基于Lego的还原魔方机器人!于文君!

2011-06-03!

整体介绍!机械结构 图像处理 魔方算法 硬件控制

流程介绍!

放置魔方，调整初始状态

读颜色，分六面48块

按照PC计算的步骤还原魔方

检验魔方是否被还原

接收颜色数据，并返回解魔方步骤

输出数据，供用查错

NXT端 PC端

帮助弱小的NXT 辅助计算

实际演示 Video

实际演示

构思过程!机械结构

1 动力转变 LDD lego 驱动设计

颜色处理 2

RGB/HSV 处理办法 容错设计 传感器

魔方算法 3

CFOP 降群法 魔方表示法 魔方坐标系

硬件控制 4 电机运动方式 传感器反馈 容错性

机械结构 Question 1： 旋转变直线？

�四种实现方式：

� �①齿条

� �②蜗杆

� �③曲柄滑块机构

� �④传送带或者滑轮机构

� � �（参考几本机械原理的书）

Choice：齿条最佳，曲柄滑杆机构也可以接受

�想象力很重要⋯⋯

机械结构

Question 2： 电机个数？

� � �1.NXT有电机个数限制：3个

� � �（多NXT控制，之间可以蓝牙通信）

� � �2.重力方案

� � �（对于三阶立式方案略显奢侈，高阶很适用）

� � �3.颜色传感器，摄像头� � �（摄像头节省一个电机）

�Choice：采用重力方案，在师兄现有结构图基础上修改。

参考网上的和钟师兄的图!

机械结构

Others：

� �1.Lego Digital Designer（LDD）方便实用的LegoCAD软件

� �2.Lego MindStorm 套装，机械结构相当全。

� �（不过缺乏较长的机构）

� �3.长杆件刚性不够，应尽量加固

机械结构! 机械结构的部分还存在很多的问题，搭建一个机构不仅需要有成熟的思路，而且要有一定的灵感。想要将结构精巧的实现，需要很高的技巧和创造力。

国外甚至有很多Lego创作的“大师”。

颜色处理!Question 1: 摄像头 or 传感器？

� � �1.摄像头略显不智能，东西还不齐备

� � �（需要对于硬件摄像头进一步了解， NXT与PC的通信，图像/颜色识别程序，�图像 降噪，未来的趋势）

� � �2.Lego传感器经测试，RGB值区分度还�比较满意

� � �3.现成的搭建图纸，只需做零星的修改

Choice：采用传感器，利用多余的一个电机驱动

颜色处理!Question 2: RGB直接识别？

� �1.RGB三个通道的数值与环境相关

� �（直接识别会悲剧，直接采用比例或大小进行识别也不可行）

� �2.考虑HSV等其他识别方式

Choice：集体采样，集中处理，还能分担NXT的工作量。

� � �采用集中办法读取识别出错的概率已经比较小了，颜色出错一般是在电机旋转角度上。

颜色处理!分析一组数据：//oringe

{254,128,90},{248,120,80},{253,137,96},{266,137,78},{239,128,86}

//red

{246,92,86},{245,75,82},{239,64,77},{230,47,65},{266,77,77}

//white ！？RGB处理方式不同？{308,297,286},{319,320,313},{299,249,240},{308,308,300},{323,320,312}

//yellow {256,224,114},{233,202,106},{260,230,119},{251,214,109},{253,220,107}

//green

{98,1180,121},{96,204,139},{104,202,144},{65,183,133},{85,189,133},

//blue

{95,136,181},{104,131,184},{78,107,171},{126,135,176},{83,122,181}�

颜色处理!根据观察到的规律，按照如下方式识别：（共48组数据）1.所有颜色的三通道值相加从大到小排序，最大的前8个为白色

2.剩余颜色中，按R+G分量从大到小排序，最大的前8个为黄色

3.剩余颜色中，按G分量从大到小排序，最大的前8个为绿色4.剩余颜色中，按R分量从小到大排序，最小的前8个为蓝色5.剩余颜色中，按G-B分量从大到小排序，最大的前8个为橘黄色

6.剩余颜色为红色PS： 红色和橘黄色最难识别，他们各个通道均有交集，不能直接识别

颜色处理!Others：

� �目前采用的方式还很朴素，将来应该转向摄像头/相机的方式来识别，提高效率。

� �这种识别方式需要3分钟左右。（可以进一步提高）

魔方算法!Question 1： 还原步数

� �1.传统方法为CFOP算法，可以参考各种魔方的BBS均有详细介绍，属于主流算法。

� �使用简单公式在100步之外（人工），换算成机器步骤将有400-500步以上。相当考验观众耐心。

� �如果使用200个公式，则相当快（50-70人工步，200以上机器步数），但是相当考验程序员耐心。

� �2.网上资料 - 魔方快速算法！http://tomas.rokicki.com/cubecontest/winners.htm

� �基本上基于降群法，思想优先。

� �3.其余方法：棱先、角先；CFCE（一百多个公式）；桥式（不到一百个公式）

魔方算法!算法敲定：

� �最终采用上述网页中的第三名Jaap的算法，主要基于Thistlethwaite‘s four stage algorithm。平均人工步数为30步，机器步数150左右。

� �网站提供了一个C的程序，将其改写为Java程序并通过了验证。一般的电脑上计算时间不会超过半秒钟。

魔方算法!魔方表示法约定

�一个魔方可以由一串字符串表示。

UF UR UB UL DF DR DB DL FR FL BR BL UFR URB UBL ULF DRF DFL DLB DBR（属于Mike Reid）

U: Up

F: Front � � �

R: Right

L: Left

D: Down

B: Back

魔方算法!输出表示法约定：

�1.Jaap的输出为F3 U1 F3 D3 L1 D2 F3 U3 L2 D3（我命名之为URD表示法）（顺时针）

�2.自定义机器的输出表示法（自己命名为PBH表示法）

�将Jaap输出翻译为PBH表示法。

�如：BBBPHHHPHPPPHHHPPPHHHBBBPHPPPHHBPHHHPHHHBBBPHHPHHH � �

魔方算法!Question 2： NXT Brick 太脆弱

� �1.NXT Brick采用32位 ARM7 微处理器，事实证明，连这个三阶的魔方的降群法也计算不了，估计是内存不足。

� �（实际结果是等待10分钟，出现一个未知错误）

� �

� �2.体力活就只能交给PC来干吧，但是多了根USB线，有点不爽。

魔方算法!对应的程序中的算法：

� �1.PC端接收，java程序计算

� 2.具体三个相关的类，入口位于Class CubeSolverPC，包含主要算法Thistlethwaite's four stage algorithm。其余两个类Class ColorIdentify用于将接收的color数据分门别类，Class CubeCenter用于将URDSteps转换为PBHSteps。（具体后面会讲）

� �3.将主要计算的部分放到PC上执行，以后可以利用蓝牙通信，这样看起来更酷点。

硬件编程!环境配置：�1.采用Java语言，使用JDK1.6版本，IDE（Integrated Development Environment）选用IBM的开源Eclipse。�2.专用API，LeJOS 0.85版本。专门为Lego的NXT和RCX编程开发的Java专用API（color小bug），需要JDK1.5以上版本。�3.NXT brick需要刷机，利用安装LeJOS后的工具将NXT Brick的操作系统刷为配套使用的。�4.通信使用USB方式另一种环境配置：�1.采用Labview+NXT MindStrom2.0插件。�2.Labview编程，通信问题较简单，计算问题较麻烦。可能需要采用外部其他计算方式辅助（如师兄采用Matlab）

硬件编程!关于Eclipse的配置：

� �作为专业的IDE，Eclipse对于Java的编写和调试提供了很大方便。

� �将常用的几个NXT的编译工具，如NXJ compile，download,和 explorer等增加到运行按钮中，之后即可以直接点击使用。

� �Eclipse开源，而且支持众多插件，对于C++，Python等语言也有插件支持。

� �

硬件编程!程序框架：� �PC端：三个类 CubeSolver，ColorIdentify，CubeCenter三个类。� �NXT端：一个程序yumaxwellV3（目前版本）。需要download至NXTBrick中执行。

� �整套程序大致有1500行左右，将来还要增加其他功能。

运行顺序：� �1.先运行NXT端yumaxwellV3.nxj程序，� �2.直到NXTBrick发出连续三声twoBeeps，运行CubeSolver类中的main函数。

硬件编程!程序具体介绍：

� �1.yumaxwellV3中集成了读魔方颜色和根据步骤转魔方的功能

� �2.CubeSolver类实现通信，计算魔方解法（根据URD计算URDSteps，从Jaap程序改写得来）的功能

� �3.CubeCenter类提供一个和魔方一起旋转的坐标系，并根据URDSteps计算出PBHSteps。方便NXTBrick理解魔方旋转的步骤

� �4.ColorIdentify类将colorAllSide的数据识别为具体的颜色

数据流程：

robot->colorRGB->colorString(URD)->URDSteps->PBHSteps->robot

具体的详细步骤!yumaxwellV4

ColorIdentify

CubeSolverPC

readColor()

readOneSide()

AngleEdge

Comm

out

inout

in

colorRGBTo URD()

findCenter()

CubeCenter

URDToPBH()

Get Result

()

rotateBySolver()

checkAllSide()Success!

int[][]

int[][]

int[][]

URD

URD Steps

PBH Steps

PBH Steps

PBH Steps

int[]int[]

int[][]

Sort()

Start

关键的问题：机械的容错性!涉及到四方面的问题：

� �1.读颜色的细长杆件的刚度

� �2.三只电机均有一定的回程差，所以必须朝向一个方向旋转，但是pawMotor需要来回旋转，所以总出现问题。

� �3.电机角度控制并不是十分精确，所以增加了两个传感器来控制两个电机的角度，但是传感器太大，控制效果一般。

� �4.魔方本身需要润滑，并且大小严格限制，并不能做到随便一个魔方都能旋转。原则是宁小勿大。

外观上的改进!进一步增加的东西：

� �1.声音 NXT可以播放wav格式声音，使之更像一个机器人

� �2.超声识别 �超声传感器能够测距，可以用来识别是否有魔方放在上面。还可以用来设成断点。

� �3.PC端程序 �目前还是代码状态，IDE或者命令行操作，可以改进成为GUI界面，美观且方便操作

� �4.容错改进 �在程序中增加监控部分，使得出现错误可以挽救，不必从头开始

� �5.转动方式改进 �目前为方便代码编写，有些地方没有采用最短路径，需要改进

外观上的改进!� �6.初始状态要求 �任意面放置均可还原，需要修改读颜色和算法程序，初始电机位置

� �7.魔方解法容错 �解魔方的没有对初始输入进行验证，增加验证可以更好的判断颜色的正确性

� �8.多线程的应用 �可以使程序更加好用，比如增加断点，实时控制等，更加智能

� �……

进一步的发展!有许多可以提高的地方：

� �1.更复杂的高阶魔方

� �2.更好的机械结构

� �3.增加实时演示功能，二维、三维的仿真模拟

� �4.摆脱Lego，使用更有效率的硬件设备

特别鸣谢!� �感谢钟思阳师兄提供的关于这个题目的各种相关资料。

� �

� �搭建结构图，图像识别，labview和matlab程序

� �扩展的想法，尝试的经验，硬件的基础

� �

� �还有热情的关心和帮助！

总结!1.关于魔方转机器人这个题目，个人认为最难的部分在于机械结构的设计和实现

2.这个题目涉及到各方面的知识，机械，编程，电子设备，通信，图像处理等等，有些是浅尝辄止，有些被我用别的方法绕过了，有些东西还是需要仔细学习的。

3.时间比较紧，但这仅仅是第一个版本

最后 看看真正NB的魔方机器人

魔方视频.mp4

The End!

希望老师和师兄多多指正！