姚宇菲

摘 要：文章提出一種解魔方機(jī)器人方案，包含齒輪，電機(jī)，多桿系機(jī)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和顏色掃描機(jī)構(gòu)以及電子設(shè)備組成，可實(shí)現(xiàn)打亂后的魔方按照既定的算法進(jìn)行自動(dòng)復(fù)位。另外文章對(duì)當(dāng)前解魔方機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討，指出了機(jī)器人技術(shù)是未來(lái)技術(shù)發(fā)展的方向。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；解魔方

1 概述

近年來(lái)，隨著三維數(shù)字化設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器人設(shè)計(jì)和制造技術(shù)得到了迅猛發(fā)展[1，2]，廣泛應(yīng)用在工業(yè)機(jī)械、日用品和科學(xué)研究當(dāng)中。同時(shí)，社會(huì)對(duì)機(jī)器人研發(fā)也越來(lái)越重視，各類機(jī)器人的研制方興未艾。

魔方是重要的益智玩具，近年來(lái)一直受到社會(huì)魔方愛(ài)好者以及科研工作者關(guān)注，然而依靠人工求解和翻轉(zhuǎn)魔方步驟繁多，難度極大，于是用于解魔方的機(jī)器人的研制逐步得到社會(huì)重視?，F(xiàn)有市場(chǎng)上的普通解魔方機(jī)器人翻轉(zhuǎn)，運(yùn)動(dòng)笨拙，顯示度低?；蛘哳伾珤呙铏C(jī)構(gòu)與魔方旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)未能集成，智能化程度低，對(duì)輕巧型解魔方機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)研究逐漸成為科技界研究熱點(diǎn)。

2 方法原理

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人輕質(zhì)化和簡(jiǎn)潔化的目標(biāo)，我們根據(jù)電機(jī)和魔方的尺寸，設(shè)計(jì)了一種齒輪驅(qū)動(dòng)搖臂式雙連桿機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)原理圖見(jiàn)圖1。具體實(shí)現(xiàn)方式為：通過(guò)電機(jī)1的驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)齒輪，再通過(guò)搖臂帶動(dòng)連桿拉動(dòng)魔方，當(dāng)魔方轉(zhuǎn)動(dòng)到一定角度的時(shí)候再反方向驅(qū)動(dòng)電機(jī)1將魔方推入托盤，實(shí)現(xiàn)魔方繞X向轉(zhuǎn)動(dòng)。然后通過(guò)電機(jī)2驅(qū)動(dòng)托盤帶動(dòng)魔方繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)。以此類推，實(shí)現(xiàn)所有面的翻轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)動(dòng)間隙驅(qū)動(dòng)電機(jī)3帶動(dòng)顏色掃描結(jié)構(gòu)隨時(shí)檢查魔方顏色狀態(tài)，最終通過(guò)計(jì)算機(jī)程序識(shí)別魔方翻轉(zhuǎn)正確性。

3 詳細(xì)方案

3.1 詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文詳細(xì)方案的詳細(xì)組成包括整體底座（1），設(shè)備安裝盒（2），從動(dòng)齒輪（3），驅(qū)動(dòng)齒輪（4），驅(qū)動(dòng)鵝頸（5），翻轉(zhuǎn)長(zhǎng)桿（6），從動(dòng)鵝頸（7），連接桿（8），魔方支座（9），旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)接法蘭盤（10），驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)接法蘭盤（11），異形螺母（12），驅(qū)動(dòng)軸（13），從動(dòng)長(zhǎng)軸（14），從動(dòng)短軸（15），圓形螺母（16），顏色掃描元件（17），顏色掃描元件支架（18），翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)（19），旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)（20），顏色掃描機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)（21），綜合控制單元（22），測(cè)控控制單元（23），電源單元（24），通訊單元（25）。

典型結(jié)構(gòu)詳圖見(jiàn)圖3-圖5。

3.2 裝配設(shè)計(jì)

本方案的裝配方式為：

（a）將所有結(jié)構(gòu)零件、電氣元件準(zhǔn)備；

（b）將翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)（19），旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)（20），顏色掃描機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)（21）用螺釘裝入整體底座（1）；

（c）將綜合控制單元（22），測(cè)控控制單元（23），電源單元（24），通訊單元（25）裝入設(shè)備安裝盒（2），螺釘固定；

（d）將顏色掃描元件（17），顏色掃描元件支架（18）裝入整體底座（1），螺釘固定；

（e）將電機(jī)轉(zhuǎn)接法蘭盤（11）中心孔插入翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)（19）和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)（20）；將驅(qū)動(dòng)齒輪（4），驅(qū)動(dòng)軸（13），驅(qū)動(dòng)鵝頸（5）異形螺母（12）裝入；

（f）將從動(dòng)齒輪（3）用鉚釘與驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)接法蘭盤（11）連接并與驅(qū)動(dòng)齒輪（4）咬合；

（g）將旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)接法蘭盤（10）插入旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)（20），連接將魔方支座（9）；

（h）安裝翻轉(zhuǎn)長(zhǎng)桿（6），從動(dòng)鵝頸（7），連接桿（8），從動(dòng)長(zhǎng)軸（14），從動(dòng)短軸（15），圓形螺母（16）；

（i）用鉚釘連接整體底座（1）與設(shè)備安裝盒（2）。

3.3 功能仿真

通過(guò)使用三維設(shè)計(jì)仿真軟件，對(duì)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行典型運(yùn)動(dòng)狀態(tài)運(yùn)動(dòng)仿真，結(jié)果為運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)滿足要求。

（a）翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)抬升，顏色掃描元件停留魔方區(qū)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)單面顏色特征識(shí)別。

（b）顏色掃描機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)離開魔方區(qū)，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)下降，拉動(dòng)魔方翻轉(zhuǎn)。

（c）翻轉(zhuǎn)到一定角度再向反方向推動(dòng)魔方，實(shí)現(xiàn)魔方翻轉(zhuǎn)。

（d）魔方翻轉(zhuǎn)后，翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)限定魔方頂層和中間層，底層通過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)單層控制。

4 創(chuàng)新點(diǎn)

本設(shè)計(jì)方案的創(chuàng)新點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：

（1）本發(fā)明的推拉式機(jī)構(gòu)巧妙，顯示度高，吸引人；

（2）僅用3個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)全部魔方解碼自動(dòng)操作功能，重量和功率省；

（3）翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和顏色掃描機(jī)構(gòu)集成在一個(gè)底座上，解算更高效；

（4）使用整體底座，零件數(shù)量少，裝配方便。

5 解魔方機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

解魔方機(jī)器人技術(shù)涉及結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)、電氣和軟件編程等多學(xué)科知識(shí)，技術(shù)領(lǐng)域新，難度大，當(dāng)前國(guó)內(nèi)在研究解魔方機(jī)器人方面還處于起步階段，尚存在以下幾類關(guān)鍵技術(shù)急需突破：

5.1 高可靠輕巧型結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的解魔方機(jī)器人存在普遍問(wèn)題是結(jié)構(gòu)笨重、機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，翻轉(zhuǎn)可靠性低，導(dǎo)致的結(jié)果是功耗高、顯示度低，經(jīng)常翻轉(zhuǎn)出錯(cuò)，難以市場(chǎng)化。

5.2 基于機(jī)電一體快速解魔方計(jì)算機(jī)算法

當(dāng)前的人工解魔方算法例如“層減法”等已經(jīng)非常成熟，但是如何用機(jī)電一體可翻譯成機(jī)器語(yǔ)言和機(jī)構(gòu)動(dòng)作協(xié)調(diào)的算法尚未有效突破，導(dǎo)致翻轉(zhuǎn)步驟過(guò)多，有的達(dá)到800多步才能完成魔方解算，效率低。

5.3 高分辨率復(fù)雜顏色快速識(shí)別技術(shù)

在魔方翻轉(zhuǎn)過(guò)程中，顏色的識(shí)別是重要的內(nèi)容，目前多數(shù)機(jī)器人對(duì)魔方的顏色塊識(shí)別不準(zhǔn)確，也是制約解算成功率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

6 結(jié)束語(yǔ)

魔方是世界著名玩具和智力工具，機(jī)器人必將成為未來(lái)先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。希望社會(huì)各界有更多的人來(lái)關(guān)注解魔方機(jī)器人技術(shù)，并將其中的先進(jìn)成果推廣應(yīng)用到其他領(lǐng)域，促進(jìn)社會(huì)科技的進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

[1]李瑞峰.中國(guó)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化發(fā)展戰(zhàn)略思考[J].航空制造技術(shù)，2010（9）：32-37.

[2]逄淑敏.沈陽(yáng)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式研究[D].沈陽(yáng)大學(xué)，2015.