1

XII Региональная научно-практическая

конференция «Колмогоровские чтения»

Название работы:

Создание робота MindCub3r(Кубик Рубика)

с помощью LEGO EV3MINDSTORMS.

Автор работы: Киреев Михаил Андреевич

6Б класс, МБОУ-лицей г.Владикаказа, МАОУДОД центр развития творчестваодаренных детей и юношества «Интеллект».

Место выполнения: МБОУ-лицей г.Владикавказ

Научный руководитель: Куликова Людмила Анатольевна,

учитель информатики высшей категории.

Владикавказ2016 год

2

ОглавлениеXII Региональная научно-практическая..................................................................................1

конференция «Колмогоровские чтения».................................................................................1

Введение.........................................................................................................................................3

Основная часть............................................................................................................................3

Самые необычные конструкторы – Lego Mindstorms............................................................4

Робототехническая платформа Lego Mindstorms EV3......................................................5

Программное обеспечение Домашней версии....................................................................6

Механическая головоломка «Кубик Рубика».....................................................................7

Делаем робота MindCub3r, который может собрать кубик Рубика.......................................8

MindCub3r использует стандартный алгоритм сборки Кубика Рубика..............................10

Заключение...................................................................................................................................10

Список литературы:.....................................................................................................................11

Приложение..................................................................................................................................12

3

Введение.Современные дети имеют совершенно другие пристрастия и увлечения, чем

их сверстники 20 лет тому назад. Компьютеры, игровые приставки,

мобильные телефоны и другая современная электроника окружают их с

рождения и то, что взрослому человеку может показаться сложным, для

пятилетнего малыша — легко и понятно. Потому и игрушки для современных

детей должны отличаться. Компания Лего всегда создает свои конструкторы,

основываясь на интересах современных детей. Поэтому нет ничего

удивительного, что на свет появился самый необычный конструктор — Lego

Mindstorms С помощью этого конструктора можно построить настоящего

робота, обладающего интеллектом, которого можно программировать и

обучать различным действиям. Актуальность данной темы обусловлена теми

требованиями, которые диктует нам наша действительность, а именно –

важность создания и использования роботов в повседневной жизни, особенно

в трудных ситуациях.

Цель работы:

познакомиться с основными компонентами конструктора Lego Mindstorms

EV3;

- изучить платформу Lego Mindstorms ЕV3;

-познакомиться с программированием контроллера Mindstorms ЕV3 ;

- обобщить и реализовать на практике полученные знания, а именно, создать

робота MindCub3r, собирающего кубик - рубика.

Основная часть.

Интересоваться конструкторами Lego я начал

довольно рано, и в возрасте 4-5 лет самостоятельно

собирал по инструкции наборы Lego City. Среди

первых работ можно выделить «Полицейский

участок», «Погоня на полицейском вертолете»,

«Патрульный вездеход» и др. В комплектацию данных наборов входили

4

обычные кирпичики Lego, совместимые с другими наборами и различные

человечки. Параллельно, я собирал Lego Bionicle. Это линейка экшн-

фигурок, Вселенная которых называется Bionicle. Создание своих объектов и

фигурок было очень увлекательным процессом, но мне захотелось узнать

что- то большее. И следующим этапом в освоении мира Lego были модели

серии Technic. Принципиальное отличие от всех прежних наборов

заключается в том, что здесь присутствует большое количество шестеренок,

моторов, валов, пульты управления, что позволяет двигаться модели и

управлять ей. Но по мере того, как я осваивал принципы работы

определенных механизмов, я создавал свои модели, которые со временем

дорабатывал и улучшал. Полученные знания помогают мне создавать свои

работы, например сейф или аппарат по продаже

конфет. При создании сейфов я использую

принципы кодовых замков, кнопок, ключей.

Аппарат по продаже конфет работает только при

наличии монеты определенного достоинства.

И вот теперь Lego Mindstorms. Спросите «Почему?». Да

потому, что этот конструктор дает огромные

возможности для создания и программирования роботов.

Робот, который умеет рисовать? Пожалуйста! Принтер,

используя обычный маркер, проводит линии на бумаге

для ЭВМ или кассовых аппаратов. Именно Mindstorms может служить базой

для обучения и создания роботов, что позволит в будущем работать с более

серьезными механизмами. И кто знает, может именно такой робот сможет

принести пользу людям.

Самые необычные конструкторы – Lego Mindstorms.

Датская компания LEGO была основана в 1932 году Оле Кирк

Кристиансеном, чьё маленькое столярное предприятие провалилось из-за

отсутствия поставок древесины.

5

Кристиансен переключился на изготовление деревянных игрушек, затем

купил машину для литья пластмасс и начал выпускать пластиковые игрушки,

которые отлично продавались. После смерти первого владельца компания

перешла к его сыну — Кьелду Кирк Кристиансену. Производство

пластиковых «кирпичиков» LEGO, того конструктора, к которому мы

привыкли, было запущено 56 лет назад, в 1958 году.

LEGO (от дат. Leg Godt — «играй хорошо») — серии игрушек,

представляющие собой наборы деталей для сборки и моделирования

разнообразных предметов.

Основой наборов является кирпичик LEGO — деталь, представляющая собой

полый пластмассовый блок, соединяющийся с другими такими же

кирпичиками на шипах. В наборы также входит множество других деталей:

фигурки людей и животных, колёса и так далее. Существуют наборы, в

которые входят электродвигатели, различного рода датчики и

даже микроконтроллеры. Наборы позволяют собирать модели автомобилей,

самолётов, кораблей, зданий, роботов. LEGO воплощает идею модульности,

наглядно демонстрирующую детям то, как можно решать некоторые

технические проблемы, а также прививает навыки сборки, ремонта и

разборки техники.

Начиная с момента своего появления элементы LEGO во всех своих

вариантах остаются совместимы друг с другом. Так, элементы, созданные в

1958 году, по-прежнему соединяются с элементами, выпущенными сейчас,

несмотря на радикальные изменения в дизайне и форме элементов за эти

годы. Осенью 1998 года Lego выпустила первый набор робототехники

Mindstorms - Систему создания робота с программируемым контроллером в

виде кирпича Lego. Название Mindstorms было взято из книги «MIT»

ученого Сейморда Паперта. В концепции Паперта описывается

использование компьютеров не только для помощи в обучении и каких либо

расчетов, но и в обратную — обучение компьютера для своих целей.

Робототехническая платформа Lego Mindstorms EV3

6

Робототехническая платформа Lego Mindstorms EV3 была разработана для

двух разных целевых аудиторий: для домашнего пользования (дети и

энтузиасты-любители) и в образовательных учреждениях (ученики и

преподаватели). Вы сможете программировать робота с помощью

программного обеспечения, которое можно скачать с веб-сайта Lego

Mindstorms бесплатно. Вы также сможете управлять роботом с помощью

смартфона или с инфракрасного пульта дистанционного управления, который

поставляется с набором.

В этот комплект входят:

— 1 EV3 программируемый блок (арт. 45500);

— 2 больших двигателя (арт. 45502);

— 1 средний двигатель (арт. 45503);

— 1 датчик касания (арт. 45507);

— 1 датчик цвета (арт. 45506);

— 1 ИК-датчик (арт. 45509);

— 1 инфракрасный пульт дистанционного управления – ИК-маяк (арт.

45508).

В комплект также входит 7 соединительных кабелей и кабель USB для

программирования. Вы будете нуждаться в 6 батареек АА для EV3 кирпича.

Следует отметить, что инфракрасный датчик имеет точно такую же форму,

как ультразвуковой датчик. Оба датчика могут измерять дистанцию, но

ультразвуковой датчик является более точным для дистанционного

зондирования. С другой стороны, инфракрасный датчик служит приемником

для инфракрасного пульта ДУ.

Программное обеспечение Домашней версии.

Lego Mindstorms EV3 Домашняя версия арт. 31313 не включает в себя

компакт-диск в коробке. Вместо этого вам нужно будет загрузить

программное обеспечение бесплатно с веб-сайта Lego Mindstorms (ссылка).

Программное обеспечение включает в себя среду программирования и

строительные, программные инструкции для всех моделей роботов, которые

7

можно построить из набора Домашней версии: 5 базовых роботов и 12

бонусных моделей.

Программное обеспечение не требует лицензионный ключ, так что вы можете

загрузить программное обеспечение заранее, чтобы увидеть, понравится ли

вам язык программирования.

Требования к операционным системам:

— Windows: Windows XP, Vista, Windows 7, и Windows 8 (32/64 бит) с

последними пакетами обновления. (Заметим, что она не работает на

Windows, 8.0 РТ или 8.1 РТ);

— Macintosh: Mac 10.6, 10.7 и 10.8 с последними пакетами обновления.

Системные требования:

— 2 Гб оперативной памяти или больше;

— Процессор 2.5 ГГц или выше (Это минимальное значение для

двухъядерного процессора, с четырехъядерным процессором с частотой 1,7

ГГц отлично работает.);

— Минимальная поддерживается разрешение экрана — 1024

Источник: http://edurobots.ru/shop/robotbaza-robotbaza/

Механическая головоломка «Кубик Рубика».

«Кубик Рубика» (разговорный вариант Кубик-рубик;

первоначально был известен как «Магический кубик», венг.

Bűvös kocka) — механическая головоломка, изобретённая в 1974 году (и

запатентованная в 1975 году) венгерским скульптором и преподавателем

архитектуры Эрнё Рубиком.

Головоломка представляет собой пластмассовый куб (размер в

первоначальном варианте — 3×3×3). Его видимые элементы снаружи

выглядят как 26 малых кубиков с 54 видимыми цветными гранями,

составляющих один большой куб. Грани большого куба способны вращаться

вокруг 3 внутренних осей куба. Каждая из шести граней состоит из девяти

квадратов и окрашена в один из шести цветов, в одном из распространённых

вариантов окраски расположенных парами друг напротив друга: красный —

8

оранжевый, белый — жёлтый, синий — зелёный. Повороты граней

позволяют переупорядочить цветные квадраты множеством различных

способов. Задача игрока заключается в том, чтобы «собрать кубик Рубика»:

поворачивая грани куба, вернуть его в первоначальное состояние, когда

каждая из граней состоит из квадратов одного цвета.

Считается, что кубик Рубика — лидер среди игрушек по общему количеству

продаж: по всему миру было продано порядка 350 млн кубиков Рубика, как

оригинальных, так и различных аналогов. Интересный факт: если их

поставить в ряд, то они протянутся почти от полюса до полюса Земли.

Делаем робота MindCub3r, который может собрать кубик Рубика.

MindCuber ( Миндкубер ) – семейство из нескольких роботов, которые могут

решать и собирать известную головоломку “Кубик Рубика”.

1. MindCub3r можно построить из одного комплекта Lego Mindstorms

EV3 (31313, Home Edition). Также мне понадобилась инструкция по

сборке и программное обеспечение,

разработанное авторами проекта.

Инструкцию по сборке MindCub3 и

прошивку для кирпича и для датчика

цвета (стандартные настройки этого

датчика не корректно определяют цвета в

режиме RGB) скачал с официального сайта LEGO MINDSTORMS

http://robotday.ru/2015/01/15/min

2. Собираю робота.

Собрать механизм робота целиком по инструкции с сайта mindcuber.com –

скачать инструкцию по сборке механизма в формате PDF

3. Установить необходимое программное обеспечение:

o Убедитесь, что версия прошивки вычислительного блока EV3

– v1.08H . Всегда рекомендуется обновлять прошивку

до последней версии на официальном сайте LEGO. При

9

необходимости скачиваем

новую прошивку

(встроенное ПО EV3

MIDSTORMS), а также программное обеспечение LEGO EV3

MINDSTORMS ( PC или MAC ) ссылка.

o Затем необходимо установить модифицированную поддержку

Сенсора RGB (Color Sensor RGB Block) – датчика, который

определяет цвет объекта. Скачиваем файл нового

блока ColorSensorRGB-v1.00.ev3b. И устанавливаем новый блок в

оболочку программы LEGO EV3 MINDSTORMS на компьютере.

Для этого используем в программе меню Tools и Block Import.

o Следующий этап – установка самой программы для робота, которая

считает, решает головоломку и управляет механизмом для вращения

граней “Кубика Рубика”. Закачиваем версию для LEGO

MINDSTORMS EV3 (Home set 31313 – домашняя версия, именно

она продается в магазинах LEGO)

o Распаковываем архив. Мы имеем три файла.

Первый файл MindCub3r-v1p6.ev3 – файл проекта для

программного обеспечения на компьютере.

Второй файл mc3solver-v1p6.rtf – запускаемая на центральном

блоке EV3 программа для робота,

выполняет поиск решения для Кубика Рубика.

Третий файл InstallMC3-v1p6.rbf – установщик для

предыдущей программы.

o Теперь открываем файл проекта MindCub3r-v1p6.ev3 в программном

обеспечении на компьютере с помощью меню File и Open Project.

Скриншоты программы находятся в приложении. После запуска программы

робот попросит вложить кубик («Insert cube») и начнет его сканировать

датчиком цвета. После сканирования робот ненадолго задумается и начнет

10

сборку. Удачное решение задачи ознаменуется радостным вращением кубика.

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.

MindCub3r использует стандартный алгоритм сборки Кубика Рубика.

После определения цвета каждого элемента всех граней, значения цветов

заносятся в многомерный массив и производится вычисление кратчайшего

решения головоломки. Затем в дело вступает чистая механика. Грани должны

быть стандартных цветов, кубик должен крутиться, поворачиваться очень

легко, без торможения и заеданий.

Заключение.В основе современной робототехники находятся механика, электроника и

программирование. Конструктор Lego Mindstorms получился настолько

удачным, что им с удовольствием играют не только дети, но и взрослые.

Проводят даже международные соревнования по робототехнике из этого

уникального конструктора. Робот CubeStormer 3, созданный британскими

инженерами Майком Добсоном (Mike Dobson) и

Дэвидом Гилдэем (David Gilday), установил мировой

рекорд, собрав кубик Рубика за 3,253 секунды. Об этом

говорится в пресс-релизе компании ARM. Рекорд был

установлен 15 марта на фестивале The Big Bang Fair в Бирмингеме. Время,

продемонстрированное CubeStormer 3, оказалось лучшим как среди роботов,

так и среди людей. У роботов предыдущий рекорд — 5,35 секунды —

принадлежал CubeStormer 2, также построенному Добсоном и Гилдэем.

Среди людей рекордсменом считается голландец Мэтс Вальк (Mats Valk),

решивший головоломку за 5,5 секунды. Мой робот собирает кубик за 1,5

минуты. Вышло новое приложение для андроид IOS. Здесь можно

11

программировать как и с ПК. Впереди у меня множество собственных

находок и изобретений, которые, я надеюсь, сослужат хорошую службу и

нашей стране, и всему человечеству.

12

Список литературы:1. Филиппов С.А. «Робототехника для детей и родителей».

2. http://www.myshared.ru/slide/296267/

3. http://www.myshared.ru/slide/504232/;

http://www.myshared.ru/slide/937199/;

4. http://www.lego.com/ru-ru/mindstorms/learn-to-program;

http://www.shipicina.ru/lego-mindstorms/.

5. robot educator ( 48 пошаговых мультимедийных обучающих урока,

созданных для помощи ученикам и преподавателям в обучении

основам робототехники)

6. http://mindcuber.com/

7. http://www.lego.com/ru-ru/mindstorms/downloads

8. Колосов Д.Г. Первый шаг в робототехнику (практикум 5-6 класс).

Википедия — свободная энциклопедия https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%B3%D0%BB%D0%

13

Приложение. Основа.

Подпрограммы.

14

15