基于STM32雙臂魔方機器人的設計

作者 高達 北華大學(xué)機械工程學(xué)院(吉林省 吉林市 132021)

高達，男，1996-，黑龍江省佳木斯市同江市樂(lè )業(yè)鎮人，北華大學(xué)機械工程學(xué)院，大學(xué)本科生，主要從事機械裝備自動(dòng)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(huán)境。

0 引言

　　魔方不僅是益智玩具，又是運動(dòng)用品和教學(xué)用具。魔方競技逐步向復合型手、眼、腦協(xié)調運用等多樣化腦力運動(dòng)方向發(fā)展。2010年10月，機器人Cubinator在18.2秒內還原魔方，成為當時(shí)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(xué)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(zhù)計算機技術(shù)和人工智能等技術(shù)的發(fā)展，將魔方與智能機器人的結合，在科普領(lǐng)域取得了突破性的進(jìn)展。還原魔方機器人是智能化機器人的一個(gè)全方面體現，對其算法和機構的研究也成為機器人技術(shù)的十分重要的研究?jì)热?，解魔方機器人整體的架構和多種變型模式也是近幾年來(lái)的熱點(diǎn)。

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(gè)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(guò)電機支座將兩個(gè)手臂固定在底座上，在電機和舵機的分別驅動(dòng)下，模擬實(shí)現人手部和腕部的動(dòng)作。舵機帶動(dòng)聯(lián)桿轉動(dòng)，進(jìn)而驅動(dòng)兩根機械手指在導軌上滑動(dòng)，實(shí)現機械手指的夾緊和松開(kāi)動(dòng)作;伺服電機帶動(dòng)支撐板轉動(dòng)，實(shí)現機械手腕部轉動(dòng)。攝像頭把魔方照片發(fā)送給主控處理、識別顏色，之后主控將魔方狀態(tài)序列發(fā)送給上位機解算。主控板通過(guò)伺服驅動(dòng)器控制直流伺服電機轉動(dòng)。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(diǎn)是：完全由STM32控制、體積小、結構簡(jiǎn)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(guò)程是通過(guò)兩只機械手臂配合完成的，機械手臂通過(guò)電機支座對向安裝在固定底座上，模擬人手腕和手指動(dòng)作。舵機驅動(dòng)機械手指直線(xiàn)運動(dòng)，實(shí)現對魔方的夾緊與松開(kāi);伺服電機做回轉運動(dòng)，實(shí)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(lián)接，保證機械手臂在運行過(guò)程中的穩定性。編碼器把角位移或直線(xiàn)位移轉換成電信號，再把這個(gè)電信號轉變成計數脈沖，用脈沖的個(gè)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(lián)桿、舵機、舵機固定座等部件組成。通過(guò)曲柄連桿機構使機械手指在導軌上做直線(xiàn)運動(dòng)，動(dòng)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(guò)優(yōu)化計算得出，兩手指間最小距離57 mm，最大距離為86 mm，單個(gè)手指的直線(xiàn)運動(dòng)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(dòng)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(shí)時(shí)性、數字信號處理、低功耗、低電壓于一身，同時(shí)保持高集成度和開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)易的特點(diǎn)。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(guò)UART將上位機與主控芯片通信，故滿(mǎn)足魔方機器人的運動(dòng)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(jué)算法包括尋找色塊,滿(mǎn)足本作品中對魔方顏色信息的采集。OpenMV作為一個(gè)開(kāi)源，低成本，功能強大的機器視覺(jué)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(guān)參數計算電機扭矩0.135x3=0.405 Kg?m >0.192 Kg?m ，大于轉動(dòng)時(shí)所需要的扭矩，故所選電機滿(mǎn)足要求。

　　3.4 手指張合模塊

　　為了滿(mǎn)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(mǎn)足穩定夾持魔方的需求。

4 魔方顏色識別與解算

　　通過(guò)顏色識別模塊對魔方六個(gè)面進(jìn)行拍照，提取出54個(gè)顏色信息，采用Kociemba 算法，優(yōu)化傳統的通過(guò)設定閾值的顏色識別策略，通過(guò)上位機解算，完成解算后通過(guò)串口發(fā)送給STM32控制中心，將步驟優(yōu)化，獲得還原魔方的最優(yōu)解。

　　其中上位機是根據Cube Explorer 軟件開(kāi)發(fā)的，Cube Explore是一個(gè)比較有名的軟件，這個(gè)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(wǎng)絡(luò )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(dòng)作上。有兩個(gè)基礎面，通過(guò)兩個(gè)手的動(dòng)作分解，將魔方的其他面轉換到基礎面進(jìn)行還原。在完成動(dòng)作分解后，魔方初始位置發(fā)生轉變。因此在魔方每一次為坐標發(fā)生轉換時(shí)，就將魔方此時(shí)的坐標與初始位置比較，如果確實(shí)發(fā)生坐標轉變，則通過(guò)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(wèn)題，在“手指”上放置橡膠墊，增大摩擦力。由于電機有引線(xiàn)，不可避免電機在旋轉過(guò)程中產(chǎn)生纏線(xiàn)的問(wèn)題，因此在一個(gè)動(dòng)作完成后，就使電機旋轉至原始位置。

5 結束語(yǔ)

　　在STM32處理器的技術(shù)上設計并完成了整個(gè)魔方機器人，研究其機械結構、機械手顏色識別等。最后通過(guò)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(dòng)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(huán)境有很強的適應性。

　　參考文獻：

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第11期第51頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。