双臂二指魔方机器人的制作(一)--总体设计
本文素材来源于广西大学 机械工程学院
作者:孙尹同 黄祖杰
指导老师:李俚
魔方,又名鲁比克方块,最早是由匈牙利布达佩斯建筑学院厄尔诺.鲁比克教授于1974年发明的机械益智玩具。魔方拥有竞速、盲拧、单拧等多种玩法,风靡程度至今未衰,每年都会举办大小赛事,是最受欢迎的智力游戏之一。
为此,我们应用探索者Rob-GS01的箱子搭建了一款可以自主还原魔方的娱乐型机器人。如果在居家拧魔方的过程中无法还原魔方,只需交给它便能在30s内完成还原。自认为是魔方高手的同学也可以人工手拧与机器人复原进行竞速比赛。 此作品占地体积小,为40x40x40cm,适用于安放在家庭的任何角落。供电仅需一台笔记本电脑外加一个固定电源。总体成本控制在人民币1000元以内,性价比高。 本作品原理可分为三个模块进行介绍,分别是机械结构、视觉识别和算法控制。
基础零件(铝制零件、舵机、步进电机、单片机控制板等)来自于探索者Rob-GS01机器人实验箱。Basra控制板,Bigfish扩展板 和 SH-ST步进扩展板用于执行算法,控制并 驱动舵机 和步进电机;搭建外部框架安放四个小型摄像头进行视觉识别。
视觉识别图像处理采用4个摄像头对魔方六个面进行颜色识别编码,本作品主要利用Open CV函数库对采集的图像进行选择、透射变换、色彩空间转换等操作后,通过kmeans聚类算法进行颜色分割,以减少外部噪声干扰,从而求出魔方不同情况下色块对应的编码。
接下来的任务交给算法控制;视觉识别给出的数组先传递给Kociemba二阶段算法,Kociemba二阶段算法通过该数组得到魔方每个面的情况,给出一个20~30步的解决方案,通过串口通讯传递给单片机。单片机内已通过机械手旋转方向变换,步进电机和舵机的转速参数等写好了拧魔方的具体程序。收到电脑通过串口发出的指令后立即执行,操作机械手使魔方成功还原。
本作品是一个融合了机器人视觉、图像处理技术、机器人控制技术和魔方还原算法等多学科知识的机电一体化设备。
双臂二指魔方机器人--总体设计
魔方机器人是机器人智能化的一种新体现,魔方机器人的机械结构设计以及还原算法的分析编译是该机器人的核心内容。
本文的双臂二指魔方机器人是基于探索者Rob-GS01、Open CV 来设计与制作,由本体机械结构、控制系统、外围数据采集装备(四方位摄像头、支架)组成,整体结构如图 2-1 所示。它涵盖了魔方颜色识别,还原步骤算法解析计算,机械手夹取系统以及机械臂旋转系统。主体机械结构由2只机械臂组成,通过“M”形框架搭建固定在支撑架上,在2组舵机和步进电动机的分别驱动下,实现机械臂的转动以及夹爪的夹取运动,从而实现魔方面的转动。
1.机械本体构成
主体机械结构由探索者 Rob-GS01 箱子中的铝制零件拼接。其他配件包括:3D 打印的二指机械手*2、42 步进电机*2、舵机*2、摄像头*4、杜邦线、补光灯、胶带(若干)。
2.控制系统构成
控制系统的上位机(电脑),用于连接摄像头进行视觉识别、图像处理、魔方还原方案的制定,确定魔方还原方案后,通过 USB 串口通讯将还原魔方的指令发送到下位机(单片机控制板)。下位机收到指令后即驱动机械手完成复原魔方的操作。
下位机所用的单片机控制板由探索者 Rob-GS01 箱子中的 Basra 控制板、Big fish 扩展板、SH-ST扩展板三块单板拼接而成,其中 Basra 控制板用于搭载程序,同时串口通讯接收电脑的指令,Big fish 扩展板用于连接舵机和传感器,SH-ST 扩展板连接锂电池供电,驱动步进电机使 机械手旋转。整机的操作流程如图2-2 所示。
3.外围数据采集装备
数据采集由四个方位的摄像头来完成,分别位于被夹持魔方的上、下、左、右。固定摄像机的框架采用探索者 Rob-GS01中的铝制零件拼接而成。
双臂二指魔方机器人--机械结构
目前魔方机器人的机械结构主要有类人双臂式和四轴旋转式2种类型,相比较之下,类人双臂式的魔方放机器人结构更为简单,控制系统协调度更高,成本更低。该魔方机器人复原过程需要2只机械手同时工作,相互配合运动来完成相应复原转动的动作。为使机械手能够互相独立工作,做回转运动时互不干扰,机械手需满足手臂的中心线在同一平面且垂直,故机械臂采用双臂交叉正交结构,分别在魔方的两侧斜45°向上,从两侧支撑魔方。两机械手通过“M”形框架装夹固定在与水平桌面形成45°夹角的平面上,完成机械手臂以及夹爪的相应动作。
1.“M”形框架设计
框架决定了机械手配合的平稳性和协调性,因此在设计的过程中应用三角形的稳定性,决定将机械手对位斜 45°放置。安置机械手、步进电机、舵机的框架呈“M”形。这样的框架既能合理分担承重,又不会因机械手动作的振动而产生位移,相对稳定。
2.机械手结构设计
对于抓取魔方的机械手设计,传统的魔方还原机器人多选用五指结构,但其结构复杂,稳定性差,本文设计的魔方还原机器人采用二指结构,力量调节更方便,结构更简单,自身转动惯量较小,质量分布较均匀,更适合一边转动一边抓取。
如下图为本文设计的二指机械手。由于两个指尖的形状和材质会严重影响魔方还原速度,我们对机械手指采用ug软件进行了多版设计和 3D 打印,并确定了最终方案,机械手指内侧设还计了防滑纹,从两侧支撑魔方,从而减小因魔方自重在转动过程中产生的误差,保证机械手在夹取和松开时,魔方的准确位置。
3.器件的选型
根据设计要求,步进电机经联轴器连接机械手使其随输出轴顺、逆时针180°旋转;舵机顺、逆时针180°旋转带动一字摆臂使机械手手指松开或夹紧;具体的器件选型如下:
3.1步进电机的选型
步进电机相对于其它控制用途电机的最大区别是,它接收数字控制信号(电脉冲信号)并转化成与之相对应的角位移或直线位移,它本身就是一个完成数字模式转化的执行元件。机器人采用步进电机链接联轴器驱动机械手旋转。步进电机参数的选择主要考虑该机构框架尺寸以及步距角的大小。
3.2 舵机的选型
3.3整体框架的零件
本文设计的魔方机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,然后根据所设计的结构进行组装搭建。
3.4单片机控制板
单片机控制板、扩展板如图所示:
3.5结构制作过程
前后的整体结构共设计了两版。如下左图为第一版,右图为第二版。由于第一版结构对两只机械手的平衡配合产生了较大影响,所选取的探索者配套摄像头精度也有瑕疵。最终采用了辅助方案第二版。两只机械手配合灵活,执行力较强。
关于双臂二指魔方机器人的详细内容可参考双臂二指魔方机器人
-----------------------------------------------未完待续---------------------------------------------------
双臂二指魔方机器人的制作(一)--总体设计相关推荐
- 双臂二指魔方机器人的制作(二)--视觉识别
本文素材来源于广西大学 机械工程学院 作者:孙尹同 黄祖杰 指导老师:李俚 1.方案选择 根据硬件实际需求以及本团队能力需求,视觉颜色的识别是本项目的不可缺少的一部分,方案的选择主要有一下三种类型: ...
- 双臂二指魔方机器人的制作(三)--还原控制
本文素材来源于广西大学 机械工程学院 作者:孙尹同 黄祖杰 指导老师:李俚 魔方还原算法最早可以追溯到1980年捷克共和国的女大学生 Jessica Fridrich 发明的 CFOP 算法,目前这 ...
- 如何制作魔方机器人-00绪论
零.魔方机器人复原魔方效果 链接:https://pan.baidu.com/s/1h3ouxSBWX2H5geyZLaOt5A 提取码:9rt0 (视频4.35M) PS:只上传了百度云,没弄在其他 ...
- 魔方机器人(二)颜色识别
魔方机器人(二) 颜色识别 今天,就让我们来看看魔方的颜色识别是如何做到的.做图像处理的话我们可以用OpenCV(用到了颜色空间的转换RGB转HSV以及ROI区域提取),全称为Open Source ...
- 双臂魔方机器人的学习
说明: 本文章是对实验室魔方机器人程序的一个解读,主要包含python的机器学习,计算机视觉,内部函数的一些应用,通过学习此文章让您了解魔方机器人程序运行的步骤和工作过程. 第一部分--魔方六个面的采 ...
- 魔方机器人机械方面设计说明书
魔方机器人机械方面设计说明书 写在前面 总体情况 这是第二次接触实验班的项目,其实准确的来说还是应该说是第一次,因为第一次的小车项 目我参与的并不是很多,我当时仅仅是画了一个 Soiled works ...
- 魔方机器人大赛——总结感悟篇:干货篇
在之前的一年多里面,我基本上 都是在参加这个魔方机器人的比赛,第一次参加的时候这个比赛是第一届,在这里想总结一下这两次参赛得到的经验与知识. 1.算法部分 必备条件:二阶段算法,深度优先的搜索算法,O ...
- 基于Arduino、树莓派的两款解魔方机器人
历史的车轮一直在前进,时代总是在发展,在互联网时代,各种新技术层出不穷.其中,最具有实用性和创新性的便是21世纪比较热门的领域--机器人.本次将要制作的即为解魔方机器人,旨在成功地实现不同机械结构情况 ...
- 机械臂论文笔记(一)【基于卷积神经网络的二指机械手 抓取姿态生成研究 】
基于卷积神经网络的二指机械手 抓取姿态生成研究 论文下载 摘要 第1章 绪论 1.1 抓取生成国内外研究现状 1.1.1已知物体抓取生成 1.1.2相似物体抓取生成 1.1.3 未知物体抓取生成 1. ...
最新文章
- 从tcp到netty(一)
- oracle中导入导出数据备份数据库
- QQ音乐项目(OC版) - 实现细节
- 【BZOJ3451】Normal【期望线性性】【点分治】【NTT卷积】
- wurfl_比较OpenDDR与WURFL
- LeetCode 1962. 移除石子使总数最小(优先队列)
- es文本分析java代码_Elasticsearch系列---Java客户端代码Demo
- linux中内存管理方法的总结,Linux内存管理-free学习心得
- 智能设备破解的那些事儿
- SAP License:IMG子菜单
- 深度解析javascript中的浅复制和深复制
- 关于java的局部知识点总结
- Stata之数据录入
- 50个免费下载3D模型的站点
- 极客日报第 21 期:360 安全浏览器尝试收费;苹果macOS首次出现在云端
- 解决FAT32格式U盘安装win10时0x8007000D错误
- echarts中如何设置geo3D地图背景图片,以及geo3D中如何使用effectScatter属性
- 计算机软件基础自考实践报告,信息作战自考实践报告
- NLP数据增强;中文数据增强包;一键中文数据增强
- 深度学习系列之随机梯度下降(SGD)优化算法及可视化