刘树博，葛远香，魏佳宝，汤宗伟，周王军
（东华理工大学 机械与电子工程学院，江西 南昌330013）
0 引 言
自从厄尔诺·鲁比克教授于1974年在匈牙利创造了魔方之后，魔方文化迅速发展，得到了世界各地人们的关注和喜爱。到目前为止，人们对魔方的研究不只局限于结构方面，还对其还原问题进行了探索，旨在进一步提高解魔方的速度。
近些年，机器人技术已在民用和工业等领域取得了重要的应用，大大提高了人们的工作效率，因此将机器人用于解魔方操作，设计实用高效的解魔方机器人，引起了诸多学者的广泛关注，具有很大的实用价值和创新性。
文献[1]基于STM32设计了两自由度解魔方机器人，在实际操作任务中验证了所提出方法的有效性；文献[2-3]设计了两两相对且相互垂直的4个机械手臂来执行魔方复原操作；文献[4]利用LEGO组件分析和设计了机器人的机械结构，编写了机器人的电机控制指令，利用颜色传感器和超声波传感器，最终实现了魔方的智能还原。文献[5]设计了一款解魔方气动组合机械手，利用气爪的夹持，伸摆气缸的伸缩和摆动，实现魔方还原。综合国内外研究现状，尽管国内外学者在解魔方机器人领域取得了一定的成果，现有魔方机器人仍然存在成本较高、体积大、普及程度不高等问题；此外，机器人稳定性能和解魔方操作速度也有待于进一步提高。
本文基于国内四轴解魔方机器人研究的基础上进行创新升级，使用4个步进电机和4个舵机的组合，重新设计机械结构，由步进电机控制机械臂的旋转，舵机控制机械爪的开合，实现对打乱魔方的自动还原。该系统具有更快的还原速度，结构上也更加稳定、美观，且造价较低，使解魔方机器人的推广应用成为可能。
1 系统设计方案
解魔方机器人由下位机和上位机两部分构成，其中，下位机由单片机STM32F407VET6及其外围电路、步进电机驱动电路、光电开关接口电路、舵机驱动接口电路、蓝牙通信接口电路、电源电路组成；上位机为Android 7.0智能手机构成，包括手机摄像头和蓝牙模块。上位机与下位机通过蓝牙进行无线通信，以完成控制指令的实时发送。系统总体结构如图1所示。
图1 系统总体结构
基于上述结构，系统需要解决以下三方面问题：
1）解魔方机器人机械结构的设计，使机器人能够稳定、准确地旋转魔方面，翻转魔方；
2）解魔方机器人下位机硬件电路的设计，包括系统的电源电路、执行器控制电路及通信电路；
3）解魔方机器人软件的设计，实现对步进电机和舵机的控制，上位机和下位机的无线通信，Android手机的魔方识别以及魔方还原步骤的计算。
2 系统机械结构设计
2.1 机器人总体机械结构设计
机器人总体机械结构如图2所示。解魔方机器人主要由主框架、支撑件及机械臂组成，其中，框架结构由4根长为335 mm和4根长为150 mm的2020铝型材料组成，起到支撑和固定系统其他部件的作用。系统包括4组机械臂，通过抓取实现魔方面旋转和魔方翻转等动作。
图2 机器人机械结构
支撑件由机械臂支撑件和手机支撑座组成。机械臂支撑件将机械臂通过T型螺母与主结构相连接，并为光电开关传感器提供了固定座；步进电机通过4 mm螺母与支撑件相连接固定，光电开关通过3 mm螺母固定在上面。此外，系统提供了手机支撑座结构，手机支撑座通过T型螺母与主结构连接，为手机提供支撑，使手机放在凹槽之中，以实现魔方的状态采集与控制。支撑件结构如图3所示。
图3 支撑件结构
2.2 机械手结构
为实现魔方的旋转和翻转，系统设计了一种由两相四线步进电机、数字舵机和光电开关传感器组成的机械臂，机械臂的结构如图4所示。其中，步进电机用来实现机械臂的旋转，数字舵机实现机械臂的张开和闭合，光电开关传感器用来判断步进电机原点位置。当只有1个机械手夹住魔方，而其他机械手处于放松状态时，步进电机带动主轴旋转可以实现对魔方整体的旋转；当4个机械手同时夹持魔方时，1个步进电机旋转则可实现对魔方某个面的旋转。
图4 机械手结构
3 机器人下位机硬件电路
下位机硬件电路主要包括步进电机驱动电路、MG90D舵机接口电路、光电开关接口电路、蓝牙通信电路及电源电路。系统选取STM32F407VET6作为机器人下位机主控MCU，选取DRV8825驱动芯片实现步进电机的驱动，选取光电开关传感器EE-SX671用于步进电机的回原点检测。
3.1 电源电路设计
通过电源配适器将220 V电压转换为12 V/6 A电源，用于驱动步进电机，使用ASM1084-5V大电流线性稳压芯片将12 V转换为5 V，给蓝牙、舵机和光电开关供电；此外，通过BL1117-5V小电流线性稳压芯片将12 V转换为5 V，再将其通过BL1117-3.3 V稳压芯片转换为3.3 V电压，给下位机主控芯片供电。设计中应将大电流和小电流器件隔离开，减少相互干扰，以提高电源稳定性。
3.2 步进电机驱动电路设计
系统使用额定电压为12 V的两相四线步进电机42BYGH40-1704A和DRV8825步进电机驱动模块，通过排针方式与接口电路相连接，通过3位拨动开关接上拉电阻组成模式选择电路，在EN管脚接下拉电阻，使DRV8825默认使能；在VMOT管脚和GND之间接入100μF/50 V的去耦电容，以防止电路噪声影响其自身性能。具体的驱动电路如图5所示。
图5 步进电机驱动电路
3.3 舵机驱动接口电路设计
系统选用4个MG90D舵机，舵机接口电路使用5 V电源供电，通过STM32的PB9、PB8、PB5和PB4管脚输出PWM控制伺服舵机，并使用管脚连接器连接舵机。舵机驱动接口电路如图6所示。
图6 舵机驱动接口电路
3.4 光电开关接口电路设计
系统使用4个EE-SX671光电开关传感器[6]，用来检测4个机械臂中步进电机原点位置，其接口电路如图7所示。其中，传感器使用5 V电源供电，其输出管脚3分别与MCU的PC4、PC5、PB0和PB1口连接。
图7 光电开关接口电路
4 解魔方控制算法
解魔方控制算法可分为两个部分：第一部分为魔方状态识别算法，以完成对魔方初始状态的提取；第二部分为魔方还原算法，用来实现魔方的还原操作。
4.1 魔方识别算法
为了实现对魔方初始状态的识别，需要对魔方各个面中的块颜色进行识别。机器人上位机利用摄像头对特定区域内的HSV颜色值进行提取[7-9]，通过阈值法识别魔方，具体流程如图8所示。在识别出一个魔方面后，上位机会给下位机发送控制指令，使魔方旋转到下一个面继续识别，以此类推，直至魔方所有面识别成功。
图8 魔方颜色识别流程
4.2 魔方还原算法
当魔方6个面识别成功后，系统将会获得一个魔方状态，生成魔方的状态表，该表包含了要还原的魔方状态和复原的魔方状态。若为正确的魔方状态，系统将利用二阶段搜索算法[10-12]作为魔方还原算法，在状态表里搜索从初始魔方的状态到还原状态的最短路径，并将其转换为机械臂控制指令，缓存入指令发送队列中。具体的魔方还原算法流程如图9所示。
图9 魔方还原算法流程
5 系统软件设计
5.1 上位机软件设计
由于手机具有体积小巧、灵活便捷、智能化程度高等优点，因此系统选取Android手机作为上位机，利用Android开发平台，基于Java语言对手机APP上位机软件进行开发[13-15]，实现对机器人的总体控制。上位机APP软件利用手机摄像头识别魔方初始状态，通过魔方还原算法获取还原路径，最后通过蓝牙将控制指令发送至下位机，以控制机械臂还原魔方。上位机主流程如图10所示。
图10 上位机主流程
5.2 下位机软件设计
解魔方机器人下位机能够实时接收并实现由Android手机发送的控制指令。通过对以上设计任务的分析可知，下位机软件需要完成两个部分，一个是指令解析处理部分，一个是相应指令执行部分，以实现对步进电机和舵机的控制。下位机主流程如图11所示。
图11 下位机主流程
6 系统功能测试
为了验证所提方案的正确性，课题组实际制作了解魔方机器人样机，并对系统软硬件进行了实际测试。解魔方机器人样机如图12所示，其中，1为机械臂支撑件；2为主框架；3为光电传感器开关；4为步进电机；5为数字舵机；6为手机支撑件；7为解魔方用智能手机。
图12 机器人样机
解魔方操作过程如图13所示。上位机手机APP识别界面如图14所示。其中，图14a）为单个魔方面识别成功图；图14b）为所有魔方面识别成功图。
在软件调试过程中发现，上位机对魔方小块的颜色识别率并不是很高。基于获取到的各魔方小块HSV颜色，通过反复调试，对官方提供的HSV颜色阈值进行了修改和调整，从而大大提高了魔方小块颜色的识别成功率。修改后的HSV颜色空间阈值如表1所示，具体的实验数据如表2所示。
图13 机器人操作过程
图14 手机魔方识别界面
表1 修改后的HSV颜色阈值表
表2 魔方还原实验数据
7 结论
本文对四轴解魔方机器人的机械结构、硬件电路、上位机和下位机软件部分进行设计，并对机器人样机进行了制作。系统调试结果表明，机器人解魔方速度较快，系统性能稳定，验证了系统设计方案的合理性，达到了预期的设计效果，对解魔方机器人的发展奠定了基础。
