這個機器人還原魔方，只需八秒！

時間：2021-08-19 16:07:08

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[導讀]機械結(jié)構(gòu)篇1）結(jié)構(gòu)組成??機械結(jié)構(gòu)包括亞克力底板1安裝電路，鋁型材機架2支撐兩個機械臂和固定攝像頭，電機支架3固定電機位置，滑環(huán)支架4固定氣滑環(huán)，魔方調(diào)整板6調(diào)整魔方內(nèi)部結(jié)構(gòu)，57閉環(huán)步進電機7保證魔方旋轉(zhuǎn)精度，聯(lián)軸器8傳遞電機輸出軸扭矩到平面軸10。氣滑環(huán)9旋轉(zhuǎn)并傳遞氣路，平面...

機械結(jié)構(gòu)篇

1）結(jié)構(gòu)組成

機械結(jié)構(gòu)包括亞克力底板1安裝電路，鋁型材機架2支撐兩個機械臂和固定攝像頭，電機支架3固定電機位置，滑環(huán)支架4固定氣滑環(huán)，魔方調(diào)整板6調(diào)整魔方內(nèi)部結(jié)構(gòu)，57閉環(huán)步進電機7保證魔方旋轉(zhuǎn)精度，聯(lián)軸器8傳遞電機輸出軸扭矩到平面軸10。

氣滑環(huán)9旋轉(zhuǎn)并傳遞氣路，平面軸10通過型面配合傳遞扭矩到安裝板11，導軌滑臺氣缸12通過螺栓與手指13連接，銅柱14連接氣滑環(huán)9旋轉(zhuǎn)部分與連接板11，銅柱15連接連接板11與導軌滑臺氣缸12，攝像頭16采集魔方信息。

2) 具體實施方案

首先，攝像頭16采集魔方信息，然后，下位機獲取魔方轉(zhuǎn)動指令控制電機7轉(zhuǎn)動，聯(lián)軸器8將電機輸出軸扭矩傳遞到平面軸10，平面軸10與連接板11通過型面連接將扭矩傳遞到連接板11，銅柱15連接連接板11與滑臺氣缸12，連接板11將扭矩傳遞到滑臺氣缸12。

下位機獲取手指閉合指令，為了避免手指在旋轉(zhuǎn)過程中氣路出現(xiàn)打結(jié)的情況，采用氣滑環(huán)將氣從滑環(huán)固定部分傳遞到滑環(huán)旋轉(zhuǎn)部分，再傳到旋轉(zhuǎn)氣缸手指機構(gòu)控制手指做開合動作。

上位機部分

1）顏色識別

顏色識別效果圖

四個USB工業(yè)攝像頭，一次性采集魔方六個面的顏色。

基于Opencv下的用SVM圖像分類直接訓練分類器識別。首先是SVM分類器的訓練：在不同光照情況，不同位置采集到每個顏色大概100張10*10的小矩形圖片；人工把顏色分類好，打上標記，送入分類器分類；訓練得到分類器；之后每一次識別調(diào)用分類器識別即可。

2）解算

動作	用時（ms）
氣缸閉合	125
空轉(zhuǎn)90?	53
擰動90?	54
擰動180?	90
帶動90?	111
帶動180?	195

采用二階段算法對魔方進行解算，獲得六個面都可以轉(zhuǎn)動的求解步驟。然后將六個面的求解步驟轉(zhuǎn)化到兩只手還原魔方的機械步驟當中。

因為不同步驟時間相差較大，步驟最小不一定時間最短，所以轉(zhuǎn)換算法采用的是時間最短的深度優(yōu)先搜索算法。

3）UI

上位機界面圖

在指定區(qū)域識別魔方顏色，并且可以通過鼠標修改識別顏色的區(qū)域。

可以在線采集顏色數(shù)據(jù)，點擊get_photo1會彈出攝像頭中的圖片，通過鼠標點擊即可采集到10*10的小矩形圖片，訓練SVM分類器。

下位機部分

1）下位機方案示意圖

2）整體系統(tǒng)運行流程圖

上圖描述了該魔方機器人在開始運行后所要經(jīng)歷的過程，分為三部分，第一部分為上位機采集數(shù)據(jù)，解魔方數(shù)據(jù)發(fā)給下位機。

第二部分為下位機接收解魔方步驟，控制電機和氣缸。第三部分，氣缸和電機開始運行，解魔方開始。

3）硬件結(jié)構(gòu)

硬件結(jié)構(gòu)分為單片機開發(fā)板，電機，氣缸。單片機使用的是STM32F103RCT6，對于魔方機器人的控制需求來說是完全能夠駕馭的。

電機使用的閉環(huán)57步進電機，力矩足夠大，速度足夠快，能夠滿足結(jié)構(gòu)上所需要的力矩要求，并且電機是閉環(huán)控制的，它的精度足夠高，產(chǎn)生的誤差會很小。氣缸使用的是導軌滑臺手指氣缸，夾持力19N，符合夾持需求。

4）控制算法及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在實際的電機和氣缸控制中，由于物理方面的因素，需要一些優(yōu)化的方法。電機的轉(zhuǎn)動根據(jù)倆個氣缸是否夾持可以分為空轉(zhuǎn)，擰動，帶動三個不同的電機轉(zhuǎn)動狀態(tài)。

其中空轉(zhuǎn)和擰動狀態(tài)受到干擾的影響較小，但是帶動狀態(tài)由于魔方本身的松緊程度，在魔方轉(zhuǎn)動時由于電機的加速度過快，魔方會產(chǎn)生滑動，主要的優(yōu)化辦法是減小電機的加速度，在電機加速中采用曲線加減速,能夠有效減少加速度，讓電機能夠更平緩的轉(zhuǎn)動，減少魔方的滑動。

視頻效果

-END-

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