第8章 解魔方机器人设计

8.4电路设计
8.4.1硬件框图
1.魔方机器人设计方案主要的系统组成
手机app主要功能是颜色识别过程中获取魔方六个面 的六张图片， STM32 通过控制舵机让魔方旋转到特定的 角度，Arduino Mega 2560实现了STM32和各个传感模 块之间的数据交换，其通过控制蓝牙模块实现了人对魔方 机器人的各种控制，并利用蓝牙手机端 APP 来完成魔方 复原的核心工作。魔方复原全过程如图8-8所示。
本项目的魔方机器人通过设计稳定的机械结构，采 用当今世界上复原步数最少的 Kociemba 算法，优化 传统的通过设定阈值的颜色识别策略，极大提高了整个 系统 工作的稳定性。通过优化魔方复原指令解析算法， 进一步减少了魔方复原指令解 析得到的舵机执行步数。 魔方机器人在复原魔方的快速性和稳定性两方面都达到 了很好的效果，复原魔方平均不会超过 70 秒，达到了 魔方机器人设计的预期。通过本项目的训练可以锻炼学 生的电路连接、元器件搭载、程序调试、传感器运用、 算法调用及优化等多方面能力，能够将工科学生之前学 到的相关课程进行一次梳理和整合，教会学生如何学以 致用，并能够激发学生的学习兴趣和创新热情。
PWM信号才能保持锁定角度，完成相应的操作，并 且精度较差，线性度很难达标。而数字舵机仅需接受一 次舵机控制器传递的PWM信号就可以锁定角度不变， 控制精度较高、线性度良好、相应速度快，能够完成本 项目的各项功能需要。特别值得注意的是，并不是舵机 的转动角度越大越好，同学们不要选用360度舵机，因 为目前市面的无死角舵机绝大部分无法接受PWM信号 控制，不能锁定角度不变，一经上电会不停旋转。
很方便地实现了 STM32 和2560 进行数据传输。本项目 用舵机两两一组构成曲柄滑块的 机械结构作为复原魔方
的机械手，8 个舵机构成四组机械手。硬件系统实物图 如图8-10所示。
图8-10魔方机器人硬件系统实物图
STM32和2560电路模块设计 魔方机器人的电路设计较为简单，本文只简要介绍 XL4015E1 稳压电路
滑块增高块图如图8-1所示、机械手工程图如图8-2所 示、基板工程图如图8-3所示、基板工程图细节如图8-4所 示。
图8-1滑块增高块图
图8-2机械手工程图
图8-3基板工程图
百度文库 图8-4基板工程图细节
图纸中所有单位均为 MM，比例为 1：1，透明亚克力 材质。 具体参数要求：
1.滑块增高块厚度为 30MM，数量 4 个。 2.机械手厚度为 10MM，数量 4 个。 3. 基板厚度为 8MM，数量 1 个。
目录
8.1 设计思想 8.2 材料清单 8.3 电路设计
8.1 设计思想
智能机器人技术随着机器人学、计算机科学、计算机 视觉等学科的发展，应 用范围和使用价值得到了非常广 泛的关注和提高，成为当今世界高科技领域备受 关注的 热点课题。近年来智能机器人逐渐走进人类的日常生产和 生活，而解魔方 机器人因其无与伦比的趣味性和炫酷的 交互性，正成为人工智能的研究热点。由于解魔方机器人 融合了计算机视觉、图像处理、机器人控制技术、虚拟现 实交互、魔方算法等多学科知识，因此实现一个快速、稳 定的解魔方机器人具有很大的挑战性。
本项目的连接条和转魔方的机械手根据硬度和韧 性的要求选择使用PLA材料。即通过自主建模，通过 3D打印制作完成。以下为3D打印件工程图。连接条如 图8-5所示，机械手如图8-6所示。
图8-5连接条
图8-6机械手
进行3D打印材料时，应该尽量选用质量好的PLA耗 材，这样才能保证成品的质量。一般耗材选择1.75MM, 公差不超过±0.02mm的材料。 另外，3D打印机原则 上是选用精度越高的越好，但是同学们往往接触到的都 是入门级别的设上述零件图各插口没有做的特别细小， 一般的打印机都可以完成。上述零件打印的最低要求标 准是机器打印精度0.2mm，打印层高0.4mm
3.本项目1和22项为特殊定制件。需要同学们注意相 关的细节问题，以免由于个人疏忽造成不必要的经济损 失。
4.第36项是STM32系统的专用仿真器，仿真器购买 时需注意对应的型号和相应配置，如果型号和stm32开 发板不匹配则无法进行数据的下载和导入。
8.3 机械零件设计
以下为亚克力定制工程图，因为考虑项目整体的可塑 性和便携性，不建议用钢板、塑料等其他材料。选用亚克 力板作为本设计的底盘是因其材料具有较好的透明性、易 加工、不容易变形，表面光泽度较高，成本相对较低等优 点。
图8-8魔方复原全过程
图8-9魔方机器人硬件电路框图设计
硬件电路设计部分主要是 STM32 和Arduino进行 数据交换，通过视觉模块将信息逐步传递，根据移植的
相应算法进行计算，将具体的步骤以指令的形式转给主
控器，主控器将具体命令通过蓝牙模块发出，驱动舵机 运作，最终实现对魔方的转动。如图8-9所示。7.4V 的 锂电池为整个STM32和2560 硬件系统供电，经 XL4015E1 稳压电路降为 6.0V 为舵机供电， AMS1117 稳压电路将锂电池电压降为 3.3V 为 STM32和2560 供 电。蓝牙串口模块可以实现 蓝牙协议和串口协议的转换，
图8-11XL4015E1 稳压电路
本项目使用的舵机的驱动电流较大，每个舵机的驱 动电流大约为 500mA，8 个舵机同时驱动需要至少 4A 的驱动电流，,舵机的驱动电压为 4.8V-6.5V。 XL4015E1 是一款输出电压可调的开关电源稳压器，最 大输出电流为 5A，输出 电压为 1.25V-32V，可以满 足舵机的驱动电流和电压需求。XL4015E1 开关频率为 180KHZ，能量转换效率高达 96%，负载调整率 <0.8%，电压调整率<0.8%。图 8-11是 XL4015E1 稳 压电路的原理图。输出电压的计算公式为：
8.2材料清单
材料清单如表8-1所示 表8-1材料清单
上述清单中的材料中有几处需要特别注意：
1.第2,3,4项本项目使用的是自行建模3D打印的 零件，主要目的是降低开发成本。如果有同学想追求更 好的性能，可以联系淘宝进行定制，定制件具有精准性 更高等优点。
2.第7项中的数字舵机，各位同学也可以根据实际需 求选择市面上的数字舵机，推荐使用NG995,55g舵机， 本舵机可以在同等电压下旋转180度的时间更短，极大 地提升了魔方的还原速度。但是不建议同学们选用模拟 舵机，因为模拟舵机需要不断的接受舵机控制器发送的