Робот собирающий кубик рубика ev3 инструкция и программа

Время на прочтение
4 мин

Количество просмотров 99K

Не так давно обзавелся набором LEGO MINDSTORMS EV3 (31313) и с удивлением обнаружил, что в русскоязычном сегменте интернета довольно мало интересных материалов и инструкций по сборке и настройке роботов из этого набора. Решил, что нужно это дело исправлять.

Эта инструкция представляет собой вольный перевод материалов с официального сайта проекта MindCub3r и дополнена опытом самостоятельной сборки этого робота, способного собрать кубик Рубика меньше чем за 2 минуты.

Подробнее о LEGO MINDSTORMS EV3 можно почитать на этом сайте.

Вот, что у нас должно получится в итоге:

MindCub3r можно построить из одного комплекта Lego Mindstorms EV3 (31313, Home Edition).

Также вам понадобится инструкция по сборке и программное обеспечение, разработанное авторами проекта.

ВАЖНОЕ СООБЩЕНИЕ!!!

Инструкцию по сборке MindCub3r смотрим или скачиваем здесь.
Прошивку (на момент написания статьи EV3-Firmware-V1.06H.bin) для кирпича скачиваем с официального сайта LEGO MINDSTORMS здесь.
Архив MindCub3r-v1p1a.zip с файлами проекта (MindCuber-v1p1.ev3, autorun.rtf и mc3solver-v1p1.rtf) качаем тут.
Еще нам понадобится прошивка для датчика цвета, которую берем здесь. Все дело в том, что стандартные настройки этого датчика не корректно определяют цвета в режиме RGB.

После того, как вы соберете робота и скачаете себе на компьютер все необходимое, можно приступать к настройке.

Если вы еще не обновили прошивку «кирпича» первым делом устанавливаем новую версию ПО для главного блока Mindstorms EV3:

1. Запускаем программное обеспечение LEGO MINDSTORMS EV3;
2. Выбираем Инструменты — Обновление встроенного ПО;

3. В появившемся диалоговом окне нажимаем «Просмотреть», находим предварительно закаченный файл EV3-Firmware-V1.06H.bin и жмем «Открыть»;

4. В диалоговом окне в таблице «Доступные файлы встроенного ПО» выбираем EV3-Firmware-V1.06H и жмем «Загрузить». Ждем окончания загрузки;

5. Перезагружаем главный блок (выключаем и снова включаем).

Далее устанавливаем прошивку для датчика цвета:
1. В ПО LEGO MINDSTORMS EV3 открываем новый пустой проект;
2. Выбираем Инструменты — Мастер импорта блоков;

3. В появившемся диалоговом окне нажимаем «Просмотреть», находим предварительно загруженный файл ColorSensorRGB-v1.00.ev3b и жмем «Открыть»;

4. В диалоговом окне в таблице «Выбрать блоки для импорта» выбираем ColorSensorRGB-v1.00.ev3b и жмем «Импорт».

5. Для завершения установки закройте диалоговое окно и выйдите из программного обеспечения LEGO MINDSTORMS EV3.

Теперь самый ответственный момент — загрузка программы робота в кирпич:
1. Распаковываем предварительно загруженный архив MindCub3r-v1p1a.zip;

2. Запускаем ПО LEGO MINDSTORMS EV3;
3. Выбираем Файл — Открыть проект, ищем файл MindCub3r-v1p1.ev3, распакованный из архива MindCub3r-v1p1.zip и жмем «Открыть»;

4. После открытия проекта загружаем его в «кирпич». Загружаем, но НЕ ЗАПУСКАЕМ!!!

5. Идем в Инструменты — Обозреватель памяти (Ctrl+I);

6. Выбираем (выделяем) во вкладке «Модуль» или «SD-карта» папку проекта «MindCub3r-v1p1»;
7. Нажимаем «Загрузить»;

8. Находим файл mc3solver-v1p1.rtf, распакованный из архива MindCub3r-v1p1a.zip и нажимаем «Открыть»;
9. Еще раз нажимаем «Загрузить», предварительно убедившись, что папка проекта «MindCub3r-v1p1» все еще выделена;
10. Находим файл InstallMC3-v1p1.rbf, распакованный из архива MindCub3r-v1p1a.zip и нажимаем «Открыть»;

Примечание: файл mc3solver-v1p1.rtf имеет текстовое расширение .rtf. Пожалуйста, не пытайтесь открыть этот файл с помощью текстового редактора.

11. Закройте диалоговое окно, выйдите из программы и перезагрузите модуль.

Последний этап — устанавливаем приложение MC3 Solver на главном модуле:

1. Включаем блок:

2. Находим во второй вкладке папку проекта MindCub3r-v1p1 (в памяти блока или на SD-карте):

3. Выбираем файл InstallMC3-v1p1 и нажимаем на центральную кнопку модуля для установки:

4. В третьей вкладке проверяем наличие установленного приложения MC3 Solver v1p1:

5. Перезагружаем блок.

6. В третьей вкладке блока запускаем приложение «MC3 Solver v1p1» для начала работы программы mc3solver-v1p1.rtf:

Всё! MindCub3r готов к использованию!

7. Запускаем программу в первой или во второй вкладке блока:

После запуска программы робот попросит вложить кубик («Insert cube») и начнет его сканировать датчиком цвета.
После сканирования робот ненадолго задумается и начнет сборку.
Удачное решение задачи ознаменуется радостным вращением кубика.

Вот, собственно, процесс работы робота:

Выше описан идеальный сценарий, на практике же все немного хуже — датчик может не правильно определить цвета — всего робот может провести 3 (три) цикла сканирования до того, как выдаст ошибку (Scan error). После этого нужно изъять кубик и снова вложить в робота. Причиной этому может быть или низкий заряд батареи модуля или «неправильный» кубик.
У меня иногда проходило по 3-5 повторов (3 цикла сканирования и одно изъятие) прежде чем робот принимался за сборку, но результат того однозначно стоит.

Если у вас остались вопросы, задавайте их в комментариях к статье, с удовольствием на них отвечу.

Полная инструкция по сборке на русском языке для MindCub3r EV3.
Перевод на русский язык © 2015 ROBOTDAY.RU

MindCuber.com

Сделайте своего собственного робота LEGO® MINDSTORMS®, который будет решать и собирать головоломку Кубик Рубика®…

Как собрать MindCub3r из набора LEGO MINDSTORMS EV3

Примечание: Эта страница вскоре будет обновлена, здесь будет добавлена информация о версии Education MindCub3r, но уже сейчас здесь есть все необходимые файлы для начала работы с набором Education.

2. Программное обеспечение

Like MindCuber on Facebook to share your experiences and help each other with troubleshooting.

Постановка задачи

Вы умеете собирать кубик Рубика? Я практически нет. В детстве я мог собрать только пирамидку, а кубик просто раздирал на запчасти и собирал заново, после чего он стремительно разбалтывался. В прошлом году я съездил на сигграф и там на одном из выставочных стендов раздавали (ужасные по качеству, но зато с рекламой) кубики, после чего конференция для меня была практически потеряна, зато двенадцать часов в самолёте прошли незаметно.

Собирать кубик, подглядывая в уже готовые алгоритмы, мне было неинтересно, поэтому я его собрал пока что только один раз, это у меня заняло примерно полгода и приличную стопку исписанной бумаги. Между делом мне на глаза попался проект MindCub3r. Его автор даёт чертежи и ПО для роботов-сборщиков кубика из LEGO, причём эти чертежи есть для всех возможных комплектов, начиная от первого NXT и заканчивая EV3.

Эти роботы крайне хороши, я восхищён тем, их автор David Gilday использует для непосредственно сборки кубика только два сервомотора и ещё один для сканера. Надо учитывать, что стандартные наборы LEGO довольно скудны, и то, что такого робота можно собрать из одной коробки — это немалое достижение. Работает оно просто, сначала кубик сканируется: его датчик ставится напротив каждой этикетки кубика, затем софт решает кубик, выдавая цепочку необходимых вращений, которая потом и исполняется механически.

Решил я повторить этого робота, для начала мне просто хотелось получать собранный кубик, а задача максимум — это задать роботу нужную мне конфигурацию (не обязательно собранный кубик) и получить её на физическом кубике. Это мне позволит получить своего рода сейв, когда я буду собирать кубик вручную, и я смогу к нему вернуться в любой момент (вы помните, что я не хочу смотреть в готовые алгоритмы сборки, мне интересно научиться собирать самому?) На данный момент я записываю все ходы на бумаге, чтобы иметь возможность откатиться, и мне это порядком надоело.

Итак, собрал я хардварную часть робота, сборочные чертежи великолепны. Скачал софт, загрузил, с трепетом поставил кубик на платформу и жестоко обломался. Оказывается, этому роботу необходим официальный кубик Рубика, а я купил тот, что используется для спидкубинга. У него другие цвета граней (например, нет белого), и робот надорвался, не сумел его сосканировать. Хорошо, сказал я, поскрёб по сусекам, нашёл официальный кубик, правда, возрастом под два десятка лет. С его затёртыми и залапанными наклейками робот тоже работать не захотел.

Ну что ж, всё равно мне пришлось бы рано или поздно совать нос в код, т.к. родной софт майндкубера умеет только собирать полностью, но не умеет собрать отдельную конфигурацию. Исходники под NXT опубликованы, а вот под EV3 я их не нашёл. Мне удалось поправить только сканирующую фазу для NXT, обновлённые роботы спокойно собирали и мой спидкубик, и официальный, что я привёл на фотографиях выше. Но в итоге тесниться в NXT мне надоело, там оказалась съеденной почти вся память, поэтому я решил писать код с нуля под EV3.

Итак, постановка задачи: написать весь софт под существующий хард MindCub3r EV3, для начала софт должен просто собирать кубик. Минимизировать количество ходов в сборке меня не интересует, мне нужен как можно более простой код. Эта статья говорит только про то, как решать кубик, в следующей я опишу сканирование и управление сервами. В среднем решение получается длиной слегка за сто ходов.

Пишем код

Использованный метод

В мире огромное количество алгоритмов, наверное, самым правильным было бы запрограммировать вот этот. Но это надо думать, изобретать эвристики для A* с итеративным заглублением, а я ленивый. Кроме того, это надо думать, как его использовать, чтобы получить заданную конфигурацию, а я ленивый. Поэтому я буду пользоваться самым тупым и прямым методом: при помощи Cube Explorer записываем все последовательности поворотов, которые позволяют собрать

• нижнее переднее ребро
• нижний правый передний угол
• переднее правое ребро
• верхний правый передний угол
• верхнее переднее ребро

Затем код будет выглядеть следующим образом:

(исполнить четыре раза) {
    собрать нижнее переднее ребро;
    повернуть весь куб на 90° вокруг вертикальной оси;
}

(исполнить четыре раза) {
    собрать нижний правый передний угол;
    повернуть весь куб на 90° вокруг вертикальной оси;
}

(исполнить четыре раза) {
    собрать переднее правое ребро;
    повернуть весь куб на 90° вокруг вертикальной оси;
}

(исполнить четыре раза) {
    собрать верхний правый передний угол;
    повернуть весь куб на 90° вокруг вертикальной оси;
}

(исполнить четыре раза) {
    собрать верхнее переднее ребро;
    повернуть весь куб на 90° вокруг вертикальной оси;
}

В этой статье я описываю отдельностоящую программу, которая собирает кубик в командной строке. Как обычно, весь код я публикую на гитхабе. Примеры случайных конфигураций кубика можно брать здесь, там же и валидатор нашего решения.

Структура данных

Грани кубика назовём стандартно: F — передняя, R — правая, B — задняя, L — левая, U — верхняя, D — нижняя. Вот стандартные вращения:

Каждое ребро имеет две прилегающих грани, каждый угол имеет три прилегающих грани. Для представления кубика я использую два массива из двенадцати (по числу рёбер) и восьми (по числу углов) целых чисел. Итак, вот массив индексов:

Здесь красным даны индексы граней, синим — индексы углов. Когда в массиве рёбер я говорю про ребро номер три, это означает, что я говорю про ребро, которое в в собранном кубике должно находиться на верхней грани слева.

Каждое из рёбер может находиться в одном из двадцати четырёх положений, равно как и каждый угол можно поставить на двадцать четыре разных места в кубике. Вот таблица положений:

Собранный куб должен быть представлен парой массивов {0, 1, 2, 3, 8, 9, 10, 11, 20, 21, 22, 23} и {0, 1, 2, 3, 20, 21, 22, 23}, это рёбра и углы, соответственно. Например, ребро номер 4 в массиве должно иметь ориентацию 8.

Вот так выглядит представление кубика:

unsigned char edges[12], corners[8]; // actual configuration of the cube

// When we rotate one face, there will be 4 rotating edges with 2 incident facets and 4 rotating corners with 3 incident facets
// these arrays define the transformations of the cube indices for all 6 possible rotations
const unsigned char how_edges_move[6][8] = {4,8,16,15, 0,12,20,11, 5,9,17,12, 1,13,21,8, 6,10,18,13, 2,14,22,9, 7,11,19,14, 3,15,23,10, 0,3,2,1, 4,7,6,5, 20,21,22,23, 16,17,18,19};
const unsigned char how_corners_move[6][12] = {4,12,19,11, 0,16,23,7, 8,20,15,3, 8,5,13,16, 4,1,17,20, 0,9,21,12, 9,6,14,17, 5,2,18,21, 1,10,22,13, 7,15,18,10, 3,19,22,6, 11,23,14,2, 0,3,2,1, 8,11,10,9, 4,7,6,5, 20,21,22,23, 16,17,18,19, 12,13,14,15};

// given a face index and a number of turns, rotate the face
void atomic_rotation(unsigned char face_idx, unsigned char count) {
    for (int i=0; i<12; i++) { // # edges
        for (int j=0; j<8; j++) { // 4*2 edge facets are to be moved
            if (how_edges_move[face_idx][j] == edges[i]) {
                edges[i] = how_edges_move[face_idx][(j+count)%4+(j/4)*4];
                break;
            }
        }
    }
    for (int i=0; i<8; i++) { // # corners
        for (int j=0; j<12; j++) { // 4*3 corner facets are to be moved
            if (how_corners_move[face_idx][j] == corners[i]) {
                corners[i] = how_corners_move[face_idx][(j+count)%4+(j/4)*4];
                break;
            }
        }
    }
}

edges и corners — это массивы, где хранятся данные, how_edges_move и how_corners_move описывают преобразование индексов массивов edges и corners для вращения вокруг каждой из шести граней, а функция atomic_rotation() собственно и выполняет вращение одной данной грани.

Жёстко зашитые алгоритмы

Сложная часть закончилась, теперь начинатся скучная часть, открываем Cube Explorer и руками записываем некоторое количество алгоритмов для сборки.

// hard-coded algorithms to assemble corresponding edges and corners
const char alg_DF_edge[]   [10] = {"F2 ", "U1 ", "U2 ", "U3 ", "U3 ", "R3 F1 R1 ", "U3 ", "L1 F3 L3 ", "D1 R3 D3 ", "D2 B3 D2 ", "D3 L3 D1 ", "F3 ", "F1 ", "D1 R1 D3 ", "D2 B1 D2 ", "D3 L1 D1 ", "F3 ", "R1 ", "B1 ", "L3 ", "", "R2 ", "B2 ", "D1 "};

const char alg_FR_edge[]   [34] = {"U2 ", "U3 ", "F3 U3 F1 U1 R1 U1 R3 ", "U1 ", "U1 ", "U2 ", "U3 ", "R1 U1 R3 U3 F3 U3 F1 ", "", "D1 B1 U2 B3 D3 R1 U3 R3 ", "D1 B2 D3 U1 R2 ", "D3 L3 U2 L1 D1 F3 U1 F1 ", "F3 U1 F1 U3 R1 U2 R3 U2 R1 U3 R3 ", "R2 U2 R2 U2 R2 ", "R1 F3 B1 U3 B2 U1 F1 B3 R3 B2 ", "F2 U2 F2 U2 F2 "};

const char alg_UF_edge[]   [40] = {"", "R2 U1 F1 B3 R2 B1 F3 U1 R2 ", "R2 U3 F1 B3 R2 B1 F3 U3 R2 ", "F2 U3 L1 R3 F2 R1 L3 U3 F2 ", "R3 F1 R1 F1 R2 B3 D3 F3 D1 F1 B1 R2 F2 ", "R3 F3 R2 D2 L2 B3 L2 D2 R3 ", "R1 U1 R3 U3 R3 L1 F1 R1 F3 L3 ", "L1 F1 L2 D2 R2 B1 R2 D2 L1 "};
const char alg_DRF_corner[][10] = {"U3 ", "F3 U2 F1 ", "F3 U3 F1 ", "R1 U2 R3 ", "F3 U3 F1 ", "U1 ", "R1 U2 R3 ", "R1 U3 R3 ", "R1 U1 R3 ", "F3 U1 F1 ", "F3 U2 F1 ", "U3 ", "F3 U2 F1 ", "R3 U3 R1 ", "B3 U3 B1 ", "L3 U3 L1 ", "R1 U2 R3 ", "B1 U1 B3 ", "L1 U1 L3 ", "F1 U1 F3 ", "", "B1 U1 B3 ", "L1 U2 L3 ", "L3 U3 L1 "};

const char alg_URF_corner[][40] = {"", "U3 F2 L2 F3 R3 F1 L2 F3 R1 F3 ", "B1 L3 B1 R2 B3 L1 B1 R2 B2 ", "U3 ", "F1 R2 F1 U3 L2 U1 F3 R2 F1 U3 L2 U1 F2 ", "L1 U1 L3 B2 D3 F1 R3 F3 D1 B2 U1 ", "U1 F1 U3 B3 U1 F3 U3 B1 ", "F1 R1 U1 R3 U3 F3 ", "B1 U2 B2 R1 D3 R1 D1 R2 B2 U2 B3 U2 ", "B1 U3 F1 U1 F3 B3 U2 F1 U1 F3 U2 ", "R1 B2 L3 D1 L3 D3 L2 B2 R3 U3 ", "L1 U1 F1 U3 F3 L3 U2 "};

// given a sequence string, split it into atomic rotations and print the moves
// the moves are to be corrected with the orientation of the cube
void apply_sequence(const char *sequence, unsigned char orientation) {
    while (*sequence) {
        unsigned char fi  = char2idx[*sequence-'A'];
        unsigned char cnt = *(++sequence) - '0';
        atomic_rotation(fi, cnt);

        if (fi<4) fi = (fi+orientation)%4; // U and D facets are not affected by the entire cube rotation
        std::cout << idx2char[fi] << *sequence << " ";
        sequence += 2;
    }
}

Помните, что первым делом мы будем собирать нижнее переднее ребро? В полностью перемешанном кубике оно может находиться на любом из 24 возможных мест, поэтому массив alg_DF_edge даёт 24 разных последовательности, которые поставят ребро на место. Названия остальных массивов говорят сами за себя. Функция apply_sequence() разбивает строку на атомарные операции и вызывает atomic_rotation().

Непосредственно сборщик

Непосредственно сборщик выглядит прямым переводом псевдокода, данного в начале, на язык C++:

        for (int e=8; e<12; e++) { // D edges have numbers 8..11
            while (edges[e] != 20) { // solved FD edge has the position 20
                apply_sequence(alg_DF_edge[edges[e]], e-8);
            }
            rotate_entire_cube();
        }

        for (int c=4; c<8; c++) { // D corners have numbers 4..7
            while (corners[c] != 20) { // solved DRF corner has the position 20
                apply_sequence(alg_DRF_corner[corners[c]], c-4);
            }
            rotate_entire_cube();
        }

        for (int e=4; e<8; e++) { // middle edges have numbers 4..7
            while (edges[e] != 8) { // solved edge number 4 has the position 8
                apply_sequence(alg_FR_edge[edges[e]], e-4);
            }
            rotate_entire_cube();
        }

        for (int c=0; c<4; c++) { // U corners have numbers 0..3
            apply_sequence(alg_URF_corner[corners[c]], c);
            rotate_entire_cube();
        }

        for (int e=0; e<4; e++) { // U edges have numbers 0..3
            apply_sequence(alg_UF_edge[edges[e]], e);
            rotate_entire_cube();
        }

Обратите внимание, что rotate_entire_cube() каждый раз вызывается четыре раза, таким образом, между циклами наш куб всегда ориентирован как надо, но внутри цикла мы должны знать, как именно он ориентирован, чтобы скорректировать вывод решения на экран.

Запуск

Берём пример разобранного кубика здесь и запускаем программу:

~/MindCub3r(master)$ make && ./main RF BL UF DR UL FD DL LF RU BU BR BD FRU URB ULF LDF LUB RFD LBD RDB
g++ -Wall -Wall -Wextra -Weffc++ -pedantic -std=c++98 -c  solver.cpp -o solver.o
g++ -Wall -O3 -o ./main solver.o -lm
R1 F1 U2 R2 B1 D3 B3 D1 U1 R3 U3 R1 U3 B3 U2 B1 L1 U1 L3 L3 U2 L1 F1 U2 F3 D3 L3 U2 L1 D1 F3 U1 F1 U2 L1 U1 L3 U3 B3 U3 B1 U3 L3 U3 L1 U1 F1 U1 F3 F1 R2 F1 U3 L2 U1 F3 R2 F1 U3 L2 U1 F2 B1 L2 F3 D1 F3 D3 F2 L2 B3 U3 R2 U1 F1 B3 R2 B1 F3 U1 R2 B1 U1 B3 U3 B3 F1 R1 B1 R3 F3 

Копируем вывод в веб-валидатор и получаем:

Result is a solved cube.
Move count is 91.
Good solution!

Итак, у нас есть солвер, в следующий раз будем управлять непосредственно роботом.