魔方機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張艷珠，古長(zhǎng)軍，王凡迪，朱嘯天

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159)

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魔方機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張艷珠，古長(zhǎng)軍，王凡迪，朱嘯天

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110159)

基于ARM的多自由度魔方機(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。通過(guò)嵌入式系統(tǒng)在魔方機(jī)器人控制中的應(yīng)用，改變了現(xiàn)有魔方機(jī)器人的控制結(jié)構(gòu)和功能，提高了機(jī)器人控制的靈活性、開(kāi)放性和實(shí)時(shí)性、功能性。針對(duì)當(dāng)前魔方機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的研究，提出了一種基于嵌入式的視覺(jué)檢測(cè)方案，滿足低成本、穩(wěn)定性強(qiáng)的要求，能夠適應(yīng)復(fù)雜光照環(huán)境。

機(jī)器人；嵌入式控制系統(tǒng)；魔方；機(jī)械結(jié)構(gòu)；視覺(jué)檢測(cè)

機(jī)器人是一種智能化的產(chǎn)物，技術(shù)含量高，能夠引起人們極大的興趣，激發(fā)人們的研究熱情。魔方機(jī)器人集機(jī)械設(shè)計(jì)、系統(tǒng)控制、機(jī)器視覺(jué)于一身，擁有很多機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，很容易將其技術(shù)用于工業(yè)生產(chǎn)完成特定的功能。文獻(xiàn)[1]中魔方的視覺(jué)檢測(cè)算法效果較好，但是其機(jī)械結(jié)構(gòu)僅僅由兩個(gè)臂組成，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，會(huì)增加很多步來(lái)考慮魔方的整體旋轉(zhuǎn)；文獻(xiàn)[2]給出了魔方求解的基本算法，但是算法步驟太多，會(huì)使機(jī)械手轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程變長(zhǎng)；在文獻(xiàn)[3]中機(jī)械手設(shè)計(jì)低成本、體積小，但是魔方轉(zhuǎn)動(dòng)的速度較慢，穩(wěn)定性也不強(qiáng)。針對(duì)現(xiàn)有的魔方機(jī)器人的存在成本高、體積大、性能不穩(wěn)定，普及程度低等問(wèn)題。本文提出設(shè)計(jì)一種低成本、體積小、性能穩(wěn)定、普及性強(qiáng)的機(jī)器人，能快速還原魔方。通過(guò)嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)用，改變了機(jī)器人的控制結(jié)構(gòu)和功能，能夠?qū)?chǎng)景有很強(qiáng)的適應(yīng)性。通過(guò)對(duì)當(dāng)前視覺(jué)系統(tǒng)的研究，提出一種基于嵌入式的視覺(jué)檢測(cè)方法，滿足低成本、穩(wěn)定性強(qiáng)的要求，能夠適應(yīng)復(fù)雜光照環(huán)境，具有很強(qiáng)的魯棒性。

1　魔方機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)

基于ARM(Advanced RISC Machines)的多自由度魔方機(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。它涉及魔方視覺(jué)跟蹤、魔方數(shù)據(jù)采集、魔方解耦算法、機(jī)械手控制系統(tǒng)以及魔方機(jī)器人3D旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。該機(jī)器人的最大特點(diǎn)是：完全由ARM控制、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本很低，能夠大量的普及。通過(guò)嵌入式系統(tǒng)在魔方機(jī)器人控制技術(shù)中的應(yīng)用，可以使得機(jī)器人向小型化、微型化方向發(fā)展。圖1為機(jī)器人控制系統(tǒng)，主要由LCD顯示、視覺(jué)系統(tǒng)、機(jī)器人3D旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和機(jī)械手控制部分組成。

圖1　機(jī)器人控制系統(tǒng)

2　硬件設(shè)計(jì)

2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)魔方復(fù)原的最基本的部分。目前國(guó)內(nèi)外的魔方機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)主要有類人雙臂式和四軸旋轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)。相比之下，四軸旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)能夠使魔方整體旋轉(zhuǎn)的次數(shù)更少，能減少系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間。本文采用四軸旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)魔方機(jī)器人。四軸旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)能夠在魔方的前后左右四個(gè)面來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)魔方，大部分性能穩(wěn)定的四軸設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)成本高且體積大。廉價(jià)的四軸結(jié)構(gòu)大多設(shè)計(jì)比較粗糙，很難達(dá)到穩(wěn)定性的要求。

機(jī)械結(jié)構(gòu)的主要任務(wù)是能夠?qū)崿F(xiàn)魔方的夾持、單面旋轉(zhuǎn)以及魔方整體旋轉(zhuǎn)。機(jī)械結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)底面圓、四個(gè)方向的鋁板、以及四個(gè)方向的二自由度機(jī)械手(圖2)。其中底面圓的重疊結(jié)構(gòu)具有很好的視覺(jué)效果，給人一種立體的感覺(jué)；四個(gè)方向的鋁板用來(lái)固定機(jī)械手；四個(gè)方向的機(jī)械手用來(lái)夾持并旋轉(zhuǎn)魔方。

圖2　機(jī)械結(jié)構(gòu)

2.2魔方位置的校驗(yàn)調(diào)整

魔方機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到外力的干擾容易使魔方的位置發(fā)生微小的變化，經(jīng)過(guò)N步的積累將使誤差越來(lái)越大，甚至達(dá)到不可控的狀態(tài)。在機(jī)械手爪的位置加一個(gè)楔形結(jié)構(gòu)能夠很好地解決上述問(wèn)題(圖3)。以A、C兩個(gè)機(jī)械手進(jìn)行受力分析(B、D機(jī)械手類似)，魔方是一個(gè)正方體，在A、C方向與機(jī)械手有四個(gè)接觸點(diǎn)。E、F、G、H

圖3　機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖

點(diǎn)的受力(圖4)。當(dāng)魔方受到機(jī)械手爪的四個(gè)楔形結(jié)構(gòu)的擠壓，能夠自動(dòng)地調(diào)整魔方所處位置，避免由于力矩過(guò)大，使魔方在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中被損壞。使整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程有一定的活動(dòng)空間。

圖4　魔方在機(jī)械手爪處受力圖

圖中：mg為魔方受到的重力;f1為魔方受到上面的楔形結(jié)構(gòu)的擠壓力;f2為魔方受到下面的楔形結(jié)構(gòu)的擠壓力。

2.3電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魔方機(jī)器人的電氣控制系統(tǒng)主要包括控制中心、傳感器、通信系統(tǒng)。圖5詳細(xì)介紹了控制器連接的各個(gè)控制模塊，主要包括攝像頭、液晶顯示、串口通信、機(jī)械臂等。

(1) 控制中心：使用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103ZET6作為MCU，主頻72M,擁有很多外設(shè)接口能夠滿足控制的需要[4]。

(2) 傳感器：機(jī)器人中主要用到的是攝像頭，在機(jī)器人的視覺(jué)部分用攝像頭讀取魔方的數(shù)據(jù)，這個(gè)過(guò)程對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_能力要求較高，為此在電路中設(shè)計(jì)了電容濾波電路。使數(shù)據(jù)傳輸和供電線路相互不干擾。使采集回的RGB數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

(3) 通信系統(tǒng)：通信系統(tǒng)采用兩路串口通信，第一路是ARM主控中心與舵機(jī)控制器通信，控制電機(jī)動(dòng)作組的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；第二路為ARM主控中心與PC機(jī)通信實(shí)現(xiàn)3D旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。

圖5　機(jī)器人控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)圖

3　軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器人的軟件設(shè)計(jì)部分主要包括視覺(jué)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)、魔方數(shù)據(jù)庫(kù)建立及處理、機(jī)械手動(dòng)作組控制及3D旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。圖6為機(jī)器人算法結(jié)構(gòu)圖，主要包括視覺(jué)系統(tǒng)、機(jī)械手動(dòng)作、3D旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)建立處理。

圖6　機(jī)器人軟件框架圖

3.1視覺(jué)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

RGB是一種以硬件為導(dǎo)向的色彩模型，RGB顏色空間通過(guò)三原色的疊加描述所有的顏色，直接從顏色生成的角度去描述顏色，在幾何上可以表示成一個(gè)立方體。

同種色相的顏色在不同的亮度下其R、G、B值均有較大的變化，難以對(duì)某種色相的顏色標(biāo)定一個(gè)通用的參考值。與RGB色彩模型相比，HSL更好反映了“飽和度”和“亮度”。HSL顏色空間模型較RGB顏色空間模型更適合用于對(duì)物體顏色進(jìn)行識(shí)別[5]。第一，去掉亮度分量在圖像中與顏色信息的關(guān)系；第二，色調(diào)分量作為顏色的唯一標(biāo)識(shí)分量(黑色和白色除外)。HSL顏色空間模型對(duì)外界光照敏感度比較低，比較適合用于彩色圖像的分割[1]。

通過(guò)攝像頭返回的數(shù)字圖像存儲(chǔ)的信息為像素的RGB顏色值，需要將圖像的RGB顏色空間轉(zhuǎn)換為HSL顏色空間描述，為進(jìn)一步處理做準(zhǔn)備。HSL顏色空間模型與RGB顏色空間模型的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換關(guān)系。

(2)

(3)

式中：h表示色度；l表示亮度；s表示飽和度。

攝像頭采集圖像然后并行傳輸?shù)紸RM處理器，先對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理[6]、圖像分割、圖像的特征提取，然后對(duì)魔方進(jìn)行定位追蹤。魔方每個(gè)面最明顯的特征是兩條橫著的和兩條豎著的黑線，首先遍歷整個(gè)圖像尋找四條黑線，然后在每條黑線各取一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，上下兩條線的縱坐標(biāo)之和的均值為魔方中心的縱坐標(biāo)y0，左右兩條線橫坐標(biāo)的均值為魔方中心的橫坐標(biāo)x0。即使魔方位置變化依據(jù)這個(gè)原理可以實(shí)時(shí)的尋找到魔方的中心位置(圖7),從而實(shí)現(xiàn)魔方的追蹤，中心點(diǎn)確立后，依據(jù)魔方色塊的位置關(guān)系可以直接定位每個(gè)色塊的位置。

圖7　魔方追蹤原理圖

魔方的顏色包括紅、橙、黃、綠、藍(lán)、白六種顏色。魔方追蹤確立每個(gè)色塊中心點(diǎn)的位置后，每個(gè)色塊的中心點(diǎn)附近取ROI的均值，和魔方六種色塊顏色進(jìn)行比對(duì)，在閾值范圍內(nèi)則標(biāo)定為相應(yīng)的顏色。在外界復(fù)雜的光照條件下，因?yàn)轭伾?、密度、光照和背景?huì)產(chǎn)生變化，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)個(gè)別色塊容易發(fā)生顏色識(shí)別錯(cuò)誤，其中黃、綠、藍(lán)、白四種顏色的色塊，只需要通過(guò)閾值法很容易判別。當(dāng)外界光照不穩(wěn)定時(shí)，紅色和橙色容易相互干擾，最后使整個(gè)魔方的數(shù)據(jù)產(chǎn)生錯(cuò)誤。為了解決這一問(wèn)題，采用補(bǔ)光的方法，使用一個(gè)條形燈斜45度入射與攝像頭正對(duì)的平面。最后使機(jī)器人在復(fù)雜的光照環(huán)境中也能順利完成任務(wù)。

(4)

(5)

3.2魔方數(shù)據(jù)庫(kù)建立及處理

3.2.1魔方數(shù)據(jù)建立

一幅圖像可以視為一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，即圖像中每個(gè)點(diǎn)的位置和顏色信息可視為數(shù)據(jù)庫(kù)中的一條記錄。色塊提取是為了方便魔方謎題算法的求解與實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)魔方機(jī)器人系統(tǒng)的可行性以及操縱的靈活性，因此需要將立體魔方獲取的圖像，轉(zhuǎn)換為平面化的色塊圖像并顯示，由視覺(jué)檢測(cè)算法獲取整個(gè)魔方色塊顏色分布，并在算法中進(jìn)行標(biāo)注。最后存儲(chǔ)標(biāo)注的值在數(shù)據(jù)庫(kù)中(表1)。

表1　數(shù)據(jù)庫(kù)顏色標(biāo)注對(duì)比

3.2.2魔方算法處理

考慮到嵌入式系統(tǒng)對(duì)計(jì)算復(fù)雜度的限制，采用傳統(tǒng)的層先法CFOP,即CROSS→F2L→OLL→PLL如圖8所示。對(duì)于一個(gè)隨機(jī)打亂的魔方，CFOP算法平均需要70步。

圖8　魔方算法處理

圖8中：CROSS：完成底層十字，即還原底層四個(gè)棱塊，使之位置和方向全部正確；F2L：完成前兩層，還原前兩層的四個(gè)角塊和四個(gè)棱塊，使之位置和方向全部正確；OLL：完成頂層所有塊的方向還原，即一次性還原頂層的四個(gè)角塊和四個(gè)塊的方向；PLL：完成頂層所有塊的位置還原工作，即一次性還原頂層的四個(gè)角塊和四個(gè)棱塊的位置，從而還原整個(gè)魔方。

3.3機(jī)械手動(dòng)作組控制

機(jī)械手由八個(gè)舵機(jī)組成，如果用ARM直接控制八個(gè)電機(jī)，會(huì)增加CPU處理的負(fù)擔(dān)。因此選用舵機(jī)控制器直接對(duì)八個(gè)舵機(jī)進(jìn)行控制。ARM只需通過(guò)串口發(fā)送指令即可完成一個(gè)或者多個(gè)舵機(jī)的實(shí)時(shí)控制。使整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)化并且大大減少了主CPU處理的負(fù)擔(dān)。

魔方由六個(gè)面組成，在采集魔方顏色時(shí)攝像頭固定，因此只能采集一個(gè)面的數(shù)據(jù)，通過(guò)機(jī)械的轉(zhuǎn)動(dòng)使魔方整體翻轉(zhuǎn)，把每個(gè)面翻轉(zhuǎn)到上面，完成圖像采集。四個(gè)機(jī)械手按順時(shí)針?lè)较驑?biāo)號(hào)為A、B、C、D，如圖2所示。A、C同時(shí)豎直張開(kāi)，B、D夾持魔方順時(shí)針同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)90度即可完成一次翻轉(zhuǎn)。其它各個(gè)面的整體翻轉(zhuǎn)類似。四個(gè)機(jī)械手相互配合可以完成魔方整體順(逆)時(shí)針轉(zhuǎn)90度，順(逆)時(shí)針轉(zhuǎn)180度，前后左右四個(gè)方向均可完成這些動(dòng)作。需要轉(zhuǎn)動(dòng)頂面和底面的時(shí)候只需使魔方整體翻轉(zhuǎn)一次，頂面和底面達(dá)到側(cè)面的位置，再完成需要的轉(zhuǎn)動(dòng)，最后使魔方沿著相反的方向逆向翻轉(zhuǎn)一次即可。以順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)頂面90度為例，向A側(cè)翻轉(zhuǎn)，程序框圖如圖9所示。

圖9　機(jī)械手動(dòng)作組運(yùn)動(dòng)

3.4機(jī)器人3D旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)

機(jī)器人3D旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)提供一個(gè)人機(jī)交互的平臺(tái)，它可以在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)魔方的三維逼真效果，如圖10所示?？梢宰層脩羰謩?dòng)操作魔方的旋轉(zhuǎn)，可以自動(dòng)演示魔方打亂后任意狀態(tài)的復(fù)原。

圖10　機(jī)器人3D旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)顯示界面

3D旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的核心是在計(jì)算機(jī)顯示系統(tǒng)內(nèi)部集成了一個(gè)魔方求解算法CFOP，不僅可以還原整個(gè)魔方，還可以通過(guò)按鈕調(diào)整每個(gè)面的旋轉(zhuǎn)。如果魔方機(jī)器人的目的是為了還原魔方，那么3D旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)為了配合機(jī)器人進(jìn)行魔方的三維重構(gòu)并顯示。開(kāi)始需要把一個(gè)解好的魔方逆解成實(shí)際魔方的狀態(tài)。這是解算魔方的逆過(guò)程，然后通過(guò)ARM與PC機(jī)串口通信，由ARM發(fā)送指令，PC端接收指令，使3D魔方的旋轉(zhuǎn)與機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作一致。

機(jī)器人3D旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)并不局限于做一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，它有自己獨(dú)立的功能，它可以自由打亂任意一個(gè)魔方并自動(dòng)解算，旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)內(nèi)部擁有一個(gè)獨(dú)立于ARM的算法處理單元，能夠獨(dú)立運(yùn)行并顯示。

4　結(jié)束語(yǔ)

在嵌入式處理器的基礎(chǔ)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)械手受力模型、視覺(jué)檢測(cè)等。最后通過(guò)算法計(jì)算得到魔方解法平均步數(shù)為70步，機(jī)器人能夠在平均5min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)適應(yīng)性。

(1)在研究各種機(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)。通過(guò)楔形結(jié)構(gòu)的加入，使魔方在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中有一定的活動(dòng)空間。

(2) 通過(guò)嵌入式系統(tǒng)在魔方機(jī)器人控制技術(shù)中的應(yīng)用，改變了現(xiàn)在玩魔方機(jī)器人的控制結(jié)構(gòu)和功能，提高了機(jī)器人控制的靈活性、開(kāi)放性和實(shí)時(shí)性、功能性。

(3)通過(guò)對(duì)當(dāng)前機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)的研究，提出了一種基于嵌入式的視覺(jué)檢測(cè)方案，滿足低成本、穩(wěn)定性強(qiáng)的要求，能夠適應(yīng)復(fù)雜光照環(huán)境。

[1]黃銘，路思良，孔凡讓.魔方還原機(jī)器人的視覺(jué)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械與電子，2013(5):60-64.

[2]何智勇，賁可榮.基于OpenGL的魔方自動(dòng)求解算法與實(shí)現(xiàn)[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004,36(7):893-895.

[3]胡青華.魔方復(fù)原機(jī)械手的設(shè)計(jì)與制作[J].中國(guó)科技信息，2014(8):221-223.

[4]李棟.基于ARM嵌入式的圖像處理研究[D].石家莊：河北科技大學(xué)，2010.

[5]岡薩雷斯.數(shù)字圖像處理[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[6]楊永敏.嵌入式圖像處理系統(tǒng)的研制[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006：1-2.

Control System Design of Magic Cube Robot

ZHANG Yanzhu，GU Changjun，WANG Fandi，ZHU Xiaotian

(Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China)

A magic cube robot with multi degree of freedom based on ARM can quickly recover any upset magic cube .Based on studying of a variety of robot structure，the mechanical structure of small volume,high speed and stable performance are designed,which can make the magic cube adapt to the different environment in the rotating process.Through embedded system application in magic cube robot control,the controlling structure and function of the existing magic cube robot are changed,which improves the flexibility,openness and real-time,and functional of robot control.Through the current study of the magic cube robot vision system,a kind of visual detection scheme is put forward based on Embedded System,which can meet the requirements of low cost,high stability and adapt to the complex illumination environment.

robot；embedded control system；magic cube；mechanical structure； visual inspection

2015-04-30

古長(zhǎng)軍 (1991—)，男，碩士研究生，助理工程師；通訊作者：張艷珠(1971—),女，副教授,博士，研究方向：目標(biāo)識(shí)別分?jǐn)?shù)階控制，智能算法。

TP24

A