作者：孫尹同 ?黃祖杰

單位：廣西大學 ?機械工程學院

指導老師：李俚

一、簡介

?????? 魔方，又名魯比克方塊，最早是由匈牙利布達佩斯建筑學院厄爾諾.魯比克教授于1974年發(fā)明的機械益智玩具。魔方擁有競速、盲擰、單擰等多種玩法，風靡程度至今未衰，每年都會舉辦大小賽事，是最受歡迎的智力游戲之一。
?? ? ?為此，我們應用探索者Rob-GS01的箱子搭建了一款可以自主還原魔方的娛樂型機器人。如果在居家擰魔方的過程中無法還原魔方，只需交給它便能在30s內完成還原。自認為是魔方高手的同學也可以人工手擰與機器人復原進行競速比賽。 ?此作品占地體積小，為40x40x40cm,適用于安放在家庭的任何角落。供電僅需一臺筆記本電腦外加一個固定電源。總體成本控制在人民幣1000元以內，性價比高。 ?本作品原理可分為三個模塊進行介紹，分別是機械結構、視覺識別和算法控制。
? ? ? 基礎零件(鋁制零件、舵機、步進電機、單片機控制板等)來自于探索者Rob-GS01機器人實驗箱。Basra控制板【https://www.robotway.com/h-col-135.html】，Bigfish擴展板【https://www.robotway.com/h-col-136.html】 和 SH-ST步進擴展板【https://www.robotway.com/h-col-142.html】用于執(zhí)行算法，控制并 驅動舵機【https://www.robotway.com/h-col-129.html】 和步進電機;搭建外部框架安放四個小型攝像頭進行視覺識別。

??????? 視覺識別圖像處理采用4個攝像頭對魔方六個面進行顏色識別編碼，本作品主要利用Open CV函數庫對采集的圖像進行選擇、透射變換、色彩空間轉換等操作后，通過kmeans聚類算法進行顏色分割，以減少外部噪聲干擾，從而求出魔方不同情況下色塊對應的編碼。

?????? 接下來的任務交給算法控制;視覺識別給出的數組先傳遞給Kociemba二階段算法，Kociemba二階段算法通過該數組得到魔方每個面的情況，給出一個20~30步的解決方案，通過串口通訊傳遞給單片機。單片機內已通過機械手旋轉方向變換，步進電機和舵機的轉速參數等寫好了擰魔方的具體程序。收到電腦通過串口發(fā)出的指令后立即執(zhí)行，操作機械手使魔方成功還原。

?????? 本作品是一個融合了機器人視覺、圖像處理技術、機器人控制技術和魔方還原算法等多學科知識的機電一體化設備。

二、總體設計

作品全稱：基于探索者Rob-GS01、OpenCV Python、Arduino的雙臂二指魔方機器人

?????? 魔方機器人是機器人智能化的一種新體現，魔方機器人的機械結構設計以及還原算法的分析編譯是該機器人的核心內容。

?????? 本文的雙臂二指魔方機器人是基于探索者Rob-GS01、Open CV 來設計與制作，由本體機械結構、控制系統、外圍數據采集裝備（四方位攝像頭、支架）組成，整體結構如圖 2-1 所示。它涵蓋了魔方顏色識別，還原步驟算法解析計算，機械手夾取系統以及機械臂旋轉系統。主體機械結構由2只機械臂組成，通過“M”形框架搭建固定在支撐架上，在2組舵機和步進電動機的分別驅動下，實現機械臂的轉動以及夾爪的夾取運動，從而實現魔方面的轉動。

1.機械本體構成

?????? 主體機械結構由探索者 Rob-GS01 箱子中的鋁制零件拼接。其他配件包括：3D 打印的二指機械手*2、42 步進電機*2、舵機*2、攝像頭*4、杜邦線、補光燈、膠帶（若干）。

2.控制系統構成

?????? 控制系統的上位機（電腦），用于連接攝像頭進行視覺識別、圖像處理、魔方還原方案的制定，確定魔方還原方案后，通過 USB 串口通訊將還原魔方的指令發(fā)送到下位機（單片機控制板）。下位機收到指令后即驅動機械手完成復原魔方的操作。

? ? ? ?下位機所用的單片機控制板由探索者 Rob-GS01 箱子中的 Basra 控制板、Big fish 擴展板、SH-ST擴展板三塊單板拼接而成，其中 Basra 控制板用于搭載程序，同時串口通訊接收電腦的指令，Big fish 擴展板用于連接舵機和傳感器，SH-ST 擴展板連接鋰電池供電，驅動步進電機使 機械手旋轉。整機的操作流程如圖2-2 所示。

3.外圍數據采集裝備

?????? 數據采集由四個方位的攝像頭來完成，分別位于被夾持魔方的上、下、左、右。固定攝像機的框架采用探索者 Rob-GS01中的鋁制零件拼接而成。

三、機械機構

?????? 目前魔方機器人的機械結構主要有類人雙臂式和四軸旋轉式2種類型，相比較之下，類人雙臂式的魔方放機器人結構更為簡單，控制系統協調度更高，成本更低。該魔方機器人復原過程需要2只機械手同時工作，相互配合運動來完成相應復原轉動的動作。為使機械手能夠互相獨立工作，做回轉運動時互不干擾，機械手需滿足手臂的中心線在同一平面且垂直，故機械臂采用雙臂交叉正交結構，分別在魔方的兩側斜45°向上，從兩側支撐魔方。兩機械手通過“M”形框架裝夾固定在與水平桌面形成45°夾角的平面上，完成機械手臂以及夾爪的相應動作。

1.“M”形框架設計

? ? ? 框架決定了機械手配合的平穩(wěn)性和協調性，因此在設計的過程中應用三角形的穩(wěn)定性，決定將機械手對位斜 45°放置。安置機械手、步進電機、舵機的框架呈“M”形。這樣的框架既能合理分擔承重，又不會因機械手動作的振動而產生位移，相對穩(wěn)定。

2.機械手結構設計

? ? ? 對于抓取魔方的機械手設計，傳統的魔方還原機器人多選用五指結構，但其結構復雜，穩(wěn)定性差，本文設計的魔方還原機器人采用二指結構，力量調節(jié)更方便，結構更簡單，自身轉動慣量較小，質量分布較均勻，更適合一邊轉動一邊抓取。

? ? ? 如下圖為本文設計的二指機械手。由于兩個指尖的形狀和材質會嚴重影響魔方還原速度，我們對機械手指采用ug軟件進行了多版設計和 3D 打印，并確定了最終方案，機械手指內側設還計了防滑紋，從兩側支撐魔方，從而減小因魔方自重在轉動過程中產生的誤差，保證機械手在夾取和松開時，魔方的準確位置。

3.器件的選型

? ? ? 根據設計要求，步進電機經聯軸器連接機械手使其隨輸出軸順、逆時針180°旋轉；舵機順、逆時針180°旋轉帶動一字擺臂使機械手手指松開或夾緊；具體的器件選型如下：

3.1步進電機的選型

? ? ? 步進電機相對于其它控制用途電機的最大區(qū)別是，它接收數字控制信號（電脈沖信號）并轉化成與之相對應的角位移或直線位移，它本身就是一個完成數字模式轉化的執(zhí)行元件。機器人采用步進電機鏈接聯軸器驅動機械手旋轉。步進電機參數的選擇主要考慮該機構框架尺寸以及步距角的大小。

3.2 舵機的選型

3.3 整體框架的零件

? ? ?本文設計的魔方機器人框架搭建所需的零件主要采用探索者Rob-01提供的零件，然后根據所設計的結構進行組裝搭建。

3.4 單片機控制板

? ? ?單片機控制板、擴展板如圖所示：

3.5 結構制作過程

? ? ? 前后的整體結構共設計了兩版。如下左圖為第一版，右圖為第二版。由于第一版結構對兩只機械手的平衡配合產生了較大影響，所選取的探索者配套攝像頭精度也有瑕疵。最終采用了輔助方案第二版。兩只機械手配合靈活，執(zhí)行力較強。

---------------------------------------------未完待續(xù)-------------------------------------------------

雙臂二指魔方機器人的完整內容詳見?https://www.robotway.com/h-col-159.html

想了解更多機器人開源項目請關注 機器譜網站https://www.robotway.com