一種基于SVM分類器的雙臂二指解魔方機器人

張建新 焦帥峰 范雄 陳奎 賈子偉

【摘 要】 近年來，智能機器人逐漸走進人類的日常生產生活，而解魔方機器人因為其無與倫比的趣味性和炫酷的交互性，正成為人工智能的研究熱點。本解魔方機器人采用了最為簡單的機械結構，通過SVM分類器實現對魔方色塊顏色的精準識別，通過機械步驟解算方案將解算步驟轉換成機器人可以直接執行的機械步驟，最終完成了一個快速且穩定的雙臂二指解魔方機器人。

【關鍵詞】 機械結構 SVM分類訓練 步驟解算 控制方案 雙臂二指

1 機械結構設計

1.1 機器人總體框架的設計

考慮到機器人要能夠實現雙臂的高速旋轉，框架的設計上為確保魔方機器人的平穩運行，整體框架采用全金屬的鋁型材搭建，再則考慮到控制器模塊、電源模塊、穩壓模塊、繼電器模塊、高頻氣閥開關、氣缸的位置擺放，使用了輕質的木料，以此作為各個模塊結構的支撐平臺;將兩個攝像頭放置在效果最佳位置處，減少圖像識別所需的機械步驟，避免攝像頭的冗余。3D圖如圖1，實物圖如圖2。

1.2 機械臂結構

機械臂由高精確度高轉速的伺服電機、高轉速的滑環以及平行滑軌組成，兩個機械臂固定在具有45°斜角的鋁型材上，為消除電機轉軸與滑環徑向不共軸的影響，在它們之間采用彈性聯軸器，滑環定子部分固定在鋁型材上，平行滑軌與滑環轉子相連接。

1.3機械抓手

抓手是通過solid works繪制圖形，使用強度高的ABS材料進行3D打印，經過了多次設計比較嘗試后，最終選擇了如下圖3所示的組件構成抓手。

1.4氣源支架

因氣源重量大，為使氣源容易取出，如上圖4所示，根據抽屜的工作原理，在平臺上設計了一個可以來回推動的氣源支架，當需要充氣時，可以將支架抽出，正常工作時，將氣源放于支架上，然后推入。在規定范圍內，這種設計，不僅穩固，且方便氣源的取放。

1.5 雙攝像頭最佳擺放方案

在頂面和底面各放置一個攝像頭，一次性采集4個面的顏色（F、B、U和D），隨后只需左手帶動魔方整體轉動90度，就能采集另外兩個面的色塊信息（R和L）。通過這種方法，只需要電機轉動一次就可以將所有的色塊信息全部采集完成，減少了圖像處理的時間。

2 控制系統設計

采用PC作為上位機，用于控制攝像頭，將圖像處理所得信息通過串口發送給下位機;采用STM32F407主控板作為下位機，用于控制電機驅動器進而驅動伺服電機，控制繼電器進一步控制高頻電磁閥，進而控制氣動導軌，最終實現解魔方的功能。整體控制體系如圖5所示。

2.1控制部分軟件設計

使用通用定時器產生一定頻率的脈沖信號（PWM波占空比固定），再使用另一定時器對脈沖進行計數。通過伺服電機的細分數計算電機轉動90度、180度所需要的脈沖個數，進而控制手臂轉動相應的角度。抓手部分使用I/O口產生高低電平，分別控制抓手的開閉。控制部分程序流程如右圖6所示。

2.2解算步驟轉換成機械步驟

上位機產生解算步驟后，需要將解算步驟轉化成機械手能執行的機械步驟，本魔方機器人有兩個操作面，規定初始時刻‘D在左手操作面，‘B在右手操作面，每一次轉動完成之后，機械手的狀態（末態）組合只有三種（左右手在初位置;左手在初位置，右手不在;左手不在初位置，右手在初位置），下一次轉動從上一次機械手的末態開始，這樣就有效的減少了冗余動作。魔方之間的坐標變換如表1：

規定初始時刻魔方各個面所在的位置為參考坐標，如上圖7所示。上位機的解算步驟執行一步，魔方各個面的位置就會在參考坐標上變換一次。每執行一次上位機的步驟就實時更新魔方面的坐標，再配合機械手的三種末態，完成上位機的步驟到機械手步驟之間的轉換。

3 基于SVM分類訓練的顏色識別方案

使用 SVM 分類器，實現魔方 54 個色塊的識別。首先，在正式開始識別之前， 使用攝像頭獲取魔方的 6 種色塊的在不同位置的多個樣本，將這些樣本保存在一個文件夾中， 如圖 8。 然后獲取樣本中每個像素點的 BGR 值，將這些 BGR 值作為樣本數據開始訓練，并為每種顏色的訓練數據設定相應的標簽。測試時，通過攝像頭拍攝6個面的圖片，共4張，將圖片保存在同一個文件夾中， 隨后調用照片，通過設定每個色塊的坐標，提取相應坐標的 BGR 值與實現訓練的6種顏色類型進行匹配，進而獲得魔方 54 個色塊的顏色。原圖如圖 9，顏色識別的效果圖如圖 10。

4 結束語

通過巧妙地機械結構設計，實現了整體結構的極簡性。采用SVM分類訓練使得機器人在不同的外界環境下也可以完美的識別色塊顏色，實現了穩定性。通過步驟結算方案，實現了將解算步驟轉化為步驟最少的機械步驟，實現了快速性。

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