基于 Arduino 的解魔方机器人初步设计

0x01 材料

• Android手机(摄像头正常)
• 魔方(5.7cm,非地摊货)
• 亚克力板(充当底板部分以及部分机械手)
• 舵机(因采取四向导轨式，所以大致需要8个舵机)
• 舵机控制板？
• xxx控制板。
• 开发用的计算机一台(配置好安卓开发环境，以及keil等，本次采用android studio)
• 光滑小轮
• 螺丝

0x02 整体结构

整体主要有四种结构。

四向推进式

大部分的解魔方机器人都是这种结构，基本不需要考虑魔方重力的影响，但是需要的舵机较多，控制也较为稳定，机械手的设计只需要考虑与魔方的配合，以及与舵机的连接。示例项目为

垂直手臂式

这种结构主要是将两个机械手垂直，魔方斜向控制，可以采用4个舵机，示例项目为u

单向旋转式

这种结构主要旋转的是正反一个方向或者是，大部分的乐高机器人采取这种。

内嵌中心块式

这种结构在解魔方速度上占优势，在有良好的解魔方算法后，可以达到秒级解魔方，有个视频采取这种结构的，只用了两三秒，不需要太多考虑伸缩或者推进。

设计出的结构

结构需要同时考虑速度和性能，单向的需要旋转好几次，实际步骤稍微有点多，最快也大致三十秒，慢的也有七八分钟，由于速度上不占优势，所以没考虑这种结构；垂直手臂虽然相对于那种的结构稍微好点，但是机械手的设计还和魔方的重力有关系，重力和魔方与机械手的接触力的合力向下，由于机械部分不是很熟，感觉设计出的机械手不能在转魔方的时候承担重力的分力，也没太多考虑这种结构；内嵌中心块可能需要破坏魔方的结构，并且机械手需要另外找材料，切合度没有太多把握，可能需要将魔方的中心块卸下来，软件算法需要对应好魔方的配色，虽然解法较快，不需要推进后退所需的时间，但是也没太多地去考虑这种结构，

最后得出的结构为四向导轨式的，然后在机械臂的推进部分与底盘连接的地方又有两种结构，一种类似于导轨式的滑动，另一种配置好塑料条，利用中间的孔将钢轴插入，前进后退。这时需要考虑材料的问题。

四方给进轴为解魔方的主操作部分，给进轴由旋转主舵机和伸进从舵机两部分组成。主控由exp-xxx组成，后期可以改为arduino或者树莓派，arduino可以进一步降低成本，采用Android手机摄像头作为颜色采集和识别设备。

整体设计框图：

闭环控制模型：

0x03 机械手结构

0x04 机械臂结构

机械臂大致有两种结构，一种是导轨式，另一种利用塑料条辅助进行推进伸缩。

0x05 软件算法方面设计

软件算法方面，由于计算的是手机的CPU，所以可以有几种思路，先进行类似于字典的大规模匹配，计算出最优解，或者是通过算法计算，计算出18-24步范围解，曾经魔方有一个上帝之数，为20，称任意打乱的魔方最少需要20步可以还原。同时考虑解魔方机器人每秒几步，统计出步数与时间，从而优化结构，升级舵机可以提高解魔方的速度。

在得到魔方各面的颜色信息后，是先通过数据库进行匹配还是通过算法进行计算，这里有性能方面的问题。

魔方解法方面，有一个二阶段算法，可以达到22左右的步数，并且较短时间可以计算出来。

0x06 软件摄像头部分及采集识别算法设计

app软件采集部分，利用手机后置摄像头，可以前期规定魔方的九个方块范围，后期想办法达到自动识别魔方方形，识别完方形以后，进行颜色的识别。

颜色识别主要使用HSL色彩系，区别于传统的RGB色彩系，HSL更适合识别相关颜色。并且同时注意部分魔方的橙色黄色红色较为相近，注意分别。

0x07 材料的选择部分

魔方

魔方采取5.7cm的三阶魔方，因为需要一定的顺滑度，因此不考虑普通的地摊三阶魔方进行主要测试，推荐大雁、国甲、圣手等牌子的魔方，魔方主要需要一定的顺滑度和容错度。

舵机

舵机的选择，舵机主要采用金属舵机，其他类型的舵机有步进、减速、塑料等，主舵机负责旋转部分，要求的速度和扭矩都比从舵机要求要高，并且需要180度大扭动。以配合进行U2类型的旋转(魔方旋转术语，为上层顺时针旋转180度。)

从舵机部分，要求扭矩大于3.0Kg/cm，

0x08 下位机控制部分

测试舵机

主舵机的连接测试。

从舵机的连接arduino测试。

电路部分整体设计

控制板：

仿真器：

稳压模块：

舵机：保证6V电压

0x09 安卓手机软件设计部分

整体采用material design设计，使用Axure等的进行原型设计，

主要有以下几个功能：

• 1.摄像头识别魔方，计算解法，并通过串口传给下位机。
• 2.指定或随机打乱公式打乱魔方。
• 3.将魔方打出一定的花样，如一定摆放的I Love U，相对来说，高阶好摆图案。
• 4.将解魔方所用时间如何显示到大显上。
• 5.当三阶魔方完善以后扩展到二阶、四阶、五阶等魔方。

关于界面方面的设计：

• 1.采用material design设计，体现阴影等元素，采取滑动侧边栏，主界面分为三个选项卡:速解魔方，复原历史，计时复原。速解魔方有连接状态显示，蓝牙连接按钮，扫描摄像头，
• 2.主要是使用户点击要少，
• 3.主要功能为解魔方操作，识别魔方，计时等。

0x10 乐高机器人与之的辨析

乐高也有解魔方机器人，并且有专门的颜色传感器，