唐日成 宋偉 李澤萱 滕旭陽 鄭藝彬

摘要：本設(shè)計由特定攝像頭作為顏色識別系統(tǒng)，采用兩機械臂的操作方式，以機械爪作為操作設(shè)備，對魔方進行還原的操作。機械控制作為解魔方機器人的核心模塊之一，是機械結(jié)構(gòu)與算法的橋梁。

關(guān)鍵詞：Arduino單片機；魔方算法；機器人

中圖分類號：TP302 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）17-0267-02

機器人技術(shù)的不斷發(fā)展與進步，可以說是各項科學技術(shù)共同發(fā)展所得到的一個綜合性的結(jié)果，同時，機器人這門科學技術(shù)對社會經(jīng)濟的發(fā)展產(chǎn)生了一個巨大的推進作用。它的發(fā)展主要歸功于在第二次世界大戰(zhàn)中，各國加強了經(jīng)濟的投入，同時也就就推進了本國的經(jīng)濟的發(fā)展。同時，科技的發(fā)展也是人類發(fā)展的一個必然結(jié)果，機器人技術(shù)當然也就是科技發(fā)展的一項產(chǎn)物。另一方面，這也是人類生產(chǎn)力需求的必然結(jié)果。隨著社會的發(fā)展，對這個世界，對自然的更多的認識，在人力不可達到不可完成的對自然改造的情況下，科技發(fā)展，機器人技術(shù)的發(fā)展就成為人類的一個客觀需要。本設(shè)計將完成既可以用于教育行業(yè)作為典型的機器人教學教具，它還可以用于娛樂業(yè)作為顯示和性能的機器人，并且還可以產(chǎn)生一些經(jīng)濟效益。魔方機器人的解決方案是利用數(shù)字舵機的顏色識別和精確控制。對于解魔方機器人，控制系統(tǒng)就如同人的神經(jīng)中樞，它起著承接算法與機械結(jié)構(gòu)的作用。本文將從機械控制部分進行論述。

1 初步設(shè)計分析

世界各地的公司和魔方愛好者都生產(chǎn)了各種魔方機器人，最快的解決魔方機器人"SUB1重裝"0.637秒恢復三階魔方，并創(chuàng)造吉尼斯世界紀錄的魔方。機器人由麻省理工學院（麻省理工學院）研究由Ben Katz和Jared Di Carlo創(chuàng)建，他們采用了摩根交叉直線電機。這種電機具有高速、高精度、和高扭矩的特點，但價格比較昂貴。此次我們打算設(shè)計一款低成本，簡單并且體積較小的解魔方機器人。我們以圖像傳感器作為識別工具，使用兩個機械臂作為魔方的反轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)的操作工具?？刂撇糠植捎盟膫€轉(zhuǎn)向機構(gòu)來控制機械手的轉(zhuǎn)動和機械爪的抓取。阿杜諾控制舵，實現(xiàn)算法與機械動作的結(jié)合。由于體積較小所以需要對于抓取的精度和舵機轉(zhuǎn)動的速度要有比較精確的操控。圖1是控制流程圖。

2 硬件軟件基礎(chǔ)分析

2.1 Arduino單片機

它是建立在開源simple I/O接口和具有處理/路由類似于java和c語言開發(fā)環(huán)境。主要有兩部分：硬件部分是ARDUNO電路板，可以用于電路連接；軟件的另一部分是ARDUNO IDE，這是計算機中的程序開發(fā)環(huán)境。單片機上的單片機可以通過ARDUINO編程語言編程，編譯成二進制文件并燒成單片機。它沒有復雜的單片機底層代碼，沒有難懂的匯編程序，而是一個簡單實用的函數(shù)。此外，它具有很大的自由度。它可以很好地擴展性能。因此我們決定用Arduino作為我們魔方機器人的開源硬件基礎(chǔ)。

2.2 ARDUION-MEGA2560

ARDUIO MEGA2560是采用USB接口的核心電路板，可以簡單地使用USB連接計算機或使用AC和DC變壓器。操作簡單，人性化。開源方便，比較適用于控制本設(shè)計的四路舵機，因為Arduino Mega 2560具有Aduino UNO的所有功能并且由于UNO的IO接口較少，于是最終選用Arduino Mega2560作為本設(shè)計的主控板。

2.3 Arduino IDE

ARDUINO IDE是ARDUNO開源代碼的集成開發(fā)環(huán)境，具有簡單的語法和易于下載的程序，使得ARDUNO程序開發(fā)非常方便。

2.4 模擬舵機

主要由馬達，減速齒輪以及控制電路組成，當舵機接受50Hz的PWM脈沖時，相當于馬達接收每秒產(chǎn)生50次的驅(qū)動力，當改變PWM的脈沖寬度時，使得馬達接收到的驅(qū)動力變化，從而實現(xiàn)舵機的角度變化。模擬舵機對于較"細小"的動作的處理不夠靈敏，甚至有時候根本就沒有處理。

2.5 數(shù)字舵機LD-1501MG

它是由直流電機、減速齒輪組、傳感器和控制電路組成的一套自動控制系統(tǒng)。通過發(fā)送PWM信號，指定輸出軸的旋轉(zhuǎn)角度。普通直流電機不能反饋旋轉(zhuǎn)角度信息，數(shù)字舵機可以。仿真舵機的精度不高。需要持續(xù)發(fā)射PWM脈沖，而數(shù)字舵機的旋轉(zhuǎn)角度只在一定角度之間，結(jié)合項目特點要求電機可以精確控制魔方旋轉(zhuǎn)90度、180度，故本設(shè)計驅(qū)動電機選擇步進電機，這是一種專門為機器人設(shè)計的數(shù)字式操舵裝置。它只需要發(fā)送一個信號來鎖定角度?？刂凭雀撸€性度好且系供應速度快。（配合機械爪實現(xiàn)對魔方的操作）

3 由算法到機械動作的轉(zhuǎn)換

算法計算完魔方的還原動作為固定魔方的中心塊位置，每一面順時針旋轉(zhuǎn)90度，180度或者270度。由于只有兩個面可以被操作，便需要在有效旋轉(zhuǎn)動作之間加上翻轉(zhuǎn)至操作面的動作，轉(zhuǎn)換為機械步驟時可將要旋轉(zhuǎn)的面先通過機械臂拉動翻轉(zhuǎn)到操作面，再進行旋轉(zhuǎn)，我們對于算法進一步改良后，不需要完成步驟操作后再將魔方返回到front初始位置，每次操作后都會有新的front面，逐步完成操作直至將魔方恢復還原。

4 總結(jié)

本文主要闡述了對于此次設(shè)計的解魔方機器人從總體設(shè)計到單片機型號選取、舵機選取、取像設(shè)備選取，再到解魔方算法于舵機實際控制操作的實現(xiàn)。下面附上一張作品圖片以供參考：

參考文獻：

[1] 李永華，王思野，喬媛媛.Arduino案例實戰(zhàn)（卷Ⅰ）/清華開發(fā)者書庫[M].北京：清華大學出版社，2017：42

[2] 嚴蔚敏，吳偉民.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（C語言版）[M].北京：清華大學出版社，2011.

[3] 劉遠法，周屹.基于Arduino單片機的解魔方機器人-控制部分[J].電腦知識與技術(shù)，2016，12（7）：1-3.