LEGO机器人魔方还原基本方法与过程.docx

鞍山师范学院学报2014-04，16(2):71－74JournalofAnshanNormalUniversityLEGO机器人魔方还原基本方法与过程李国军1，钟志强2，张毅宁1(1．鞍山师范学院物理科学与技术学院，辽宁鞍山114007;2．鞍山师范学院教育科学与技术学院，辽宁鞍山114007)摘要:LEGO机器人魔方还原问题是一个持续受关注的问题，但其工作基本原理和解决方法仍不能被广泛理解．本文以层先法为例说明了魔方还原基本方法，结合leJOS编程软件解析了LEGO机器人还原魔方中的扫描魔方、识别色彩，魔方求解运算、机械实施还原的主要过程．关键词:LEGO机器人;魔方;模式识别中图分类号:G434文献标识码:A文章篇号:1008-2441(2014)02-0071-041974 年，匈牙利布达佩斯建筑学院厄尔诺·鲁比克教授发明魔方( Ｒubik’s Cube) ，之初仅作为增强学生空间思维能力的教学工具［1］．其中三阶魔方由一个连接着6个中心块的中心轴以及8个角块、12个棱块构成．变化数是(8!妙无穷．*38*12!*212)/(2*2*3)约等于4．33E+19．如今魔方风靡世界，奥LEGO机器人主要用于10 岁以上青少年机器人教育和学习，由丹麦乐高( LEGO) 公司、美国麻省理工大学(MIT)和美国国家仪器(NI)公司共同开发研究，其硬件由控制器、伺服电机、传感器等组成［2］．2013年8月上市的EV3(Evolution)主处理器为32位AＲM9，主频 300MHz．乐高官方推荐的软件系统是MINDSTOＲMSEducationEV3，其使用LabView引擎开发的图形化编程软件，其功能丰富且入手简便［3］．第三方代码编写软件有leJOS NXJ，BricxCC，ＲOBOTC，NxtJLib等．其中本文使用的leJOS是SourceForge．net上的开源软件，是可执行于LEGO机器人主机上的JVM(JavaVirtualMachine)，在E-clipse中只需引用classes．jar即可．2013年9月22日lejos－EV30．4．0－alpha发布．LEGO机器人解魔方已不为鲜见，原创有瑞典HansAndersson的TiltedTwister1．2(2008年9月21日)、TiltedTwister2．2(2010年8月15日，蓝牙数据传输数据到PC端完成魔方求解计算)和DavidGild-ay的 MindCuber2．2(2013年7月13日)，等等．但由于程序代码较大，其工作基本原理和解决方法仍不能在短时内让一般研究者们理解，本文以此为题，结合leJOS代码概述LEGO机器人魔方还原基本方法和主要过程．1魔方还原基本方法三阶魔方的还原方法包括层先法(Layer－FirstMethod)、角先法(Corners－FirstSolutionSolutionMethod)、棱先法(Edges－FirstSolutionMethod)、二阶段法(TheTwo－Phase－Algorithm)、桥式法(BridgeSolutionMethod)、CFOP(Cross、F2L(First2Layer)、OLL(OrientationofLastLayer)、PLL(Permutation ofLastLayer))和笑面虎法等．其中层先法适合魔方初学者使用;角先法公式少，最适合初级乐高机器人编程实现，如TiltedTwister1．2［4］;二阶段法以算法的速度为目标，而不以最优解为目标，方便在机器人编程实现，如TiltedTwister2．2［5］;CFOP由捷克密码学教授Jessica Fridrich发明用于竞速，是目前世界上收稿日期:2014－03－13基金项目:2014 年度辽宁经济社会发展立项课题，辽宁省青少年机器人教育研究(2014LSLKTJYX－01)．作者简介:李国军(1968－)，男，山东平度人，鞍山师范学院物理科学与技术学院高级实验师．72鞍山师范学院学报第16卷最流行的方块解法［6］．现以层先法为例说明魔方还原过程(如图1)．图1 层先法魔方还原过程第一步: 底棱归位又称底部架十字，实现较容易．第二步:底角归位，复原魔方第一层4个角块有5种情况分别考虑．作者以其中一情况作为说明如图2，其他情况可参考相关材料．其公式表征为Ｒ1U1Ｒ3．第一个字母表示操作的面(F:front，B:back，Ｒ:right，U:up)，第二个字母表示旋转的方向，1是顺时针，3是逆时针，2是旋转180°．第三步:中棱归位，复原魔方中层4个棱块，有类似3种情况(略)．第四步:顶棱面位，也称顶层架十字，有类似2种情况(略)．第五步:顶角面位，魔方的4个顶角的顶