《解魔方机器人的算法与结构研究》。26页PPT

一种多杆系机构“推拉式”解魔方机器人设计与研究作者：姚宇菲来源：《科技创新与应用》2017年第07期摘要：文章提出一种解魔方机器人方案，包含齿轮，电机，多杆系机构，旋转机构和颜色扫描机构以及电子设备组成，可实现打乱后的魔方按照既定的算法进行自动复位。

另外文章对当前解魔方机器人关键技术进行探讨，指出了机器人技术是未来技术发展的方向。

关键词：机器人；结构设计；解魔方1 概述近年来，随着三维数字化设计和计算机技术的飞速发展，机器人设计和制造技术得到了迅猛发展[1，2]，广泛应用在工业机械、日用品和科学研究当中。

同时，社会对机器人研发也越来越重视，各类机器人的研制方兴未艾。

魔方是重要的益智玩具，近年来一直受到社会魔方爱好者以及科研工作者关注，然而依靠人工求解和翻转魔方步骤繁多，难度极大，于是用于解魔方的机器人的研制逐步得到社会重视。

现有市场上的普通解魔方机器人翻转，运动笨拙，显示度低。

或者颜色扫描机构与魔方旋转机构未能集成，智能化程度低，对轻巧型解魔方机器人进行设计研究逐渐成为科技界研究热点。

2 方法原理为了实现机器人轻质化和简洁化的目标，我们根据电机和魔方的尺寸，设计了一种齿轮驱动摇臂式双连杆机构。

机构原理图见图1。

具体实现方式为：通过电机1的驱动带动齿轮，再通过摇臂带动连杆拉动魔方，当魔方转动到一定角度的时候再反方向驱动电机1将魔方推入托盘，实现魔方绕X向转动。

然后通过电机2驱动托盘带动魔方绕Y轴转动。

以此类推，实现所有面的翻转。

转动间隙驱动电机3带动颜色扫描结构随时检查魔方颜色状态，最终通过计算机程序识别魔方翻转正确性。

3 详细方案3.1 详细结构设计本文详细方案的详细组成包括整体底座（1），设备安装盒（2），从动齿轮（3），驱动齿轮（4），驱动鹅颈（5），翻转长杆（6），从动鹅颈（7），连接杆（8），魔方支座（9），旋转电机转接法兰盘（10），驱动电机转接法兰盘（11），异形螺母（12），驱动轴（13），从动长轴（14），从动短轴（15），圆形螺母（16），颜色扫描元件（17），颜色扫描元件支架（18），翻转机构驱动电机（19），旋转机构驱动电机（20），颜色扫描机构驱动电机（21），综合控制单元（22），测控控制单元（23），电源单元（24），通讯单元（25）。

好奇解魔方机器人版本信息：1.1 在1.0的基础上增加了自动颜色校正，优化了执行程序，增加模拟魔方变化配置1、技术背景看了网上的各种乐高的解魔方机器人，参照着做了，但是结果总是不尽如意，分析起来存在如下问题：1.在进行魔方旋转时，没有通过软件或者硬件手段对旋转的角度进行校正。

如果采用分层复原算法，对于一般的魔方，大概有100多步，再转换成魔方机器人能够操作的步骤，大概有300多步，要完成300多步的准确操作，在没有人工干预的情况下，对于NXT控制的电机来说基本是不可能的。

至于其它求解魔方的更优算法，目前网上我还没有找到公开的资料，如果哪位大神，能够有更好的算法，希望不吝赐教。

2.在复原魔方时只是单纯的通过蓝牙驱动电机，关于蓝牙驱动电机的每个命令，我都进行了测试，效果都不太理想，很难将电机控制到比较精确的位置。

特别是在同时驱动两个电机协调运行的时候，我采用过定时器和和多线程的方式。

但是都没有达到 MINDSTORMS控制电机的效果。

这样的结果只会导致软件对硬件的依赖性强，系统的可重复性差。

3.在进行复原操作时没有图形模拟，对于300多步的操作，如果没有仿真模拟，用户等了20多分钟，只是看着机器人对魔方翻来覆去的操作，感觉心里还真没有底，因为中间如果错了一步，则最终结果就完全不一样。

针对上面的问题，我们对David Gilday搭建MindCuber的解魔法的机器人进行了改进，并且开发了相应的软件，好奇解魔法机器人解决了如下问题：1.在进行魔方的旋转操作时，通过机械的手段进行了位置矫正，使得魔方总是能够精确地停留在0°、90°、180°、270°的位置。

2.操作魔方时，采用了两种方式，一种方式是通过蓝牙直接驱动，一种是通过驱动NXT中的程序进行间接驱动。

这两种方式用户可通过配置文件进行配置。

建议的驱动方式是：驱动颜色传感器时通过蓝牙直接驱动，而驱动电机时则通过驱动NXT中的程序进行间接驱动。