基于STM32雙臂魔方機器人的設(shè)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業(yè)鎮(zhèn)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控制方面的研究。

摘要：基于STM32的雙臂魔方機器人能夠?qū)⑷我獯騺y的三階魔方快速還原。在研究各種魔方機器人機構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種體積小、速度快、性能穩(wěn)定的機械結(jié)構(gòu)，能使魔方機器人適應(yīng)不同環(huán)境。

0 引言

　　魔方不僅是益智玩具，又是運動用品和教學(xué)用具。魔方競技逐步向復(fù)合型手、眼、腦協(xié)調(diào)運用等多樣化腦力運動方向發(fā)展。2010年10月，機器人Cubinator在18.2秒內(nèi)還原魔方，成為當(dāng)時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(jié)合，在科普領(lǐng)域取得了突破性的進展。還原魔方機器人是智能化機器人的一個全方面體現(xiàn)，對其算法和機構(gòu)的研究也成為機器人技術(shù)的十分重要的研究內(nèi)容，解魔方機器人整體的架構(gòu)和多種變型模式也是近幾年來的熱點。

1 魔方機器人總體方案設(shè)計

　　基于STM32雙臂魔方機器人是一個能夠?qū)⑷我獯騺y的三階魔方快速還原的機器人。它涉及魔方色塊數(shù)據(jù)采集、魔方還原步驟解算、機械手控制系統(tǒng)以及手臂旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。本文介紹的魔方機器人主要由兩組機械手臂組成，通過電機支座將兩個手臂固定在底座上，在電機和舵機的分別驅(qū)動下，模擬實現(xiàn)人手部和腕部的動作。舵機帶動聯(lián)桿轉(zhuǎn)動，進而驅(qū)動兩根機械手指在導(dǎo)軌上滑動，實現(xiàn)機械手指的夾緊和松開動作;伺服電機帶動支撐板轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)機械手腕部轉(zhuǎn)動。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。主控板通過伺服驅(qū)動器控制直流伺服電機轉(zhuǎn)動。魔方機器人根據(jù)上位機傳回的指令還原魔方。該機器人的最大特點是：完全由STM32控制、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、成本很低，能夠大量的普及。

2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　該機器人還原魔方的過程是通過兩只機械手臂配合完成的，機械手臂通過電機支座對向安裝在固定底座上，模擬人手腕和手指動作。舵機驅(qū)動機械手指直線運動，實現(xiàn)對魔方的夾緊與松開;伺服電機做回轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)魔方的回轉(zhuǎn)。

　　2.1 機械臂結(jié)構(gòu)設(shè)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(cè)分別設(shè)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程中的穩(wěn)定性。編碼器把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。

　　2.2 機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　機械手主要由機械手指、導(dǎo)軌、聯(lián)桿、舵機、舵機固定座等部件組成。通過曲柄連桿機構(gòu)使機械手指在導(dǎo)軌上做直線運動，動力由舵機供給。為保證機械手的剛度和強度，導(dǎo)軌和舵機固定座均采用Q235鋼制作而成。通過優(yōu)化計算得出，兩手指間最小距離57 mm，最大距離為86 mm，單個手指的直線運動距離為14.5 mm，如圖2所示。

3 電氣系統(tǒng)設(shè)計

　　魔方機器人的電器控制系統(tǒng)主要包括控制中心、顏色識別模塊、電機驅(qū)動模塊。

　　3.1 控制中心

　　本作品中的主控芯片選用的是意法半導(dǎo)體公司的STM32F407ZET6，融高性能、實時性、數(shù)字信號處理、低功耗、低電壓于一身，同時保持高集成度和開發(fā)簡易的特點。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UART將上位機與主控芯片通信，故滿足魔方機器人的運動控制的需要。

　　3.2 顏色識別模塊

　　為了高效完成顏色數(shù)據(jù)采集，選用OpenMV攝像頭模塊。OpenMV上的機器視覺算法包括尋找色塊,滿足本作品中對魔方顏色信息的采集。OpenMV作為一個開源，低成本，功能強大的機器視覺模塊，以STM32F427CPU為核心，集成了OV7725攝像頭芯片，能將采集到的顏色數(shù)據(jù)高效地處理。

　　3.3 手臂旋轉(zhuǎn)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(jù)相關(guān)參數(shù)計算電機扭矩0.135x3=0.405 Kg?m >0.192 Kg?m ，大于轉(zhuǎn)動時所需要的扭矩，故所選電機滿足要求。

　　3.4 手指張合模塊

　　為了滿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(zhuǎn)矩，完全滿足穩(wěn)定夾持魔方的需求。

4 魔方顏色識別與解算

　　通過顏色識別模塊對魔方六個面進行拍照，提取出54個顏色信息，采用Kociemba 算法，優(yōu)化傳統(tǒng)的通過設(shè)定閾值的顏色識別策略，通過上位機解算，完成解算后通過串口發(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(jù)Cube Explorer 軟件開發(fā)的，Cube Explore是一個比較有名的軟件，這個軟件可以直接調(diào)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(jù)魔方機器人的機械結(jié)構(gòu)與夾持魔方的方式，對魔方的還原步驟一一對應(yīng)在舵機與電機的動作上。有兩個基礎(chǔ)面，通過兩個手的動作分解，將魔方的其他面轉(zhuǎn)換到基礎(chǔ)面進行還原。在完成動作分解后，魔方初始位置發(fā)生轉(zhuǎn)變。因此在魔方每一次為坐標(biāo)發(fā)生轉(zhuǎn)換時，就將魔方此時的坐標(biāo)與初始位置比較，如果確實發(fā)生坐標(biāo)轉(zhuǎn)變，則通過賦值的方式把初始坐標(biāo)和現(xiàn)在的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。為了解決魔方因“手指”夾不緊造成掉落的問題，在“手指”上放置橡膠墊，增大摩擦力。由于電機有引線，不可避免電機在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生纏線的問題，因此在一個動作完成后，就使電機旋轉(zhuǎn)至原始位置。

5 結(jié)束語

　　在STM32處理器的技術(shù)上設(shè)計并完成了整個魔方機器人，研究其機械結(jié)構(gòu)、機械手顏色識別等。最后通過算法設(shè)計得到魔方還原平均步數(shù)為20步，機器人能夠在平均一分鐘自動解算并還原魔方。該機器人成本低，體積小、性能穩(wěn)定、普及性強，能夠?qū)Νh(huán)境有很強的適應(yīng)性。

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