13板鲁班锁Millenium的运动仿真解析之：数据采集

muoubear*

本次13板鲁班锁建模仿真的思路和步骤分了3篇文字进行解析，截止今天已经全部写完，文章分享到论坛图片部分都需要重新上传，我将按顺序将图文发布出来，欢迎大家留言交流。

今天的文字给大家讲一下我做这个13板仿真的思路和步骤，做这种拼板的运动仿真，首先要做的工作是对板锁拼合的数据进行采集，数据的采集需要借助4个小软件：

• 刺果（BurrTools），用该软件加载解算好的13板文件，刺果解算的结果是运动仿真的原始数据采集的源头。此软件鲁班锁群的朋友比较熟悉，本人对该软件的认知也有限，无法做详尽的解说，感兴趣的朋友可以去百度贴吧，鲁班锁板块，查找相关内容了解。

• ScreenToGif，gif制作的小软件，利用其录像功能，通过快照模式按解算步骤，对刺果软件的解算动画进行截屏，分别从前视图，俯视图，左视图三个方向截图，统计13板在X，Y，Z三个方向上每一步的运动数据。

• 按键精灵，之所以要用按键精灵，因为通过ScreenToGif的快照方式录屏，都是重复性的动作，用按键精灵，配合屏幕键盘，可以自由设定录屏的帧数。
  

• Excel，对三视图采集的数据做原始的记录，并通过excel强大的函数功能，组合出仿真需要的每一步的step函数。

  
  
  

做完以上数据的采集工作，就可以建模，并进行运动仿真了，做这个仿真，对数据的采集占了很大的一部分工作量，只有数据的采集做到百分百的准确无误，仿真出来的板锁才不会有丝毫差错。本篇也主要讲数据采集部分，UG的建模和仿真部分放在下一篇公众号文中再进行讲解。

上面所述主要讲了这些软件在数据采集中的作用，接下来我会对用到的每一种软件具体需要做些什么，有哪些步骤做一个讲解。

• 刺果（BurrTools）：

  打开刺果软件，加载13板解算文件，并切换到解算选项卡，如下面图1，图2所示。

  

  图1 解法1（1063）解算选项卡

  

  图2 解法2（146）解算选项卡

  
  

  • 需要说明的是每一种解法对应一个解算文件，需要单独加载，数据的采集也是一样，同样需要两份数据。

    图2中红色框选的位置为13板锁 解法2的拆解步骤值，解算步骤值（146）下面显示的数据（0.00）为动画演示拆解的当前值，这个值的后面，即图示红色箭头所指的滑动块可以左右移动，鼠标拖动，或者先点选该滑动块，再按下键盘的左右方向键，就可以动态的演示拼合或者拆解动画效果。按一次方向右键，步进0.02，按压50次方向右键，板锁拆解完成一步，快照截屏的时候需要用到这个滑动块和键盘的方向键。

    图2右侧的区域为13板锁的显示区域，可以按下鼠标左键拖动，调整板锁的空间显示方位，本次仿真需要的数据采集，采用了工程三视图的方式，分别选择左视图，俯视图和主视图三种空间显示方位进行快照截图，先将模型调整到左视图的显示状态，为下面的软件截图做好准备。

  • ScreenToGif

    打开ScreenToGif软件，如图3所示，点选录像机功能，点击齿轮图标进入选项设定，勾选启用快照模式，如图4红色框选所示。

    

    图3 ScreenToGif启动界面

    

    图4 启用快照模式录像

    
    

    • 启用快照模式后，点击确认按钮，回到快照捕捉模式的窗口，设置好扑捉窗口的大小，并将窗口移到刺果的13板显示区域，做好快照截图的准备。
      

    • 按键精灵

      按键精灵本文不做过多讲解，本案例脚本用到的也是比较基础的操作，只需用到一个嵌套的循环，鼠标左键的点击和快捷键F7的按键模拟，有一定编程水平的朋友可以丰富一下脚本内容，更加智能的完成需要的截图工作。

      启动按键精灵，编写脚本（解法1）如下：

      

      图5 按键精灵截屏脚本

      脚本中的F7键是软件ScreenToGif快照模式的快捷键，按一次F7就会捕捉一张截图，延时100毫秒，后进行一个50步的小循环，50步的小循环模拟的是按压实体键盘上面的方向右键，之所以会用到鼠标点击，是因为要用到虚拟键盘，此处的点击，模拟的是按压虚拟键盘上面的方向右键，按键精灵自带的按压方向右键功能，实际运行脚本并没有起作用，才用虚拟键盘也是权宜之计。

      脚本完成一个循环，板锁刚好完成一个动作，截一次图，如此周而复始，直到完成所有步数（1063）的截图。

      
      

      脚本文件完成后，切换到调试模式，在按下F10启动之前，需要打开虚拟键盘，先将刺果的小滑动块激活，并使其位于开始的位置，再将鼠标光标放在虚拟键盘的右方向键上面，如图6所示，完成后上面两步操作后，就可以按下F10，启动脚本程序，脚本程序按设定内容快速有序进行的截图操作，脚本循环结束后，我们就得到了1063张指定区域帧的截图组，点击停止按钮，ScreenToGif软件跳回到编辑器模式，如图7所示。

      

      图6 激活小滑块，鼠标光标放置在右箭头上

      

      图7 ScreenToGif的编辑器

      
      

      • 这1063张截图即为刺果软件提供给我们的原始数据，接下来就需要进行逐帧的对比，观察前后两三张图片上板锁零件的变化情况，从而判断A，B，C，D这4个板子沿着Y轴移动的单元变化情况，以数据的形式记录到Excel中。

      • Excel

        打开Excel，建立下图8形式的表格，基本上ABCD板都是在Y方向上移动，EFGH板在X方向上移动，IJKLM板在Z方向上面移动，图示表格中AX，BX表示A板，B板在X方向上移动，其他双字母同理，Excel每一行代表一步，每一步某一个板在某个方向上移动了多少，就在对应的单元格中进行记录，板子移动方向和刺果坐标轴方向相同为正值，相反为负值，为了纠错，第0步行作为数据记录纠错功能行，即整列数据求和，记录过程中，如果某行数据记录错误，可以及时发现，在数据记录的列都后面，再建立等数量的列单元格一一对应，这样方便查阅某一步各个板子的状态值，也具有一定的纠错功能，如图9所示，采用的是对应列数据进行累加。

        Excel单元格颜色采用条件格式方式填充，每一列的颜色和刺果对应板子的颜色相同，方便记录数据的采集。

        

        
        

      图8 数据的记录

      

      图9 对应列数据进行累加，查阅中间步骤板子状态值

      做完左视图这些截图的数据记录后，基本上完成了ABCD板Y方向的数据记录，再次返回到刺果，将模型调整成俯视图，重复第4部分的快照截图操作，并进行逐帧的图像对比，对EFGH板的移动数据进行记录，记录在Excel对应的单元格中，最后再进行主视图方向的截图操作，就可以完成IJKLM板的移动数据采集，中间有些步骤好几个板子会同时沿着某个方向移动，可能需要结合刺果找出对应步，进行单独的数据采集验证。

      
      

      完成Excel的原始数据记录后，就可以利用Excel强大的函数功能，进行step函数的合成工作，依然是建立与前面数据记录等列的单元格，每一个单元格代表每一步某一个板子的运动情况的step函数，从前面的数据记录可以看出，每一步基本上只有一列有数据，其他列都为空，所以在合成step函数的时候，利用Excel的条件函数，对于空值单元格，step函数对应的单元格同样为空值显示，这样做可以减少不必要的step函数。建立的列单元格如图10所示。

      

      图10 对应单元格step函数的合成

      

      图11 原始数据采集及处理

      从图11可以看出整张表格被分为3大部分，第一部分为原始数据记录区，第二部分为板锁每一步的状态值显示区，第三部分为板锁移动原始数据的step函数合成区，做板锁拼合仿真的时候，就需要用到第三部分的数据，如果需要将板锁每一步的状态值也做仿真，就需要将第二部分的数据也合成为step函数，本次案例没有做这部分。

      有了板锁拼合的仿真函数后，就可以做出板锁拼合的运动仿真，如果做成动图进行演示，中间某一步如何让别人知道是第多少步？这里就需要做一个指示器一样的东西，本案例采用了7段数显码的原理，解法1的1064步显示出来，需要4个7段数显，做指示器仿真的时候，每一个数字对应一个7段数显码，也就是每一位数字要仿真出来，就需要7个对应的连杆，7个对应的滑动副和7个对应的step驱动函数，4位数字就需要28个对应的连杆，滑动副和step驱动函数，要完成这些step函数的编制同样需要借助Excel强大的函数功能，先对7段数显部分进行编码，如图12所示，再对要显示的4位数进行编码，如图13所示，最后再将要显示的数字进行step函数合成出来，如图14所示。

      

      图12 7段数显数字0到9编码

      

      图13 指示器4位数显示编码

      

      图14 指示器4位数显示的step函数合成

muoubear*

本次案例指示器的数字显示采用的是倒序，用ScreenToGif做动图的时候可以将截图反转，进行倒序显示，这样出来的就是拼合的动图仿真演示了。

上面关于Excel数据的处理也都用的最基本的Excel函数操作，主要用到了条件函数，字符合成函数，对于Excel函数有一定了解的朋友，不难理解函数的编排原理，函数的编写就不在这里赘述了，也希望以上文字能给做类似运动仿真的朋友起到抛砖引玉的作用。

本篇主要讲得是做13板锁运动仿真前的数据采集及处理介绍，下一篇文章，我将解析本次13板锁的建模和仿真的思路，感兴趣的朋友可以将文章分享出去，让更多的朋友关注一下。

PS：上一篇文章对于该13板锁的来源忘记提了，本篇补充上，原设计源自于Donald Osselaer，关于该锁解法1的原文链接见文末的网址链接，该网站还有很多其他类型的鲁班锁，都是大师们智慧的结晶。

http://puzzlewillbeplayed.com/13BoardBurr/Millenium/solution.html

Dandelion*

赞赞赞赞赞赞赞

流星画雨*

作者不仅给我们展现了鲁班锁的复杂性（类似魔方的复杂性），而且煞费苦心，运用多种软件来展现解锁动画，这种精神值得我们崇敬！这种高水准的帖子，是非常罕见的！是非常难得的！非常感谢作者的高水平帖子！

xiaomasing

这个真得值的赞，匠人精神！！！

wu1687

匠人精神

陈大师

感谢楼主分享