roboticsprimer by Maja J Matari?, 2007. 2017年出了中譯本《機器人學-經典教程》

[2] Logo一詞源自希臘語邏各斯（logos），意為「思想」

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