魔方還原機器人的結構分析*

胡浪飛，黃永程，曾 湞，徐 圳，陳建鴻

（廣東理工學院，廣東肇慶 526100）

0 引言

隨著當今人類社會的快速發展，“智能化”成為21世紀的一個新主題。在這個時代背景下，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，復原魔方任意組合的轉動次數的最小值也被稱為“上帝之數”[1]，這不僅是一種燒腦的智力玩具，也是一種會讓人沉浸于如何破解魔方的頭腦風暴之中的趣味玩具。但是面對魔方的多變性，所需的公式越發繁雜，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問題。魔方還原機器人為快節奏的生活增添了一份樂趣，將科學技術融入學習生活，極具創新創意思維。

本文介紹的魔方還原機器人的原理，以及它整體的設計涵蓋了許多領域的知識與技術：結合了機器視覺、還原算法分析、機器人執行機構的設計等模塊，融合成一體，形成魔方還原系統。文中的魔方還原機器人主要結構由2個帶有兩爪機械手的機械臂構成。機械臂主要通過2組舵機作為動力源提供動力，從而驅動整個魔方還原機器人的復原動作。

1 總體方案設計

魔方還原機器人是機器人智能化的一種新體現，魔方還原機器人的機械結構設計以及還原算法的分析編譯是該機器人的核心內容。本文闡述的基于LAP 15W8K61S4芯片的魔方還原機器人是一臺能夠通過計算，迅速解出還原步驟并將魔方快速復原的機器人。圖1所示為本文設計的魔方還原機器人的整體架構圖。它涵蓋了魔方顏色識別，還原步驟算法解析計算，機械爪夾取系統以及機械臂旋轉系統。主體機械結構由2只機械臂組成，通過云臺搭建固定在支撐架上，在2組舵機的分別驅動下，實現機械臂的轉動以及夾爪的夾取運動，從而實現魔方面的轉動。舵機組1帶動爪子聯動機構，進而使機械爪在平滑的導軌上實現張開與夾緊動作；舵機組2帶動云臺轉動，實現機械臂的轉動[2]。

圖1 魔方機器人架構圖

2 整體結構設計

目前魔方機器人的機械結構主要有類人雙臂式和四軸旋轉式2種類型[2]，相比之下，類人雙臂式的魔方放機器人結構更為簡單，控制系統協調度更高，成本更低。該魔方還原機器人復原過程需要2只機械臂同時工作，相互配合運動來完成相應復原轉動的動作。為使機械臂能夠互相獨立工作，做回轉運動時互不干擾，機械臂需滿足手臂的中心線在同一平面且垂直，故機械臂采用雙臂交叉正交結構，分別在魔方的兩側斜45°向上，從兩側支撐魔方。兩機械臂通過云臺裝夾固定在與水平桌面形成45°夾角的鋁型材直桿上，完成機械臂以及夾爪的相應動作[3]。舵機組1驅動機械爪在平滑的導軌上做直線運動，實現對魔方的夾緊與松開；舵機組2通過連接軸承，帶動云臺轉動，實現機械臂的轉動，進而實現魔方的回轉。

2.1 機械臂的結構設計

機械臂由云臺搭建作為固定底座，分別用4個長螺釘均勻的分布在云臺面，連接云臺以及軸承盤，2個軸承盤通過4個長螺釘連接，將軸承固定裝夾在中間，舵機通過法蘭盤與下端軸承盤連接，上端軸承盤通過2個直角底座連接著機械爪夾持器。舵機轉動帶動下端軸承盤轉動，夾在中間的軸承支撐著機械臂旋轉，降低了機械臂在轉動過程中的摩擦系數，從而保證了機械臂在魔方復原轉動過程中的回轉精度。下端軸承盤運動帶動著上端軸承盤運動，從而帶動著由直角底座連接著的機械爪夾持器一起運動。

圖2 機械臂實物圖

圖3 單個魔方夾爪

2.2 夾爪設計

魔方的還原通過對機器人機械爪進行平移、旋轉和開閉3種動作來實現[4]。對于抓取魔方的夾爪設計，傳統的魔方還原機器人多選用五指結構，但其結構復雜，穩定性差，本文設計的魔方還原機器人采用二指結構，力量調節更方便，結構更簡單，自身轉動慣量較小，質量分布較均勻，更適合一邊轉動一邊抓取。

夾爪材料采用PLA材料3D打印完成，夾爪內側設還計了1個定位凸臺，從兩側支撐魔方，從而減小因魔方自重在轉動過程中產生的誤差，保證夾爪在夾取和松開時，魔方的準確位置。夾爪工作時舵機帶動聯桿轉動，進而驅動2根機械手指在導軌上滑動，實現機械手指的夾緊和松開動作[5]。

2.3 框架的設計

整體框架由底座和機械臂支撐桿構成，框架材料選用工業鋁型材（圖4和圖5），外觀精致，環保耐臟，質量輕巧，拆裝靈活，方便攜帶。相比傳統魔方還原機器人笨重且難以拆裝的鋼材框架[3]，本文闡述的機器人體型更輕巧，機構更簡單，易于拆裝攜帶，便于流動展示。

該魔方還原機器人底座在機械結構中最主要的作用就是作為整體承壓，承受上層機械傳遞來的較大的力，并且將傳遞來的力傳導出去，起到承壓和保護的作用。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，使云臺底座更加穩固，堅定，耐壓。

圖4 工業鋁型材

圖5 底座

機械臂支撐桿通過角碼兩兩連接，構成1個正方形。將正方形豎直放置，使其中1條對角線垂直于底座，2條支撐桿滿足垂直條件，且與水平底座分別呈45°夾角，保證機械臂固定后，雙臂呈正交結構。

圖6 框架

2.4 軸承的設計

軸承的選擇需要根據軸承受力情況選擇軸承類型。本文設計的魔方還原機器人軸承只連接了上下2個軸承盤，軸承在軸向和徑向方向上均受到載荷，受載荷較小；當上位機解析出魔方還原步驟，芯片驅動下位機工作，工作過程中，2個機械臂處于高速運轉當中；基于上述載荷條件要求，軸承基本類型采用滾動軸承，軸承工作轉速高，故選擇深溝球軸承。如圖7所示。

舵機盤直徑D1=120 mm，預留20 mm作為螺孔固定使用，選擇軸承外徑D=95 mm，內徑d=75 mm，查表GB/T276-1994得選用深溝球軸承1180815K（國內新型號61815-2RS），寬度B=10 mm，額定動載荷Cr=12.5 kN，額定靜載荷Cor=12.8 kN。選擇潤滑劑時，考慮軸承內圈與空氣接觸，油潤滑會導致運動黏度過高，不利于軸承的高速轉動，故潤滑方式采用脂潤滑，潤滑劑采用通用鋰基潤滑脂（GB/7324-2010）2號，熔點不低于175℃，適用溫度在-20～120 ℃范圍[7]。

圖7 軸承

圖8 二自由度機械臂夾持器

2.5 二自由度機械臂夾持器的設計

二自由度機械臂夾持器如圖8所示，是基于同類夾持器的結構差異[3,8]，綜合了多款夾持器的優點，創新性的融合了一些新的元素。支持單夾持和手腕轉動+夾持兩種運動方式。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筋構造的工程塑料，整體強度和剛性都大大提高，造型美觀且經久耐用。

夾持器的開距離為0～53 mm（未加增寬器），質量為72 g，固定螺孔適用于各類標準件螺釘螺栓，配件方便。夾持器平行夾持工作時，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 結束語

本文在STC15W系列LAP 15W8K61S4芯片的單片機系統上設計完成了整個魔方還原機器人，詳細研究了其重要零部件的機械結構，材料工作原理以及工作環境。在各種創新結構的基礎上設計出了體積小、響應速度快，操作系統穩定的機械結構，讓魔方還原機器人的能夠在各種不同的復雜環境也能快速地將魔方復原。該機器人成本較低，性能穩定，普及性廣，魔方機器人的結構也可以應用在其他領域，適用性強。