一種雙臂二指還原機器人的結構分析

錢雅婷,施驊洛,俞龍杰,傅宛鑫,江曉亮,馮凱萍

(衢州學院 機械工程學院,浙江 衢州 324000)

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。從世界工業的發展潮流看，發展機器人是一條必由之路。目前機器人的數量逐年增加，銷售額也急劇上升，機器人越來越頻繁地出現在人們的視野中。魔方機器人是一個集技術與興趣于一身的機器人，極具創新創意思維，能夠極大程度地激發人們對科學的興趣。

本文介紹了一種雙臂二指魔方還原機器人，它利用攝像頭獲取圖像，然后利用Kociemba算法來決定最佳恢復方案，精確地控制手臂進行魔方的還原。

1 魔方還原機器人整體結構設計

魔方機器人主要由機械結構及還原算法組成。本文所描述的是一種雙臂二指魔方還原機器人，它包含框架結構、控制系統、識別系統及算法分析等部件。圖1為魔方機器人的3D模型。本機器人設置有兩個1080P攝像頭、2個57步進電機及控制器、2個聯軸器、2個氣動手爪、2個電磁閥、1個繼電器、1只氣瓶以及LED燈若干。將控制板和驅動控制機構安裝在控制箱中，固定在底座的一端。考慮到魔方機器人質量和體積，選用雙臂二指的復位方法，將兩個機械臂固定在底座兩側的45°斜面上，相交成一個直角。由氣動手爪來實現魔方的夾取與松開，步進電機實現魔方的旋轉，兩者相互配合完成相應的復原動作實現魔方還原。

圖1 魔方機器人整體3D模型

用氣動手爪將魔方緊緊夾住，再打開啟動鍵，兩個攝像頭獲取魔方各個面的圖像，通過圖像識別及算法運算來獲取最佳的還原方案，再通過控制氣動手爪和步進電機來實現魔方的還原。

2 魔方機器人結構設計

2.1 機械臂設計

機械臂由57步進電機、聯軸器、氣動手爪、光桿組成，單個機械臂的總體長度為310 mm，具體結構如圖2所示。兩個機械臂呈45°安裝在底座上，步進電機通過支架用螺釘固定在45°的斜面底座上，聯軸器連接步進電機和氣動手爪。步進電機用于旋轉手臂，通過聯軸器步進電機帶動氣動手爪控制魔方進行旋轉，從而進行魔方還原。聯軸器內部穿過一根光桿，光桿將步進電機和氣動手爪連接在一起。氣動手爪采用Y型雙開閉式手爪，利用壓縮空氣作為動力來夾住魔方，保證魔方旋轉時不輕易晃動，聯軸器降低了氣動手爪旋轉過程中的摩擦因數，避免因魔方旋轉角度的問題從而損壞魔方或還原失敗。

圖2 魔方機器人機械臂

氣動手爪通過氣帶彈簧管與電磁閥相連，電磁閥的另一端通過氣帶彈簧管連接在空氣壓縮機上。電磁閥為氣動電磁閥，用于控制氣動手爪的夾緊和松開。氣動電磁閥放在機械手臂的一端，與底座相固定，盡可能地節省空間，相較于舵機控制的手爪，氣動手爪夾緊和松開所需的時間較短，且穩定性較高。氣動手爪與聯軸器在步進電機的作用下可進行360°轉動，且轉動的速度也較快，配合氣動手爪可較快地完成魔方的還原。由于采用的是氣動手爪，且空氣壓縮機體積較大也較重，所以選擇氣瓶來儲存壓縮空氣，給氣動手爪提供動力。

2.2 氣動手爪結構設計

氣動手爪上安裝了手指，根據魔方的實際尺寸和氣動手爪的行程來設計手指的尺寸和大小，手指由3D打印制造而成。氣動手爪的手指是用來夾住魔方和轉動魔方，所以需要較高的強度，因此手指3D打印的填充度選擇了90%，經過多次實驗，表明90%的填充度可滿足使用要求。

三階魔方的尺寸一般在55 mm～57 mm之間，手指設計為兩層的階梯型，可以避免手爪擋住色塊的情況，且具有一定的強度。最上方的階梯長度為4 mm，剛好可以轉動魔方，其中3 mm貼上橡膠，用于增大摩擦力，剩余的1 mm用于魔方的定位。手指結構如圖3所示，黑色部分為橡膠。手指張開時兩指的距離為90 mm，為牢牢地夾持住魔方，閉合時兩指間的距離應略小于魔方最小尺寸，經過多次實驗，將手指閉合時兩指的距離確定為50 mm，這樣的距離能夠牢牢夾住魔方且不至于將魔方擠壓變形，可以輕松實現魔方的松開、夾緊與旋轉。

為提高魔方機器人還原的準確率，需保證魔方每次旋轉后手指松開再次夾緊時能夠夾在魔方二層，需要在氣動手爪夾緊魔方時注意魔方與機械手臂之間的相對位置，同時也需要注意攝像頭對魔方圖像的拍攝位置。

2.3 識別機構設計

在兩個機械臂相交的下方放置一個的攝像頭，上方的攝像頭固定在框架鋁材上，根據圖像識別的需求將攝像頭固定，并且在攝像頭上固定LED燈，為圖像識別提供光源，提高成功率。兩個攝像頭均為1080P，與夾持的魔方相距20 cm。兩個攝像頭可以捕捉到魔方的四個面，再旋轉一下，就能捕捉到魔方的剩下兩個面，將拍攝的6張圖片進行透視變換、顏色識別等預處理，輸出相應的顏色信息，再通過Python中的Kociemba算法庫對輸出的魔方色塊信息進行求解，輸出脈沖信號控制步進電機和氣動電磁閥，對魔方進行夾持和旋轉來還原魔方。

2.4 框架結構設計

魔方機器人的外廓尺寸為480 mm×440 mm×480 mm，總重量為15 kg，底座選用40×40工業鋁型材，硬度高，耐腐蝕，且容易安裝、拆卸，便于攜帶、搬運。底座起到承壓和保護的作用，需要一定的抗壓強度，為減輕整個機器人的重量，底座并沒有選擇采用整塊鋁板作為底座，而是選擇用鋁材搭建成如圖4所示的形式，鋁材之間使用90°角鋁、T型螺栓和螺母進行連接，便于拆卸，再用熱熔膠進行加固，保證強度的同時又較為穩定。

底座的一端與兩段鋁材豎直連接，在鋁材一定的高度裝設LED燈，為圖像識別提供光源，并且可以減少場地光線對于識別的干擾；另一端用鋁材設計成如圖5所示的結構，與控制面板相連，并且將攝像頭連接在上方。在底座一側兩端的鋁材上都安裝有45°角鋁，并且將亞克力板安裝在兩塊45°角鋁上，將手臂安裝在亞克力板上，與底座呈45°夾角。

圖3 手指結構 圖4 底座模型圖5 整體框架模型

機械臂運轉時會產生較大的載荷，選用厚度為10 mm的亞克力板，有足夠的強度可以承受機械臂的重量和運轉時產生的力。

3 結束語

本文闡述了整個魔方還原機器人的結構設計，該魔方機器人具有體積小、重量輕、結構緊湊、操作穩定等優點。通過設計穩定的機械結構，將各種傳感器得到的信息進行融合，進行圖像識別，采用Kociemba算法，讓魔方機器人在各種復雜的情況下都能快速準確地將魔方還原，且具有很強的自適應能力。