一種多桿系機構(gòu)“推拉式”解魔方機器人設(shè)計與研究

姚宇菲

摘 要：文章提出一種解魔方機器人方案，包含齒輪，電機，多桿系機構(gòu)，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和顏色掃描機構(gòu)以及電子設(shè)備組成，可實現(xiàn)打亂后的魔方按照既定的算法進行自動復(fù)位。另外文章對當(dāng)前解魔方機器人關(guān)鍵技術(shù)進行探討，指出了機器人技術(shù)是未來技術(shù)發(fā)展的方向。

關(guān)鍵詞：機器人；結(jié)構(gòu)設(shè)計；解魔方

1 概述

近年來，隨著三維數(shù)字化設(shè)計和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，機器人設(shè)計和制造技術(shù)得到了迅猛發(fā)展[1，2]，廣泛應(yīng)用在工業(yè)機械、日用品和科學(xué)研究當(dāng)中。同時，社會對機器人研發(fā)也越來越重視，各類機器人的研制方興未艾。

魔方是重要的益智玩具，近年來一直受到社會魔方愛好者以及科研工作者關(guān)注，然而依靠人工求解和翻轉(zhuǎn)魔方步驟繁多，難度極大，于是用于解魔方的機器人的研制逐步得到社會重視?，F(xiàn)有市場上的普通解魔方機器人翻轉(zhuǎn)，運動笨拙，顯示度低?；蛘哳伾珤呙铏C構(gòu)與魔方旋轉(zhuǎn)機構(gòu)未能集成，智能化程度低，對輕巧型解魔方機器人進行設(shè)計研究逐漸成為科技界研究熱點。

2 方法原理

為了實現(xiàn)機器人輕質(zhì)化和簡潔化的目標(biāo)，我們根據(jù)電機和魔方的尺寸，設(shè)計了一種齒輪驅(qū)動搖臂式雙連桿機構(gòu)。機構(gòu)原理圖見圖1。具體實現(xiàn)方式為：通過電機1的驅(qū)動帶動齒輪，再通過搖臂帶動連桿拉動魔方，當(dāng)魔方轉(zhuǎn)動到一定角度的時候再反方向驅(qū)動電機1將魔方推入托盤，實現(xiàn)魔方繞X向轉(zhuǎn)動。然后通過電機2驅(qū)動托盤帶動魔方繞Y軸轉(zhuǎn)動。以此類推，實現(xiàn)所有面的翻轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)動間隙驅(qū)動電機3帶動顏色掃描結(jié)構(gòu)隨時檢查魔方顏色狀態(tài)，最終通過計算機程序識別魔方翻轉(zhuǎn)正確性。

3 詳細(xì)方案

3.1 詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文詳細(xì)方案的詳細(xì)組成包括整體底座（1），設(shè)備安裝盒（2），從動齒輪（3），驅(qū)動齒輪（4），驅(qū)動鵝頸（5），翻轉(zhuǎn)長桿（6），從動鵝頸（7），連接桿（8），魔方支座（9），旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)接法蘭盤（10），驅(qū)動電機轉(zhuǎn)接法蘭盤（11），異形螺母（12），驅(qū)動軸（13），從動長軸（14），從動短軸（15），圓形螺母（16），顏色掃描元件（17），顏色掃描元件支架（18），翻轉(zhuǎn)機構(gòu)驅(qū)動電機（19），旋轉(zhuǎn)機構(gòu)驅(qū)動電機（20），顏色掃描機構(gòu)驅(qū)動電機（21），綜合控制單元（22），測控控制單元（23），電源單元（24），通訊單元（25）。

典型結(jié)構(gòu)詳圖見圖3-圖5。

3.2 裝配設(shè)計

本方案的裝配方式為：

（a）將所有結(jié)構(gòu)零件、電氣元件準(zhǔn)備；

（b）將翻轉(zhuǎn)機構(gòu)驅(qū)動電機（19），旋轉(zhuǎn)機構(gòu)驅(qū)動電機（20），顏色掃描機構(gòu)驅(qū)動電機（21）用螺釘裝入整體底座（1）；

（c）將綜合控制單元（22），測控控制單元（23），電源單元（24），通訊單元（25）裝入設(shè)備安裝盒（2），螺釘固定；

（d）將顏色掃描元件（17），顏色掃描元件支架（18）裝入整體底座（1），螺釘固定；

（e）將電機轉(zhuǎn)接法蘭盤（11）中心孔插入翻轉(zhuǎn)機構(gòu)驅(qū)動電機（19）和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)驅(qū)動電機（20）；將驅(qū)動齒輪（4），驅(qū)動軸（13），驅(qū)動鵝頸（5）異形螺母（12）裝入；

（f）將從動齒輪（3）用鉚釘與驅(qū)動電機轉(zhuǎn)接法蘭盤（11）連接并與驅(qū)動齒輪（4）咬合；

（g）將旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)接法蘭盤（10）插入旋轉(zhuǎn)機構(gòu)驅(qū)動電機（20），連接將魔方支座（9）；

（h）安裝翻轉(zhuǎn)長桿（6），從動鵝頸（7），連接桿（8），從動長軸（14），從動短軸（15），圓形螺母（16）；

（i）用鉚釘連接整體底座（1）與設(shè)備安裝盒（2）。

3.3 功能仿真

通過使用三維設(shè)計仿真軟件，對結(jié)構(gòu)方案進行典型運動狀態(tài)運動仿真，結(jié)果為運動機構(gòu)滿足要求。

（a）翻轉(zhuǎn)機構(gòu)抬升，顏色掃描元件停留魔方區(qū)，旋轉(zhuǎn)機構(gòu)運動實現(xiàn)單面顏色特征識別。

（b）顏色掃描機構(gòu)運動離開魔方區(qū)，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)下降，拉動魔方翻轉(zhuǎn)。

（c）翻轉(zhuǎn)到一定角度再向反方向推動魔方，實現(xiàn)魔方翻轉(zhuǎn)。

（d）魔方翻轉(zhuǎn)后，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)限定魔方頂層和中間層，底層通過旋轉(zhuǎn)機構(gòu)驅(qū)動實現(xiàn)單層控制。

4 創(chuàng)新點

本設(shè)計方案的創(chuàng)新點主要有以下幾點：

（1）本發(fā)明的推拉式機構(gòu)巧妙，顯示度高，吸引人；

（2）僅用3個電機實現(xiàn)全部魔方解碼自動操作功能，重量和功率?。?/p>

（3）翻轉(zhuǎn)機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)和顏色掃描機構(gòu)集成在一個底座上，解算更高效；

（4）使用整體底座，零件數(shù)量少，裝配方便。

5 解魔方機器人關(guān)鍵技術(shù)

解魔方機器人技術(shù)涉及結(jié)構(gòu)機構(gòu)、電氣和軟件編程等多學(xué)科知識，技術(shù)領(lǐng)域新，難度大，當(dāng)前國內(nèi)在研究解魔方機器人方面還處于起步階段，尚存在以下幾類關(guān)鍵技術(shù)急需突破：

5.1 高可靠輕巧型結(jié)構(gòu)機構(gòu)設(shè)計技術(shù)

當(dāng)前國內(nèi)現(xiàn)有的解魔方機器人存在普遍問題是結(jié)構(gòu)笨重、機構(gòu)簡單，翻轉(zhuǎn)可靠性低，導(dǎo)致的結(jié)果是功耗高、顯示度低，經(jīng)常翻轉(zhuǎn)出錯，難以市場化。

5.2 基于機電一體快速解魔方計算機算法

當(dāng)前的人工解魔方算法例如“層減法”等已經(jīng)非常成熟，但是如何用機電一體可翻譯成機器語言和機構(gòu)動作協(xié)調(diào)的算法尚未有效突破，導(dǎo)致翻轉(zhuǎn)步驟過多，有的達(dá)到800多步才能完成魔方解算，效率低。

5.3 高分辨率復(fù)雜顏色快速識別技術(shù)

在魔方翻轉(zhuǎn)過程中，顏色的識別是重要的內(nèi)容，目前多數(shù)機器人對魔方的顏色塊識別不準(zhǔn)確，也是制約解算成功率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

6 結(jié)束語

魔方是世界著名玩具和智力工具，機器人必將成為未來先進制造技術(shù)的發(fā)展趨勢。希望社會各界有更多的人來關(guān)注解魔方機器人技術(shù)，并將其中的先進成果推廣應(yīng)用到其他領(lǐng)域，促進社會科技的進步。

參考文獻

[1]李瑞峰.中國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略思考[J].航空制造技術(shù)，2010（9）：32-37.

[2]逄淑敏.沈陽機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式研究[D].沈陽大學(xué)，2015.