作者 高达 北华大学机械工程学院(吉林省 吉林市 132021)
高达，男，1996-，黑龙江省佳木斯市同江市乐业镇人，北华大学机械工程学院，大学本科生，首要从事机械装备主动操控方面的研讨。
摘要：依据STM32的双臂魔方机器人可以将恣意打乱的三阶魔方快速复原。在研讨各种魔方机器人组织的根底上，规划了一种体积小、速度快、功能安稳的机械结构，能使魔方机器人习惯不同环境。
0 导言
魔方不仅是益智玩具，又是运动用品和教育用具。魔方竞技逐渐向复合型手、眼、脑和谐运用等多样化脑力运动方向开展。2010年10月，机器人Cubinator在18.2秒内复原魔方，成为其时世界上复原魔方速度最快的机器人。2011年6月由澳大利亚墨尔本斯威本科技大学研发的机器人Ruby复原解魔方仅用了10.18秒，并打破上述记载。跟着核算机技能和人工智能等技能的开展，将魔方与智能机器人的结合，在科普范畴取得了突破性的发展。复原魔方机器人是智能化机器人的一个全方面表现，对其算法和组织的研讨也成为机器人技能的十分重要的研讨内容，解魔方机器人全体的架构和多种变型形式也是近几年来的热门。
1 魔方机器人全体方案规划
依据STM32双臂魔方机器人是一个可以将恣意打乱的三阶魔方快速复原的机器人。它触及魔方色块数据收集、魔方复原进程解算、机械手操控体系以及手臂旋转体系。本文介绍的魔方机器人首要由两组机械手臂组成，经过电机支座将两个手臂固定在底座上，在电机和舵机的别离驱动下，模仿完结人手部和腕部的动作。舵机带动联杆滚动，从而驱动两根机械手指在导轨上滑动，完结机械手指的夹紧和松开动作;伺服电机带动支撑板滚动，完结机械手腕部滚动。摄像头把魔方相片发送给主控处理、辨认色彩，之后主控将魔方状况序列发送给上位机解算。主控板经过伺服驱动器操控直流伺服电机滚动。魔方机器人依据上位机传回的指令复原魔方。该机器人的最大特色是：彻底由STM32操控、体积小、结构简略、本钱很低，可以很多的遍及。
2 全体结构规划
该机器人复原魔方的进程是经过两只机械手臂合作完结的，机械手臂经过电机支座对向安装在固定底座上，模仿人手腕和手指动作。舵机驱动机械手指直线运动，完结对魔方的夹紧与松开;伺服电机做反转运动，完结魔方的反转。
2.1 机械臂结构规划
机械臂首要由伺服电机、电机支座、编码器等部件组成。电机支座选用聚乳酸(PLA)资料3D打印完结，为确保其强度，两边别离规划有10 mm厚加强筋，电机支座与固定底座之间为螺栓联接，确保机械手臂在运转进程中的安稳性。编码器把角位移或直线位移转化成电信号，再把这个电信号改变成计数脉冲，用脉冲的个数表明位移的巨细。
2.2 机械手结构规划
机械手首要由机械手指、导轨、联杆、舵机、舵机固定座等部件组成。经过曲柄连杆组织使机械手指在导轨上做直线运动，动力由舵机供应。为确保机械手的刚度和强度，导轨和舵机固定座均选用Q235钢制造而成。经过优化核算得出，两手指间最小间隔57 mm，最大间隔为86 mm，单个手指的直线运动间隔为14.5 mm，如图2所示。
3 电气体系规划
魔方机器人的电器操控体系首要包含操控中心、色彩辨认模块、电机驱动模块。
3.1 操控中心
本著作中的主控芯片选用的是意法半导体公司的STM32F407ZET6，融高功能、实时性、数字信号处理、低功耗、低电压于一身，一起坚持高集成度和开发简易的特色。具有多路PWM、ADC、UART等,最高72 MHz作业频率。魔方机器人需求两路PWM操控舵机，经过UART将上位机与主控芯片通讯，故满意魔方机器人的运动操控的需求。
3.2 色彩辨认模块
为了高效完结色彩数据收集，选用OpenMV摄像头模块。OpenMV上的机器视觉算法包含寻觅色块,满意本著作中对魔方色彩信息的收集。OpenMV作为一个开源，低本钱，功能强大的机器视觉模块，以STM32F427CPU为中心，集成了OV7725摄像头芯片，能将收集到的色彩数据高效地处理。
3.3 手臂旋转模块
选用的是型号为MD36P27的直流伺服电机，减速比1:27，额外扭矩为0.135 Kg•m 。依据相关参数核算电机扭矩0.135×3=0.405 Kg•m >0.192 Kg•m ，大于滚动时所需求的扭矩，故所选电机满意要求。
3.4 手指张合模块
为了满意魔方手指张合快速，挑选JX-6221舵机在6 V电压下力矩25.2 Kg•cm ，大于所要求的转矩，彻底满意安稳夹持魔方的需求。
4 魔方色彩辨认与解算
经过色彩辨认模块对魔方六个面进行摄影，提取出54个色彩信息，选用Kociemba 算法，优化传统的经过设定阈值的色彩辨认战略，经过上位机解算，完结解算后经过串口发送给STM32操控中心，将进程优化，取得复原魔方的最优解。
其间上位机是依据Cube Explorer 软件开发的，Cube Explore是一个比较有名的软件，这个软件可以直接调用电脑上可用的摄像头，魔方被扫描完结后就可以得出复原魔方的算法。此外Cube Explore有网络端口，可以直接和下位机魔方机器人通讯。
依据魔方机器人的机械结构与夹持魔方的方法，对魔方的复原进程一一对应在舵机与电机的动作上。有两个根底面，经过两个手的动作分化，将魔方的其他面转化到根底面进行复原。在完结动作分化后，魔方初始方位发生改变。因此在魔方每一次为坐标发生转化时，就将魔方此刻的坐标与初始方位比较，假如的确发生坐标改变，则经过赋值的方法把初始坐标和现在的坐标转化。为了处理魔方因“手指”夹不紧形成坠落的问题，在“手指”上放置橡胶垫，增大摩擦力。因为电机有引线，不可避免电机在旋转进程中发生缠线的问题，因此在一个动作完结后，就使电机旋转至原始方位。
5 结束语
在STM32处理器的技能上规划并完结了整个魔方机器人，研讨其机械结构、机械手色彩辨认等。最终经过算法规划得到魔方复原均匀步数为20步，机器人可以在均匀一分钟主动解算并复原魔方。该机器人本钱低，体积小、功能安稳、遍及性强，可以对环境有很强的习惯性。
参考文献：
[1]梁小龙. 解魔方算法的研讨和体系完结[D].东北大学,2013.
[2]郑雨辰,王婷.依据二阶段双向查找的解魔方机器人研讨[J].科技风,2017(05):2.
[3]蔡泽辉,郭立峰,揭宗昌.魔方机器人主动寻觅方案规划[J].电脑知识与技能,2010,6(16):4490-4492.
本文来源于《电子产品世界》2018年第11期第51页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
