一種雙臂魔方還原機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)*

阮嘉宏，翁涌杰，俞龍杰，鄒趙渭，儲博凱，陳 龍，江曉亮

(衢州學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,浙江 衢州 324000)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和工業(yè)化的日趨成熟，智能和自動(dòng)化正逐步取得突破性的進(jìn)展，各行各業(yè)在迫切地需求綜合性強(qiáng)的智能機(jī)器人。智能魔方還原機(jī)器人便是其中綜合性的重要體現(xiàn)。結(jié)合多方面考慮，魔方還原機(jī)器人對機(jī)械步驟響應(yīng)、還原速度，判斷識別成功率以及效率，機(jī)械動(dòng)作準(zhǔn)確度都有極高的要求。目前一個(gè)能穩(wěn)定快速還原魔方的機(jī)器人設(shè)計(jì)難度較高，需要有較多的技術(shù)綜合，因此研究解魔方機(jī)器人的設(shè)計(jì)具有一定的科研價(jià)值及創(chuàng)新意義。

筆者針對這些上述要求提出了一種雙臂二指型魔方[1]的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)目標(biāo)是快速穩(wěn)定還原任意打亂的魔方。該機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)便于操控與移植算法，整體穩(wěn)定型較高，普適性較強(qiáng)，成本低，具有高度擴(kuò)展性。

1 總體方案設(shè)計(jì)

該雙臂解魔方機(jī)器人設(shè)計(jì)包括機(jī)架和框架，兩個(gè)臂，圖像采集系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。每只手臂由步進(jìn)電機(jī)，支架，聯(lián)軸器，氣動(dòng)滑環(huán)，氣動(dòng)手爪組成[2]。步進(jìn)電機(jī)通過支架與底座固定，電機(jī)與滑環(huán)通過聯(lián)軸器和光桿來連接，并用自己設(shè)計(jì)的3D打印零件將滑環(huán)的定子固定在底座上，最后氣爪與滑環(huán)的轉(zhuǎn)子相連接[3]。該機(jī)構(gòu)使用一對1080P攝像機(jī)捕獲圖像，從而在確保識別穩(wěn)定性的同時(shí)加快了識別速度。圖1顯示了魔方機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)。

圖1 魔方機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)圖

上位機(jī)(計(jì)算機(jī))，下位機(jī)(STM32F407ZG微控制器)，兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器，機(jī)器支架(40*40鋁材)、攝像頭、氣動(dòng)滑環(huán)、氣爪，電磁閥，氣瓶，控制部分包括單片機(jī)和驅(qū)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)[4]，兩個(gè)圖像采集裝置安裝在還原手臂的對角線上，第一機(jī)械臂和第二機(jī)械臂分別安裝在機(jī)架上。在上方，第一機(jī)械臂和第二機(jī)械臂的軸線彼此垂直交叉以形成魔方夾具。

左右機(jī)器臂分別通過驅(qū)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)與單片機(jī)連接，攝像裝置與單片機(jī)連接[5]。雙臂解魔方機(jī)器人不需要改變魔方的本體，利用經(jīng)優(yōu)化過的圖像識別結(jié)構(gòu)，提高魔方識別效率的同時(shí)縮小了機(jī)器人的總體體積，節(jié)約成本，方便制造。

2 魔方機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該魔方機(jī)器人結(jié)構(gòu)還原魔方需要靠兩只機(jī)械臂中57步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)聯(lián)軸器，通過聯(lián)軸器與氣動(dòng)滑環(huán)、氣缸手爪相連。通過自制的氣動(dòng)滑環(huán)支架支承，由此減少了步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)徑向滑移帶來的偏差以及減小了摩擦力，節(jié)約了功耗[6]。氣閥固定在底座上與氣缸手爪相連，較細(xì)的通氣管保證了氣流流體的連續(xù)性，能精準(zhǔn)快速的完成動(dòng)作。兩只機(jī)械臂呈現(xiàn)水平方向與豎直方向90°的位置擺放，能夠最大程度上的固定魔方初始還原位置，減少還原魔方時(shí)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)帶來的機(jī)體振動(dòng)，在提高魔方色塊識別率的同時(shí)穩(wěn)定還原時(shí)機(jī)體動(dòng)作，提高還原成功率。

通過對魔方尺寸與機(jī)器人本身的配合關(guān)系的研究，將魔方手指設(shè)計(jì)為二指結(jié)構(gòu)，在保證夾持力度的同時(shí)減小體積與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，方便夾持與配合電機(jī)旋轉(zhuǎn)，定為氣動(dòng)手爪二指間距導(dǎo)程要在86～135 mm之間，由此利用3D打印設(shè)計(jì)了階梯指與氣動(dòng)手爪相連，在第二階梯面上附著2 mm厚度的橡膠片來增大摩擦力與對夾持時(shí)手指的閉合進(jìn)行緩沖，階梯指中階梯尺寸為長14 mm,寬10 mm，另有5°的傾角，在此狀態(tài)下機(jī)械臂手指對于魔方的夾持力度較大且穩(wěn)定又不影響識別效果。具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)圖

2.2 氣動(dòng)手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析

在實(shí)際的還原過程中，機(jī)械臂的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)還原功能最重要的事情?？紤]到魔方機(jī)器人的可行性，體積和重量，該項(xiàng)目采用了兩臂兩指復(fù)位方法。這種手臂設(shè)計(jì)方式體積較小，結(jié)構(gòu)簡易緊湊，二指的夾持力度較大，十分適合用以還原魔方。具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 機(jī)械手爪結(jié)構(gòu)圖

手指作為夾持魔方的部分需要在氣動(dòng)手爪的導(dǎo)程與夾持力度之間做出協(xié)調(diào)。3階魔方的尺寸為57×57×57 mm3。要牢固地夾持住魔方，需要手指閉合的情況下，手指間距k略小于57 mm。因此，選擇了最小閉合角度α為7°的氣動(dòng)手爪，由此通過3D打印的方式，設(shè)計(jì)出了使用PLA材質(zhì)的階梯手指。階梯部分用于在放置與還原過程中對魔方進(jìn)行定位與限制作用。k值的大小在我們多次實(shí)驗(yàn)中確定為53 mm，這樣的k值能讓階梯指牢牢地夾住魔方的同時(shí)不至于將魔方擠壓變形或是擠壓至與另一手臂發(fā)生干涉[7]。

2.3 魔方識別結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，該設(shè)計(jì)使用雙1080P攝像機(jī)捕獲圖像。兩個(gè)攝像頭分別固定于機(jī)械臂加持魔方的45°方向，與所要加持的魔方相距24 cm。在方案中，攝像頭每次可以拍攝一張帶有魔方相鄰兩面的圖片，通過透視變換與圖像拼接把第一次拍攝的兩張包含4個(gè)面的圖片與通過機(jī)械臂轉(zhuǎn)換魔方朝向后的第3、4張照片組合，這樣就得到了魔方6個(gè)面的圖片[8]。

通過去噪，分割和取6張圖像的平均顏色等預(yù)處理操作，輸出圖像的顏色信息，再通過Python中的Kociemba算法庫對輸出的魔方色塊信息進(jìn)行求解，得到一組解字符串。再返回上位機(jī)，輸出電脈沖信號分別去控制電磁氣閥與步進(jìn)電機(jī)，對手臂進(jìn)行旋轉(zhuǎn)與夾持的控制，以實(shí)現(xiàn)魔方的還原。

2.4 框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為保證圖像識別便利與還原動(dòng)作的迅速，本項(xiàng)目采用了水平與豎直擺放手臂的方案[9]。這種結(jié)合方式通過手爪的臺階手指與夾持定位器之間的配合能夠保證每次的夾持都可以使魔方在同一位置，避免了魔方位置改變而去影響圖像采集與切割、還原時(shí)手爪夾持錯(cuò)位等問題。夾持定位器如圖4所示。

圖4 夾持定位器

定位時(shí)將魔方放入夾持定位器內(nèi)，再將氣動(dòng)手爪張開，把夾持定位器兩條定位邊架在氣動(dòng)手爪的臺階指上，把夾持定位器延垂直于手爪方向滑移取出，最后將手爪合攏夾持，這樣就便利地完成了魔方的安裝[10]。

魔方機(jī)器人主體部分為40×40的鋁材框架包圍成的立方體，結(jié)構(gòu)緊湊小巧，這樣的框架在減少機(jī)器人重量與體積的同時(shí)可以有利于魔方還原時(shí)的穩(wěn)定，減少機(jī)器振動(dòng)，提高還原效率與成功率。

3 結(jié) 語

此次二指魔方還原機(jī)器人的結(jié)構(gòu)綜合了以往魔方機(jī)器人的各類優(yōu)勢，將體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、功能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)融為一體，相較于傳統(tǒng)魔方還原機(jī)器人，降低了大量成本，精簡了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其能夠適應(yīng)各類環(huán)境限制，能在多種場景下進(jìn)行魔方還原功能。順應(yīng)了機(jī)器人的發(fā)展方向，朝著綜合性強(qiáng)、自動(dòng)化、普適性強(qiáng)的目標(biāo)靠攏。