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這個(gè)機(jī)器人還原魔方，只需八秒！

時(shí)間：2021-08-19 16:07:08
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[導(dǎo)讀]機(jī)械結(jié)構(gòu)篇1）結(jié)構(gòu)組成??機(jī)械結(jié)構(gòu)包括亞克力底板1安裝電路，鋁型材機(jī)架2支撐兩個(gè)機(jī)械臂和固定攝像頭，電機(jī)支架3固定電機(jī)位置，滑環(huán)支架4固定氣滑環(huán)，魔方調(diào)整板6調(diào)整魔方內(nèi)部結(jié)構(gòu)，57閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)7保證魔方旋轉(zhuǎn)精度，聯(lián)軸器8傳遞電機(jī)輸出軸扭矩到平面軸10。氣滑環(huán)9旋轉(zhuǎn)并傳遞氣路，平面...


機(jī)械結(jié)構(gòu)篇


1）結(jié)構(gòu)組成

??

機(jī)械結(jié)構(gòu)包括亞克力底板1安裝電路，鋁型材機(jī)架2支撐兩個(gè)機(jī)械臂和固定攝像頭，電機(jī)支架3固定電機(jī)位置，滑環(huán)支架4固定氣滑環(huán)，魔方調(diào)整板6調(diào)整魔方內(nèi)部結(jié)構(gòu)，57閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)7保證魔方旋轉(zhuǎn)精度，聯(lián)軸器8傳遞電機(jī)輸出軸扭矩到平面軸10。


氣滑環(huán)9旋轉(zhuǎn)并傳遞氣路，平面軸10通過(guò)型面配合傳遞扭矩到安裝板11，導(dǎo)軌滑臺(tái)氣缸12通過(guò)螺栓與手指13連接，銅柱14連接氣滑環(huán)9旋轉(zhuǎn)部分與連接板11，銅柱15連接連接板11與導(dǎo)軌滑臺(tái)氣缸12，攝像頭16采集魔方信息。


2) 具體實(shí)施方案


首先，攝像頭16采集魔方信息，然后，下位機(jī)獲取魔方轉(zhuǎn)動(dòng)指令控制電機(jī)7轉(zhuǎn)動(dòng)，聯(lián)軸器8將電機(jī)輸出軸扭矩傳遞到平面軸10，平面軸10與連接板11通過(guò)型面連接將扭矩傳遞到連接板11，銅柱15連接連接板11與滑臺(tái)氣缸12，連接板11將扭矩傳遞到滑臺(tái)氣缸12。


下位機(jī)獲取手指閉合指令，為了避免手指在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中氣路出現(xiàn)打結(jié)的情況，采用氣滑環(huán)將氣從滑環(huán)固定部分傳遞到滑環(huán)旋轉(zhuǎn)部分，再傳到旋轉(zhuǎn)氣缸手指機(jī)構(gòu)控制手指做開(kāi)合動(dòng)作。


上位機(jī)部分


1）顏色識(shí)別


顏色識(shí)別效果圖


四個(gè)USB工業(yè)攝像頭，一次性采集魔方六個(gè)面的顏色。

基于Opencv下的用SVM圖像分類直接訓(xùn)練分類器識(shí)別。首先是SVM分類器的訓(xùn)練：在不同光照情況，不同位置采集到每個(gè)顏色大概100張10*10的小矩形圖片；人工把顏色分類好，打上標(biāo)記，送入分類器分類；訓(xùn)練得到分類器；之后每一次識(shí)別調(diào)用分類器識(shí)別即可。


2）解算


動(dòng)作

用時(shí)（ms）

氣缸閉合

125

空轉(zhuǎn)90?

53

擰動(dòng)90?

54

擰動(dòng)180?

90

帶動(dòng)90?

111

帶動(dòng)180?

195

采用二階段算法對(duì)魔方進(jìn)行解算，獲得六個(gè)面都可以轉(zhuǎn)動(dòng)的求解步驟。然后將六個(gè)面的求解步驟轉(zhuǎn)化到兩只手還原魔方的機(jī)械步驟當(dāng)中。


因?yàn)椴煌襟E時(shí)間相差較大，步驟最小不一定時(shí)間最短，所以轉(zhuǎn)換算法采用的是時(shí)間最短的深度優(yōu)先搜索算法。


3）UI


上位機(jī)界面圖


在指定區(qū)域識(shí)別魔方顏色，并且可以通過(guò)鼠標(biāo)修改識(shí)別顏色的區(qū)域。


可以在線采集顏色數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊get_photo1會(huì)彈出攝像頭中的圖片，通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊即可采集到10*10的小矩形圖片，訓(xùn)練SVM分類器。



下位機(jī)部分


1）下位機(jī)方案示意圖


2）整體系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

上圖描述了該魔方機(jī)器人在開(kāi)始運(yùn)行后所要經(jīng)歷的過(guò)程，分為三部分，第一部分為上位機(jī)采集數(shù)據(jù)，解魔方數(shù)據(jù)發(fā)給下位機(jī)。


第二部分為下位機(jī)接收解魔方步驟，控制電機(jī)和氣缸。第三部分，氣缸和電機(jī)開(kāi)始運(yùn)行，解魔方開(kāi)始。


3）硬件結(jié)構(gòu)


硬件結(jié)構(gòu)分為單片機(jī)開(kāi)發(fā)板，電機(jī)，氣缸。單片機(jī)使用的是STM32F103RCT6，對(duì)于魔方機(jī)器人的控制需求來(lái)說(shuō)是完全能夠駕馭的。


電機(jī)使用的閉環(huán)57步進(jìn)電機(jī)，力矩足夠大，速度足夠快，能夠滿足結(jié)構(gòu)上所需要的力矩要求，并且電機(jī)是閉環(huán)控制的，它的精度足夠高，產(chǎn)生的誤差會(huì)很小。氣缸使用的是導(dǎo)軌滑臺(tái)手指氣缸，夾持力19N，符合夾持需求。


4）控制算法及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化


在實(shí)際的電機(jī)和氣缸控制中，由于物理方面的因素，需要一些優(yōu)化的方法。電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)根據(jù)倆個(gè)氣缸是否夾持可以分為空轉(zhuǎn)，擰動(dòng)，帶動(dòng)三個(gè)不同的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。


其中空轉(zhuǎn)和擰動(dòng)狀態(tài)受到干擾的影響較小，但是帶動(dòng)狀態(tài)由于魔方本身的松緊程度，在魔方轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)由于電機(jī)的加速度過(guò)快，魔方會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)，主要的優(yōu)化辦法是減小電機(jī)的加速度，在電機(jī)加速中采用曲線加減速,能夠有效減少加速度，讓電機(jī)能夠更平緩的轉(zhuǎn)動(dòng)，減少魔方的滑動(dòng)。


視頻效果



-END-


大家好，我是張巧龍，一名教電子的大學(xué)老師，歡迎關(guān)注！

機(jī)器人" data-alias="All_best_xiaolong" data-signature="將軟件和硬件相結(jié)合，軟硬結(jié)合，無(wú)所不能" data-from="0">

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