这个机器人还原魔方，只需八秒！

机械结构篇

1）结构组成

机械结构包括亚克力底板1安装电路，铝型材机架2支撑两个机械臂和固定摄像头，电机支架3固定电机位置，滑环支架4固定气滑环，魔方调整板6调整魔方内部结构，57闭环步进电机7保证魔方旋转精度，联轴器8传递电机输出轴扭矩到平面轴10。

气滑环9旋转并传递气路，平面轴10通过型面配合传递扭矩到安装板11，导轨滑台气缸12通过螺栓与手指13连接，铜柱14连接气滑环9旋转部分与连接板11，铜柱15连接连接板11与导轨滑台气缸12，摄像头16采集魔方信息。

2) 具体实施方案

首先，摄像头16采集魔方信息，然后，下位机获取魔方转动指令控制电机7转动，联轴器8将电机输出轴扭矩传递到平面轴10，平面轴10与连接板11通过型面连接将扭矩传递到连接板11，铜柱15连接连接板11与滑台气缸12，连接板11将扭矩传递到滑台气缸12。

下位机获取手指闭合指令，为了避免手指在旋转过程中气路出现打结的情况，采用气滑环将气从滑环固定部分传递到滑环旋转部分，再传到旋转气缸手指机构控制手指做开合动作。

上位机部分

1）颜色识别

颜色识别效果图

四个USB工业摄像头，一次性采集魔方六个面的颜色。

基于Opencv下的用SVM图像分类直接训练分类器识别。首先是SVM分类器的训练：在不同光照情况，不同位置采集到每个颜色大概100张10*10的小矩形图片；人工把颜色分类好，打上标记，送入分类器分类；训练得到分类器；之后每一次识别调用分类器识别即可。

2）解算

动作	用时（ms）
气缸闭合	125
空转90⁰	53
拧动90⁰	54
拧动180⁰	90
带动90⁰	111
带动180⁰	195

采用二阶段算法对魔方进行解算，获得六个面都可以转动的求解步骤。然后将六个面的求解步骤转化到两只手还原魔方的机械步骤当中。

因为不同步骤时间相差较大，步骤最小不一定时间最短，所以转换算法采用的是时间最短的深度优先搜索算法。

3）UI

上位机界面图

在指定区域识别魔方颜色，并且可以通过鼠标修改识别颜色的区域。

可以在线采集颜色数据，点击get_photo1会弹出摄像头中的图片，通过鼠标点击即可采集到10*10的小矩形图片，训练SVM分类器。

下位机部分

1）下位机方案示意图

2）整体系统运行流程图

上图描述了该魔方机器人在开始运行后所要经历的过程，分为三部分，第一部分为上位机采集数据，解魔方数据发给下位机。

第二部分为下位机接收解魔方步骤，控制电机和气缸。第三部分，气缸和电机开始运行，解魔方开始。

3）硬件结构

硬件结构分为单片机开发板，电机，气缸。单片机使用的是STM32F103RCT6，对于魔方机器人的控制需求来说是完全能够驾驭的。

电机使用的闭环57步进电机，力矩足够大，速度足够快，能够满足结构上所需要的力矩要求，并且电机是闭环控制的，它的精度足够高，产生的误差会很小。气缸使用的是导轨滑台手指气缸，夹持力19N，符合夹持需求。

4）控制算法及其结构优化

在实际的电机和气缸控制中，由于物理方面的因素，需要一些优化的方法。电机的转动根据俩个气缸是否夹持可以分为空转，拧动，带动三个不同的电机转动状态。

其中空转和拧动状态受到干扰的影响较小，但是带动状态由于魔方本身的松紧程度，在魔方转动时由于电机的加速度过快，魔方会产生滑动，主要的优化办法是减小电机的加速度，在电机加速中采用曲线加减速,能够有效减少加速度，让电机能够更平缓的转动，减少魔方的滑动。

视频效果

-END-

大家好，我是张巧龙，一名教电子的大学老师，欢迎关注！

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