作者 高達 北華大學機械工程學院(吉林省 吉林市 132021)

高達，男，1996-，黑龍江省佳木斯市同江市樂業鎮人，北華大學機械工程學院，大學本科生，主要從事機械裝備自動控制方面的研究。

摘要：基于STM32的雙臂魔方機器人能夠將任意打亂的三階魔方快速還原。在研究各種魔方機器人機構的基礎上，設計了一種體積小、速度快、性能穩定的機械結構，能使魔方機器人適應不同環境。

0 引言

　　魔方不僅是益智玩具，又是運動用品和教學用具。魔方競技逐步向復合型手、眼、腦協調運用等多樣化腦力運動方向發展。2010年10月，機器人Cubinator在18.2秒內還原魔方，成為當時世界上還原魔方速度最快的機器人。2011年6月由澳大利亞墨爾本斯威本科技大學研制的機器人Ruby還原解魔方僅用了10.18秒，并打破上述記錄。隨著計算機技術和人工智能等技術的發展，將魔方與智能機器人的結合，在科普領域取得了突破性的進展。還原魔方機器人是智能化機器人的一個全方面體現，對其算法和機構的研究也成為機器人技術的十分重要的研究內容，解魔方機器人整體的架構和多種變型模式也是近幾年來的熱點。

1 魔方機器人總體方案設計

　　基于STM32雙臂魔方機器人是一個能夠將任意打亂的三階魔方快速還原的機器人。它涉及魔方色塊數據采集、魔方還原步驟解算、機械手控制系統以及手臂旋轉系統。本文介紹的魔方機器人主要由兩組機械手臂組成，通過電機支座將兩個手臂固定在底座上，在電機和舵機的分別驅動下，模擬實現人手部和腕部的動作。舵機帶動聯桿轉動，進而驅動兩根機械手指在導軌上滑動，實現機械手指的夾緊和松開動作;伺服電機帶動支撐板轉動，實現機械手腕部轉動。攝像頭把魔方照片發送給主控處理、識別顏色，之后主控將魔方狀態序列發送給上位機解算。主控板通過伺服驅動器控制直流伺服電機轉動。魔方機器人根據上位機傳回的指令還原魔方。該機器人的最大特點是：完全由STM32控制、體積小、結構簡單、成本很低，能夠大量的普及。

2 整體結構設計

　　該機器人還原魔方的過程是通過兩只機械手臂配合完成的，機械手臂通過電機支座對向安裝在固定底座上，模擬人手腕和手指動作。舵機驅動機械手指直線運動，實現對魔方的夾緊與松開;伺服電機做回轉運動，實現魔方的回轉。

　　2.1 機械臂結構設計

　　機械臂主要由伺服電機、電機支座、編碼器等部件組成。電機支座采用聚乳酸(PLA)材料3D打印完成，為保證其強度，兩側分別設計有10 mm厚加強筋，電機支座與固定底座之間為螺栓聯接，保證機械手臂在運行過程中的穩定性。編碼器把角位移或直線位移轉換成電信號，再把這個電信號轉變成計數脈沖，用脈沖的個數表示位移的大小。

　　2.2 機械手結構設計

　　機械手主要由機械手指、導軌、聯桿、舵機、舵機固定座等部件組成。通過曲柄連桿機構使機械手指在導軌上做直線運動，動力由舵機供給。為保證機械手的剛度和強度，導軌和舵機固定座均采用Q235鋼制作而成。通過優化計算得出，兩手指間最小距離57 mm，最大距離為86 mm，單個手指的直線運動距離為14.5 mm，如圖2所示。

3 電氣系統設計

　　魔方機器人的電器控制系統主要包括控制中心、顏色識別模塊、電機驅動模塊。

　　3.1 控制中心

　　本作品中的主控芯片選用的是意法半導體公司的STM32F407ZET6，融高性能、實時性、數字信號處理、低功耗、低電壓于一身，同時保持高集成度和開發簡易的特點。具有多路PWM、ADC、UART等,最高72 MHz工作頻率。魔方機器人需要兩路PWM控制舵機，通過UART將上位機與主控芯片通信，故滿足魔方機器人的運動控制的需要。

　　3.2 顏色識別模塊

　　為了高效完成顏色數據采集，選用OpenMV攝像頭模塊。OpenMV上的機器視覺算法包括尋找色塊,滿足本作品中對魔方顏色信息的采集。OpenMV作為一個開源，低成本，功能強大的機器視覺模塊，以STM32F427CPU為核心，集成了OV7725攝像頭芯片，能將采集到的顏色數據高效地處理。

　　3.3 手臂旋轉模塊

　　選用的是型號為MD36P27的直流伺服電機，減速比1:27，額定扭矩為0.135 Kg?m 。根據相關參數計算電機扭矩0.135x3=0.405 Kg?m >0.192 Kg?m ，大于轉動時所需要的扭矩，故所選電機滿足要求。

　　3.4 手指張合模塊

　　為了滿足魔方手指張合快速，選擇JX-6221舵機在6 V電壓下力矩25.2 Kg?cm ，大于所要求的轉矩，完全滿足穩定夾持魔方的需求。

4 魔方顏色識別與解算

　　通過顏色識別模塊對魔方六個面進行拍照，提取出54個顏色信息，采用Kociemba 算法，優化傳統的通過設定閾值的顏色識別策略，通過上位機解算，完成解算后通過串口發送給STM32控制中心，將步驟優化，獲得還原魔方的最優解。

　　其中上位機是根據Cube Explorer 軟件開發的，Cube Explore是一個比較有名的軟件，這個軟件可以直接調用電腦上可用的攝像頭，魔方被掃描完成后就可以得出還原魔方的算法。此外Cube Explore有網絡端口，可以直接和下位機魔方機器人通訊。

　　根據魔方機器人的機械結構與夾持魔方的方式，對魔方的還原步驟一一對應在舵機與電機的動作上。有兩個基礎面，通過兩個手的動作分解，將魔方的其他面轉換到基礎面進行還原。在完成動作分解后，魔方初始位置發生轉變。因此在魔方每一次為坐標發生轉換時，就將魔方此時的坐標與初始位置比較，如果確實發生坐標轉變，則通過賦值的方式把初始坐標和現在的坐標轉換。為了解決魔方因“手指”夾不緊造成掉落的問題，在“手指”上放置橡膠墊，增大摩擦力。由于電機有引線，不可避免電機在旋轉過程中產生纏線的問題，因此在一個動作完成后，就使電機旋轉至原始位置。

5 結束語

　　在STM32處理器的技術上設計并完成了整個魔方機器人，研究其機械結構、機械手顏色識別等。最后通過算法設計得到魔方還原平均步數為20步，機器人能夠在平均一分鐘自動解算并還原魔方。該機器人成本低，體積小、性能穩定、普及性強，能夠對環境有很強的適應性。

　　參考文獻：

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　　[3]蔡澤輝,郭立峰,揭宗昌.魔方機器人自動尋找方案設計[J].電腦知識與技術,2010,6(16):4490-4492.

　　本文來源于《電子產品世界》2018年第11期第51頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。