魔方還原機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析*

胡浪飛，黃永程，曾 湞，徐 圳，陳建鴻

（廣東理工學(xué)院，廣東肇慶 526100）

0 引言

隨著當(dāng)今人類社會(huì)的快速發(fā)展，“智能化”成為21世紀(jì)的一個(gè)新主題。在這個(gè)時(shí)代背景下，很多工作都可以讓人工智能為人類代勞。魔方是一種益智玩具，復(fù)原魔方任意組合的轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)的最小值也被稱為“上帝之?dāng)?shù)”[1]，這不僅是一種燒腦的智力玩具，也是一種會(huì)讓人沉浸于如何破解魔方的頭腦風(fēng)暴之中的趣味玩具。但是面對(duì)魔方的多變性，所需的公式越發(fā)繁雜，單靠人類的頭腦想要快速破解顯然不易，但是人工智能能夠很好地解決這個(gè)問題。魔方還原機(jī)器人為快節(jié)奏的生活增添了一份樂趣，將科學(xué)技術(shù)融入學(xué)習(xí)生活，極具創(chuàng)新創(chuàng)意思維。

本文介紹的魔方還原機(jī)器人的原理，以及它整體的設(shè)計(jì)涵蓋了許多領(lǐng)域的知識(shí)與技術(shù)：結(jié)合了機(jī)器視覺、還原算法分析、機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)等模塊，融合成一體，形成魔方還原系統(tǒng)。文中的魔方還原機(jī)器人主要結(jié)構(gòu)由2個(gè)帶有兩爪機(jī)械手的機(jī)械臂構(gòu)成。機(jī)械臂主要通過(guò)2組舵機(jī)作為動(dòng)力源提供動(dòng)力，從而驅(qū)動(dòng)整個(gè)魔方還原機(jī)器人的復(fù)原動(dòng)作。

1 總體方案設(shè)計(jì)

魔方還原機(jī)器人是機(jī)器人智能化的一種新體現(xiàn)，魔方還原機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及還原算法的分析編譯是該機(jī)器人的核心內(nèi)容。本文闡述的基于LAP 15W8K61S4芯片的魔方還原機(jī)器人是一臺(tái)能夠通過(guò)計(jì)算，迅速解出還原步驟并將魔方快速?gòu)?fù)原的機(jī)器人。圖1所示為本文設(shè)計(jì)的魔方還原機(jī)器人的整體架構(gòu)圖。它涵蓋了魔方顏色識(shí)別，還原步驟算法解析計(jì)算，機(jī)械爪夾取系統(tǒng)以及機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)。主體機(jī)械結(jié)構(gòu)由2只機(jī)械臂組成，通過(guò)云臺(tái)搭建固定在支撐架上，在2組舵機(jī)的分別驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)以及夾爪的夾取運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)魔方面的轉(zhuǎn)動(dòng)。舵機(jī)組1帶動(dòng)爪子聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)，進(jìn)而使機(jī)械爪在平滑的導(dǎo)軌上實(shí)現(xiàn)張開與夾緊動(dòng)作；舵機(jī)組2帶動(dòng)云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)[2]。

圖1 魔方機(jī)器人架構(gòu)圖

2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前魔方機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要有類人雙臂式和四軸旋轉(zhuǎn)式2種類型[2]，相比之下，類人雙臂式的魔方放機(jī)器人結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)度更高，成本更低。該魔方還原機(jī)器人復(fù)原過(guò)程需要2只機(jī)械臂同時(shí)工作，相互配合運(yùn)動(dòng)來(lái)完成相應(yīng)復(fù)原轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)作。為使機(jī)械臂能夠互相獨(dú)立工作，做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)互不干擾，機(jī)械臂需滿足手臂的中心線在同一平面且垂直，故機(jī)械臂采用雙臂交叉正交結(jié)構(gòu)，分別在魔方的兩側(cè)斜45°向上，從兩側(cè)支撐魔方。兩機(jī)械臂通過(guò)云臺(tái)裝夾固定在與水平桌面形成45°夾角的鋁型材直桿上，完成機(jī)械臂以及夾爪的相應(yīng)動(dòng)作[3]。舵機(jī)組1驅(qū)動(dòng)機(jī)械爪在平滑的導(dǎo)軌上做直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)魔方的夾緊與松開；舵機(jī)組2通過(guò)連接軸承，帶動(dòng)云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)魔方的回轉(zhuǎn)。

2.1 機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械臂由云臺(tái)搭建作為固定底座，分別用4個(gè)長(zhǎng)螺釘均勻的分布在云臺(tái)面，連接云臺(tái)以及軸承盤，2個(gè)軸承盤通過(guò)4個(gè)長(zhǎng)螺釘連接，將軸承固定裝夾在中間，舵機(jī)通過(guò)法蘭盤與下端軸承盤連接，上端軸承盤通過(guò)2個(gè)直角底座連接著機(jī)械爪夾持器。舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)下端軸承盤轉(zhuǎn)動(dòng)，夾在中間的軸承支撐著機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)，降低了機(jī)械臂在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的摩擦系數(shù)，從而保證了機(jī)械臂在魔方復(fù)原轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的回轉(zhuǎn)精度。下端軸承盤運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)著上端軸承盤運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)著由直角底座連接著的機(jī)械爪夾持器一起運(yùn)動(dòng)。

圖2 機(jī)械臂實(shí)物圖

圖3 單個(gè)魔方夾爪

2.2 夾爪設(shè)計(jì)

魔方的還原通過(guò)對(duì)機(jī)器人機(jī)械爪進(jìn)行平移、旋轉(zhuǎn)和開閉3種動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)[4]。對(duì)于抓取魔方的夾爪設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)的魔方還原機(jī)器人多選用五指結(jié)構(gòu)，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)定性差，本文設(shè)計(jì)的魔方還原機(jī)器人采用二指結(jié)構(gòu)，力量調(diào)節(jié)更方便，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，自身轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，質(zhì)量分布較均勻，更適合一邊轉(zhuǎn)動(dòng)一邊抓取。

夾爪材料采用PLA材料3D打印完成，夾爪內(nèi)側(cè)設(shè)還計(jì)了1個(gè)定位凸臺(tái)，從兩側(cè)支撐魔方，從而減小因魔方自重在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的誤差，保證夾爪在夾取和松開時(shí)，魔方的準(zhǔn)確位置。夾爪工作時(shí)舵機(jī)帶動(dòng)聯(lián)桿轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)2根機(jī)械手指在導(dǎo)軌上滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手指的夾緊和松開動(dòng)作[5]。

2.3 框架的設(shè)計(jì)

整體框架由底座和機(jī)械臂支撐桿構(gòu)成，框架材料選用工業(yè)鋁型材（圖4和圖5），外觀精致，環(huán)保耐臟，質(zhì)量輕巧，拆裝靈活，方便攜帶。相比傳統(tǒng)魔方還原機(jī)器人笨重且難以拆裝的鋼材框架[3]，本文闡述的機(jī)器人體型更輕巧，機(jī)構(gòu)更簡(jiǎn)單，易于拆裝攜帶，便于流動(dòng)展示。

該魔方還原機(jī)器人底座在機(jī)械結(jié)構(gòu)中最主要的作用就是作為整體承壓，承受上層機(jī)械傳遞來(lái)的較大的力，并且將傳遞來(lái)的力傳導(dǎo)出去，起到承壓和保護(hù)的作用。該底座是由8根鋁合金JL-8-3030EL，鋁型材選用BET-SB3030-8角碼螺釘連接固定[6]。利用三角形固定原理，使云臺(tái)底座更加穩(wěn)固，堅(jiān)定，耐壓。

圖4 工業(yè)鋁型材

圖5 底座

機(jī)械臂支撐桿通過(guò)角碼兩兩連接，構(gòu)成1個(gè)正方形。將正方形豎直放置，使其中1條對(duì)角線垂直于底座，2條支撐桿滿足垂直條件，且與水平底座分別呈45°夾角，保證機(jī)械臂固定后，雙臂呈正交結(jié)構(gòu)。

圖6 框架

2.4 軸承的設(shè)計(jì)

軸承的選擇需要根據(jù)軸承受力情況選擇軸承類型。本文設(shè)計(jì)的魔方還原機(jī)器人軸承只連接了上下2個(gè)軸承盤，軸承在軸向和徑向方向上均受到載荷，受載荷較?。划?dāng)上位機(jī)解析出魔方還原步驟，芯片驅(qū)動(dòng)下位機(jī)工作，工作過(guò)程中，2個(gè)機(jī)械臂處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)當(dāng)中；基于上述載荷條件要求，軸承基本類型采用滾動(dòng)軸承，軸承工作轉(zhuǎn)速高，故選擇深溝球軸承。如圖7所示。

舵機(jī)盤直徑D1=120 mm，預(yù)留20 mm作為螺孔固定使用，選擇軸承外徑D=95 mm，內(nèi)徑d=75 mm，查表GB/T276-1994得選用深溝球軸承1180815K（國(guó)內(nèi)新型號(hào)61815-2RS），寬度B=10 mm，額定動(dòng)載荷Cr=12.5 kN，額定靜載荷Cor=12.8 kN。選擇潤(rùn)滑劑時(shí)，考慮軸承內(nèi)圈與空氣接觸，油潤(rùn)滑會(huì)導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)黏度過(guò)高，不利于軸承的高速轉(zhuǎn)動(dòng)，故潤(rùn)滑方式采用脂潤(rùn)滑，潤(rùn)滑劑采用通用鋰基潤(rùn)滑脂（GB/7324-2010）2號(hào)，熔點(diǎn)不低于175℃，適用溫度在-20～120 ℃范圍[7]。

圖7 軸承

圖8 二自由度機(jī)械臂夾持器

2.5 二自由度機(jī)械臂夾持器的設(shè)計(jì)

二自由度機(jī)械臂夾持器如圖8所示，是基于同類夾持器的結(jié)構(gòu)差異[3,8]，綜合了多款?yuàn)A持器的優(yōu)點(diǎn)，創(chuàng)新性的融合了一些新的元素。支持單夾持和手腕轉(zhuǎn)動(dòng)+夾持兩種運(yùn)動(dòng)方式。夾持器的舵臂，水平滑軌，固定滑塊和夾爪都采用了加厚具有加強(qiáng)筋構(gòu)造的工程塑料，整體強(qiáng)度和剛性都大大提高，造型美觀且經(jīng)久耐用。

夾持器的開距離為0～53 mm（未加增寬器），質(zhì)量為72 g，固定螺孔適用于各類標(biāo)準(zhǔn)件螺釘螺栓，配件方便。夾持器平行夾持工作時(shí)，它具有更大的開距和可延展性，能夠更容易定位魔方的位置。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文在STC15W系列LAP 15W8K61S4芯片的單片機(jī)系統(tǒng)上設(shè)計(jì)完成了整個(gè)魔方還原機(jī)器人，詳細(xì)研究了其重要零部件的機(jī)械結(jié)構(gòu)，材料工作原理以及工作環(huán)境。在各種創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出了體積小、響應(yīng)速度快，操作系統(tǒng)穩(wěn)定的機(jī)械結(jié)構(gòu)，讓魔方還原機(jī)器人的能夠在各種不同的復(fù)雜環(huán)境也能快速地將魔方復(fù)原。該機(jī)器人成本較低，性能穩(wěn)定，普及性廣，魔方機(jī)器人的結(jié)構(gòu)也可以應(yīng)用在其他領(lǐng)域，適用性強(qiáng)。