はじめに

本記事では、ルービックキューブを自動で崩したり揃えたりできる、LEGOとRaspberry Piで作れるロボット「Cube Scrambler」のご紹介と作り方、使い方を解説します。

Cube Scramblerとは

以下の動画のように、ルービックキューブを自動で崩したり、揃えたりできるLEGOで作れるロボットです。

できること

Cube Scramblerには以下の4機能があります。

• SCRAMBLE: ルービックキューブをランダムに崩す
• SOLVE: ルービックキューブを崩れた状態から揃える
• SEQUENCE: 回転記号に沿ってルービックキューブを動かす
• STEP: ルービックキューブの解法（CFOP法）の各ステップごとにランダムな状態に崩す

SCRAMBLE

ルービックキューブをランダムに崩します。

SOLVE

ルービックキューブを揃えます。
ルービックキューブの崩れた状態をWeb UIから入力し、Solveボタンを押すと自動で揃え始めます。
※ルービックキューブ黄色面が上、青面が前となるようセットします（真ん中のマスの色がその面の色です）

SEQUENCE

任意の回転記号に沿ってルービックキューブを動かします。

ルービックキューブの回転記号 (TORIBO)

STEP

CFOP法（※）の各ステップごとにランダムな状態に崩します。
練習したいステップを重点的に練習できます。

※CFOP法: 最もメジャーなルービックキューブの解法

解法「CFOP」とは？ (Cube Voyage)

作り方

用意するもの

0から揃える場合、Raspberry Pi、サーボモーター類が6,028円、LEGOパーツが5,693円で、合計11,721円となります。
※金額は2024/10/28時点の税込金額です

Raspberry Pi、サーボモーター

LEGOパーツ

Raspberry Piのセットアップ

Raspberry Pi OSセットアップ

Raspberry Pi Imagerを使用し、Raspberry Pi OSをセットアップします。
Raspberry Pi Zero 2 WのRaspberry Pi OS Lite (64-bit)を選択し、Micro SDカードへ書き込みます。

Gitインストール

Raspberry Piを起動後、以下のコマンドにて最初にGitをインストールします。

sudo apt-get install -y git

Cube Scramblerリポジトリのクローン

続いて以下のコマンドでCube Scramblerのリポジトリをクローンします。

git clone https://github.com/miso-develop/cube-scrambler-rpi

セットアップスクリプトの実行

以下のコマンドでセットアップスクリプトを実行します。
セットアップスクリプトでは必要なアプリケーションのインストール、Cube Scramblerの依存パッケージインストールとサービス登録、Raspberry PiのAP化を行います。

cd cube-scrambler-rpi
sudo bash setup.sh

なおsetup.shの内容は以下のようになります。

#!/bin/bash
cd `dirname $0`
CURRENT_DIR=$(pwd)

# Setup check
if [ -f "setup-completed" ]; then
    echo "Setup completed."
    exit 1
fi



# App setup
sudo apt-get -y update
sudo apt-get -y upgrade
sudo apt-get install -y nodejs npm pigpio dhcpcd hostapd dnsmasq



# Cube Scrambler setup

## build
npm i
npm run tailwind:build
npm run typescript:build

## Service setup
sudo chmod 0755 ./index.sh

sudo ln -s $CURRENT_DIR /opt/cube-scrambler-rpi

sudo cp ./setup/cube-scrambler.service /etc/systemd/system/cube-scrambler.service
sudo systemctl enable cube-scrambler



# AP setup

## udev
MAC=$(cat `find /sys/devices/ -name wlan0`/address)
echo MAC: $MAC

sudo iw phy phy0 interface add ap0 type __ap
sudo ip link set ap0 address $MAC

cat << EOF > /etc/udev/rules.d/99-ap0.rules
SUBSYSTEM=="ieee80211", ACTION=="add|change", ATTR{macaddress}=="$MAC", KERNEL=="phy0",
  RUN+="/sbin/iw phy phy0 interface add ap0 type __ap",
  RUN+="/bin/ip link set ap0 address $MAC"
EOF

sudo cp ./setup/unmanaged.conf /etc/NetworkManager/conf.d/unmanaged.conf

## dnsmasq
cat << EOF >> /etc/dnsmasq.conf

interface=ap0
dhcp-range=192.168.10.2,192.168.10.10,255.255.255.0,12h
EOF

## dhcpcd
cat << EOF >> /etc/dhcpcd.conf

interface ap0
static ip_address=192.168.10.1/24
nohook wpa_supplicant
EOF

## hostapd
sudo cp ./setup/hostapd.conf /etc/hostapd/hostapd.conf

sudo systemctl unmask hostapd.service
sudo systemctl enable hostapd.service

## wpa_supplicant
cat << EOF >> /etc/wpa_supplicant/wpa_supplicant.conf
country=JP
EOF



# reboot
echo . > setup-completed
sudo reboot

サーボモーターの接続

Raspberry Piの電源を落とした状態で、ジャンパーワイヤを使って2つのサーボモーター（GeekServo）を接続します。

サーボモーターにはGND (茶色), 5V (赤), 信号 (黄色)の3本の線があります。
下図がpinoutコマンドの出力結果となり、出力内容に合わせ以下のように接続します。

• サーボモーター1
  • 5V (4)
  • GND (6)
  • GPIO14 (8)
• サーボモーター2
  • 5V (2)
  • GND (14)
  • GPIO15 (10)

サーボモーター接続後にRaspberry Piを起動し、サーボモーターの角度を初期位置にしておきます。

LEGOの組み立て

LEGOの組み立て説明書のPDFを公開しています。
この説明書に沿ってLEGOを組み立てていきます。

サーボモーターも組み立ての中に含まれており、スタンド側とアーム側で分かれます。
GPIO14 (8) ピンへ接続しているサーボモーターがスタンド側、GPIO15 (10) ピンへ接続しているサーボモーターがアーム側となるよう注意してください。

LEGOの組み立て方

LEGOの組み立てまで完了しましたらCube Scramblerは完成です

使い方

Raspberry Piから提供されるWeb UIから操作を行います。

Raspberry PiのAPへ接続

PCもしくはスマートフォンのWi-FiをRaspberry PiのAPへ接続します。

SSID: CubeScrambler
パスワード: cubescrambler

Web UIへアクセス

以下のURLへアクセスするとWeb UIが表示されます。
※Androidの場合SIM通信が有効になっているとアクセスできないため、SIM通信を無効にしてください

http://192.168.10.1/

おわりに

Cube Scramblerはもともとはサーボ制御にM5Stackデバイスを使い、それをopnizサーバーを実行するPCで制御する構成でした。
しかし、この構成だと作品を展示する場で厳しい構成ではないかと考えました。
電子作品の展示イベントではWi-Fiが繋がりにくくなるという話を伺ったことがあり、上記の構成だとWeb UI <-> PC (opnizサーバー) <-> M5Stackデバイスと、Wi-Fi通信を2度経由する必要があるためです。

このWi-Fi多重経由問題の対策として実装したのがRaspberry Pi対応版Cube Scramblerとなります。
サーボ制御とWeb UI配信、Web APIサーバーの実行をRaspberry Piのみで行うことによって、Wi-Fi通信はWeb UI <-> Raspberry Pi間のみとなりました。
実際、Raspberry Pi対応のおかげで今年3回参加した展示イベントのいずれも安定した動作を行うことができました。