基于STM32雙臂魔方機(jī)器人的設(shè)計(jì)

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

高達(dá)，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(jī)械工程學(xué)院，大學(xué)本科生，主要從事機(jī)械裝備自動(dòng)控制方面的研究。

摘要：基于STM32的雙臂魔方機(jī)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(jī)器人機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種體積小、速度快、性能穩(wěn)定的機(jī)械結(jié)構(gòu)，能使魔方機(jī)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(yùn)動(dòng)用品和教學(xué)用具。魔方競(jìng)技逐步向復(fù)合型手、眼、腦協(xié)調(diào)運(yùn)用等多樣化腦力運(yùn)動(dòng)方向發(fā)展。2010年10月，機(jī)器人Cubinator在18.2秒內(nèi)還原魔方，成為當(dāng)時(shí)世界上還原魔方速度最快的機(jī)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(jī)器人Ruby還原解魔方僅用了10.18秒，并打破上述記錄。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能等技術(shù)的發(fā)展，將魔方與智能機(jī)器人的結(jié)合，在科普領(lǐng)域取得了突破性的進(jìn)展。還原魔方機(jī)器人是智能化機(jī)器人的一個(gè)全方面體現(xiàn)，對(duì)其算法和機(jī)構(gòu)的研究也成為機(jī)器人技術(shù)的十分重要的研究內(nèi)容，解魔方機(jī)器人整體的架構(gòu)和多種變型模式也是近幾年來的熱點(diǎn)。

1 魔方機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)

　　基于STM32雙臂魔方機(jī)器人是一個(gè)能夠?qū)⑷我獯騺y的三階魔方快速還原的機(jī)器人。它涉及魔方色塊數(shù)據(jù)采集、魔方還原步驟解算、機(jī)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(jī)器人主要由兩組機(jī)械手臂組成，通過電機(jī)支座將兩個(gè)手臂固定在底座上，在電機(jī)和舵機(jī)的分別驅(qū)動(dòng)下，模擬實(shí)現(xiàn)人手部和腕部的動(dòng)作。舵機(jī)帶動(dòng)聯(lián)桿轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)兩根機(jī)械手指在導(dǎo)軌上滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手指的夾緊和松開動(dòng)作;伺服電機(jī)帶動(dòng)支撐板轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手腕部轉(zhuǎn)動(dòng)。攝像頭把魔方照片發(fā)送給主控處理、識(shí)別顏色，之后主控將魔方狀態(tài)序列發(fā)送給上位機(jī)解算。主控板通過伺服驅(qū)動(dòng)器控制直流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。魔方機(jī)器人根據(jù)上位機(jī)傳回的指令還原魔方。該機(jī)器人的最大特點(diǎn)是：完全由STM32控制、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本很低，能夠大量的普及。

2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　該機(jī)器人還原魔方的過程是通過兩只機(jī)械手臂配合完成的，機(jī)械手臂通過電機(jī)支座對(duì)向安裝在固定底座上，模擬人手腕和手指動(dòng)作。舵機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手指直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)魔方的夾緊與松開;伺服電機(jī)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)魔方的回轉(zhuǎn)。

　　2.1 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　機(jī)械臂主要由伺服電機(jī)、電機(jī)支座、編碼器等部件組成。電機(jī)支座采用聚乳酸(PLA)材料3D打印完成，為保證其強(qiáng)度，兩側(cè)分別設(shè)計(jì)有10 mm厚加強(qiáng)筋，電機(jī)支座與固定底座之間為螺栓聯(lián)接，保證機(jī)械手臂在運(yùn)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(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。

　　2.2 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

3 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　魔方機(jī)器人的電器控制系統(tǒng)主要包括控制中心、顏色識(shí)別模塊、電機(jī)驅(qū)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(dǎo)體公司的STM32F407ZET6，融高性能、實(shí)時(shí)性、數(shù)字信號(hào)處理、低功耗、低電壓于一身，同時(shí)保持高集成度和開發(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(jī)器人需要兩路PWM控制舵機(jī)，通過UART將上位機(jī)與主控芯片通信，故滿足魔方機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制的需要。

　　3.2 顏色識(shí)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(jī)器視覺算法包括尋找色塊,滿足本作品中對(duì)魔方顏色信息的采集。OpenMV作為一個(gè)開源，低成本，功能強(qiáng)大的機(jī)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(hào)為MD36P27的直流伺服電機(jī)，減速比1:27，額定扭矩為0.135 Kg?m 。根據(jù)相關(guān)參數(shù)計(jì)算電機(jī)扭矩0.135x3=0.405 Kg?m >0.192 Kg?m ，大于轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需要的扭矩，故所選電機(jī)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(jī)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(shí)別與解算

　　通過顏色識(shí)別模塊對(duì)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(tǒng)的通過設(shè)定閾值的顏色識(shí)別策略，通過上位機(jī)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(jī)是根據(jù)Cube Explorer 軟件開發(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(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(jī)魔方機(jī)器人通訊。

　　根據(jù)魔方機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)與夾持魔方的方式，對(duì)魔方的還原步驟一一對(duì)應(yīng)在舵機(jī)與電機(jī)的動(dòng)作上。有兩個(gè)基礎(chǔ)面，通過兩個(gè)手的動(dòng)作分解，將魔方的其他面轉(zhuǎn)換到基礎(chǔ)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(zhuǎn)變。因此在魔方每一次為坐標(biāo)發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)，就將魔方此時(shí)的坐標(biāo)與初始位置比較，如果確實(shí)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(jī)有引線，不可避免電機(jī)在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生纏線的問題，因此在一個(gè)動(dòng)作完成后，就使電機(jī)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(jì)并完成了整個(gè)魔方機(jī)器人，研究其機(jī)械結(jié)構(gòu)、機(jī)械手顏色識(shí)別等。最后通過算法設(shè)計(jì)得到魔方還原平均步數(shù)為20步，機(jī)器人能夠在平均一分鐘自動(dòng)解算并還原魔方。該機(jī)器人成本低，體積小、性能穩(wěn)定、普及性強(qiáng)，能夠?qū)Νh(huán)境有很強(qiáng)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(shí)引用，并注明出處。