一种智能魔方机器人

技术领域

本发明涉及教学机器人技术领域，尤其涉及一种智能魔方机器人。

背景技术

魔方是人们在业余时间十分喜欢的一种智力游戏，魔方不仅可以锻炼人的思维、空间想象、手脑联动等能力，而且会加强人们的学习能力，让业余生活变得更加多姿多彩。

目前，有关魔方的教程很多，然而大多采用书面教学的方式，不够直观，空间立体感不强的人学习起来比较困难。后来又发展出魔方机器人，但是现有的魔方机器人功能不够完善，主要是魔方识别率低，导致复原速度较慢，并且兼容性不高。另外，大多数魔方机器人只具有魔方复原的能力，而不具备打乱魔方的功能，每次复原后需要人为操作打乱魔方。还有的魔方机器人因结构复杂、占空间大、制造成本高，因此不适合推广使用。

发明内容

本发明提供了一种智能魔方机器人，能够模拟人手动作，且魔方复原速度快，同时还具有打乱魔方的功能，可以实现更好的教学效果；并且结构简单、制造成本低，适合推广应用。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种智能魔方机器人，包括魔方拧动机构及控制系统；所述魔方拧动机构由底座及设于底座上的4组平移旋转装置组成，4组平称旋转装置沿水平的纵、横方向两两相对设置；每组平移旋转装置均包括步进电机、曲柄连杆机构、舵机及魔方卡爪；所述步进电机的输出轴通过曲柄连杆机构连接舵机，并能够使舵机沿纵向或横向水平移动，所述舵机的输出轴连接魔方卡爪，并能够带动魔方卡爪绕水平轴线转动；所述魔方卡爪用于夹紧魔方；所述控制系统分别连接各组平移旋转装置中的步进电机与舵机。

所述底座为十字形框架结构，十字形框架的顶部沿横向和纵向分别设直线导轨；所述舵机安装在舵机保持架上，舵机保持架的底部设滑块与对应的直线导轨配合滑动。

所述底座由铝合金型材制成。

所述步进电机通过步进电机保持架固定在底座上。

所述曲柄连杆机构由曲柄及连杆组成，曲柄的一端与步进电机的输出轴固定连接，另一端与连杆的一端铰接，连杆的另一端与对应的滑块铰接。

所述步进电机为两相步进电机，其步距角为1.8°，额定电流为1.7A,扭矩为420mN·m。

所述舵机为HL-ZX01S/HL-ZX01D总线舵机，转动速度为0.16sec/60°，转动精度为0.24°。

所述控制系统由主控制器、开发板、usb转ttl模块组成；所述开发板、usb转ttl模块分别连接主控制器。

所述主控制器为树莓派3b+主控制器；所述开发板采用arduino uno开发板。

一种智能魔方机器人，还包括摄像头、CNC电机拓展板及电源；所述摄像头为4个，一一对应设于4个魔方卡爪的外上方，所述摄像头、CNC电机拓展板分别连接控制系统；CNC电机拓展板另外连接各个步进电机；所述电源为步进电机、舵机及控制系统供电。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

具有模拟人手动作的功能，魔方复原速度快，还具有打乱魔方的功能，可以实现更好的教学效果；并且结构简单、制造成本低，适合推广应用。

附图说明

图1是本发明所述一种智能魔方机器人的等轴测视图。

图2是本发明所述一种智能魔方机器人的主视图。

图3是图2的俯视图。

图4是本发明所述一种智能魔方机器人的控制原理框图一。

图5是本发明所述一种智能魔方机器人的控制原理框图二。

图中：1.底座 2.步进电机 3.步进电机保持架 4.曲柄 5.连杆 6.直线导轨 7.滑块 8.舵机保持架 9.舵机 10.魔方卡爪

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

如图1-图3所示，本发明所述一种智能魔方机器人，包括魔方拧动机构及控制系统；所述魔方拧动机构由底座1及设于底座1上的4组平移旋转装置组成，4组平称旋转装置沿水平的纵、横方向两两相对设置；每组平移旋转装置均包括步进电机2、曲柄连杆机构、舵机9及魔方卡爪10；所述步进电机2的输出轴通过曲柄连杆机构连接舵机9，并能够使舵机9沿纵向或横向水平移动，所述舵机9的输出轴连接魔方卡爪10，并能够带动魔方卡爪10绕水平轴线转动；所述魔方卡爪10用于夹紧魔方；所述控制系统分别连接各组平移旋转装置中的步进电机2与舵机9。

所述底座1为十字形框架结构，十字形框架的顶部沿横向和纵向分别设直线导轨6；所述舵机9安装在舵机保持架8上，舵机保持架8的底部设滑块7与对应的直线导轨6配合滑动。

所述底座1由铝合金型材制成。

所述步进电机2通过步进电机保持架3固定在底座1上。

所述曲柄连杆机构由曲柄4及连杆5组成，曲柄4的一端与步进电机2的输出轴固定连接，另一端与连杆5的一端铰接，连杆5的另一端与对应的滑块7铰接。

所述步进电机2为两相步进电机，其步距角为1.8°，额定电流为1.7A,扭矩为420mN·m。

所述舵机9为HL-ZX01S/HL-ZX01D总线舵机，转动速度为0.16sec/60°，转动精度为0.24°。

所述控制系统由主控制器、开发板、usb转ttl模块组成；所述开发板、usb转ttl模块分别连接主控制器。

所述主控制器为树莓派3b+主控制器；所述开发板采用arduino uno开发板。

一种智能魔方机器人，还包括摄像头、CNC电机拓展板及电源；所述摄像头为4个，一一对应设于4个魔方卡爪10的外上方，所述摄像头、CNC电机拓展板分别连接控制系统；CNC电机拓展板另外连接各个步进电机；所述电源为步进电机、舵机及控制系统供电。

本发明所述一种智能魔方机器人，采用十字交叉立体结构，观察空间大，方便从各个角度观察魔方的复原过程，从而提高教学的效果。

为了更加直观地展现魔方的复原过程，本发明应用了人工智能中的视觉识别，通过二阶段算法实现磨方机器人自主完成求解，并模拟人手动作对魔方的六个面进行还原，并且可采用不同方法还原魔方，还原过程可直观的展现出来，让学习魔方的人能够更好的了解。此外，还可以通过控制魔方的转动速度，让学习魔方的人能够清楚每一步的转动顺序。

此外，本发明所述一种智能魔方机器人还具有魔方的打乱功能，从而使魔方的复原每次都不一样，实现在各种情况下魔方的复原。从而有效节约人为打乱魔方的时间，在比赛时能够确保比赛的公平性。

能够自主还原并且转动速度可调，这些对于魔方的初学者来说无疑是十分重要的。这些功能需要对魔方机器人的控制系统进行相应的开发，即将魔方拧动结构、视觉输入系统、核心计算部分整合在一起，同时需要将机械、电子控制部分及硬件部分结合在一起。

以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

【实施例】

本实施例中，一种智能魔方机器人由如下部分组成：

一、硬件设计；

1、主控制器；

1)功能介绍；

本实施例中，采用树莓派3b+作为核心主控制器，其功能在于将其他的控制电路进行总汇和，并进行总的计算处理；主控制器内置四个usb串口，可以分别连接arduino、usb转ttl模块，以及调试设备(如鼠标、键盘等)，主控制器内部自带一个屏线可以直接与摄像头相连，这样就可以对来自于不同设备的信息进行统一处理，并将其计算的结果反馈给各部件的控制电路，控制各部件完成指定的功能；

2)计算方式；

树莓派本身采用raspbian系统，安装了python2.7设计语言软件后即可进行主程序的编写，运算速度1.2hz，能够在很短的时间内完成魔方的结算。并将结算的结果传输成不同的控制信号进行反馈。

2、Arduino嵌入式控制；

开发板的型号及功能；

本实施例中，智能魔方机器人采用的arduino uno开发板，主要用于控制4个步进电机的形态、运动速度、运动方式及通断状态。

3、总线舵机；

舵机的参数和选型依据：

本实施例，采用杭州海灵智电科技有限公司生产的HL-ZX01D总线舵机，转动速度为0.16sec/60度(4.8v)，转动精度为0.24°；控制方式采用串口指令，通过位置、电压、温度进行反馈，实现闭环控制。能够随时检测魔方的位置和各个面旋转之后的相对位置，为顺利拧动魔方提供了很好的保证。

4、步进电机；

1)电气特性：

步进电机采用两相步进电机，其步距角为1.8°，额定电流1.7A，扭矩为420mN.m，能够很好地保证前后推动舵机时克服摩擦阻力，性能稳定，并且能够长时间的运转。

2)控制方法；

步进电机采用脉冲信号控制，根据已知的accle控制库的相关控制理论及控制方法，通过arduino处理后发出的脉冲信号，实现步进电机输出轴的旋转，再通过曲柄连杆机构实现传动。

5、CNC拓展板；

选择原因：

由于arduino uno开发板上的引脚数量有限，无法完成4个步进电机及相关接口的控制，所以需要一个拓展板来完成所需要的控制功能，另外可以将电源所提供的电力直接用于其他元件的供电。

相关引脚及功能介绍

CNC扩展板可以支持A4988、DRV8825等步进电机驱动板。

Arduino 8引脚----------cnc拓展板EN(所有使能有效)

Arduino 5引脚----------cnc拓展板X.DIR

Arduino 2引脚----------cnc拓展板X.STEP

Arduino 6引脚----------cnc拓展板Y.DIR

Arduino 3引脚----------cnc拓展板Y.STEP

Arduino 7引脚----------cnc拓展板Z.DIR

Arduino 4引脚----------cnc拓展板Z.STEP

二、控制策略；

如图4所示，复原魔方时，舵机自动复位，然后步进电机带动舵机前移，通过魔方卡爪夹住魔方，通过摄像头读取第一个面的颜色块信息，旋转，之后重复颜色识别及旋转过程，直到扫描完魔方的六个面。利用六个面的颜色信息，通过二阶段算法解算出还原步骤，然后通过下达控制指令控制4个舵机按顺序转动，在魔方翻转过程中，只通过其中一个魔方卡爪夹住魔方进行旋转，其它魔方卡爪由步进电机带动后退；控制关系如下：

主控制器→Arduino uno开发板→cnc拓展板→步进电机；

主控制器→USB转TTL模块→舵机；

如图5所示，打乱魔方时，控制系统随时生成多个打乱顺序，按顺序拧动魔方进行打乱操作。

三、机械部分；

智能魔方机器人中，魔方拧动机构为机械传动结构，主要功能由4组平移旋转装置实现；每组平移旋转装置中，步进电机、曲柄连杆机构用于实现舵机的平移，采用曲柄连杆传动的原理，将电机轴的旋转运动变为直线运动。舵机用于实现魔方卡爪的旋转。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。