专利名称：一种基于智能手机的解魔方机器人的制作方法
技术领域：
本发明公开了一种基于智能手机的解魔方机器人，涉及机器人装置。
背景技术：
机器人学的研究推动了许多人工智能思想的发展，有一些技术可在人工智能研究中用来建立世界状态的模型和描述世界状态变化的过程。解魔方机器人将机器人作为载体，应用人工智能技术解决三阶魔方还原问题。专利号为ZL201020628689. X的专利公开了一种机器人，其利用旋转气缸控制两个夹角为90°的机械臂，利用夹执气缸控制两个夹手，气缸通过气管连接到电磁气阀，电磁气阀连接到气泵，两个夹手用来夹持魔方，摄像头将连接到计算机，计算机控制电磁气阀。该方案存在以下几个方面尚需完善I、气缸、电磁气阀、气泵等兀件耗能太多，能量利用率低。2、未提到用于连接夹手的气管在机械臂转动如何解决缠绕问题。3、由于环境光所造成的摄像头图像识别的不准确。4、计算机不便携，且体积大，不利于在不同环境下工作。
发明内容
本发明提供了一种基于智能手机的解魔方机器人，它通过上位机单元采集魔方颜色信息，完成乱序魔方还原逻辑运算，并将解法通过蓝牙通信发送给机器人上控制单元进行实时控制，由执行单元完成对三阶魔方的还原。解魔方机器人的执行单元采用一种解决机械爪旋转绕线的传动机构解决由于机械臂在转动时所产生的爪部舵机绕线问题。解魔方机器人采用补光辅助装置来解决由于环境光所造成的摄像头图像识别不准确问题。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一种基于智能手机的解魔方机器人，其特征在于，包括上位机单元主要为智能手机，其安装有android应用程序和智能手机摄像头、智能手机蓝牙设备；控制单元包括下位机处理器、蓝牙模块；执行单元主要为驱动电路、电机、舵机；电源单元主要为锂电池、稳压电源。上位机单元对魔方状态进行识别分析，将计算得到的还原步骤通过智能手机蓝牙设备发送给控制单元。控制单元通过蓝牙模块接收到上位机单元发送的还原步骤，根据还原步骤控制执行单元。执行单元通过电机、舵机的配合完成对机械臂、机械爪控制还原魔方。电源单元为上位机单元、控制单元和执行单元供电。一解三阶魔方机器人结构，由魔方、机械爪、舵机、机械爪支撑、转盘、转臂、转轴支座、同步带轮、同步带、导电滑环支座、导电滑环、控制电路、支撑板、底板、固定板、小步进电机、补光支架、LED、智能手机组成。魔方放在机械爪上，两个机械爪相互垂直固定。将机械爪通过支撑片固定在转盘上，转盘和转臂的上端固定，转臂穿过轴承支座，下端和大同步带轮相连，小步进电机轴上、连接小同步带轮，通过同步带与大同步带轮相连接。导电滑环与导电滑环支座相连，导电滑环支座固定在支撑板上，安装位置与转轴同心。支撑板和补光支架固定在底板上。一解决机械爪旋转绕线的传动结构，由转盘、转臂、轴承支座、支撑板、大同步带轮、同步带、导电滑环支座、导电滑环、底板、小同步带轮、固定板、小步进电机组成。将转盘和转臂的上端固定，转臂穿过轴承支座和大同步带轮后与导电滑环固定，小步进电机转轴与小同步带轮相连，小同步带轮通过同步带与大同步带轮相连接，导电滑环通过导电滑环支座固定在支撑板上，支撑板固定在底板上。机械爪上舵机引线穿过转臂内部与导电滑环相连，小步进电机转轴在驱动电路控制下转动270°或540° ,通过同步带传动转臂转动90°或180° ,机械爪同转臂固定,机械爪上舵机转动90°或180°，从而解决由于机械臂转动引起的机械爪上舵机引线缠绕问 题。一补光辅助装置，由补光支架和LED组成。将LED固定在补光支架前端，构成补光辅助装置。所述机械爪由连杆、齿轮、铝制L型结构组成。其中铝制L型结构与魔方接触面长为20mm,宽为15臟，高为18mm n所述机械爪固定方式为两机械爪相互垂直固定，中心距90mm，每个机械爪由两个铝制L型结构加持魔方非中间层中间块，使魔方固定于俩机械爪上。所述转臂内部为空心，舵机引线可以从转臂内部穿出与下方导电滑环上端引线处相连接。所述补光支架为一铝制环形结构，环形面与待识别魔方面平行，且距离魔方表面距离为150mm。本发明与现有的解魔方机器人相比，可以去得如下有益效果本发明采用电机和舵机作为执行机构，原料易于取得，控制上更加方便简单，节能环保。结构上采用一解决机械爪旋转绕线的传动方式，从根本上解决了由于机械臂转动引起的机械爪上舵机引线缠绕问题。并且通过带轮和同步带的选配，可以改变电机减速比，从而使机械臂旋转获得更大的力矩。结构上采用补光辅助装置很好的解决了颜色识别中普遍存在对环境光照依赖高的缺陷。通过补光辅助图像识别法将环境光影响降到最低，使魔方表面颜色空间接近预设值，最大限度地减少外界光照对摄像头对魔方颜色采样的干扰。智能手机魔方还原系统替代计算机中魔方还原程序。基于现在热门开源技术android平台开发的上位机程序通过智能手机运算单元完全能替代传统高速计算机功能。蓝牙无线传输技术可以拓展解魔方机器人空间传输信号能力。智能手机魔方还原系统大大减小了解魔方机器人体积，便于运输，易于在日常生活中对机器人操作，科技水平更高。
图I、一种解魔方机器人系统框2、一种解魔方机器人系统流程图
图3、智能手机魔方还原系统框4、一种解魔方机器人结构示意5、一种解决机械爪旋转绕线的传动机构示意6、补光辅助装置示意中1_魔方；2_铝制L型结构；3-连杆；4_舵机；5-机械爪支座；6-转盘；7-转臂；8_转轴支座；9_大同步带轮；10_同步带；11_导电滑环支座；12_导电滑环；13_控制电路；14-支撑板；15_底板；16_固定板；17-小步进电机；18-补光支架；19-LED ;20_智能手机；21-小同步带轮
具体实施例方式下面结合附图和实施方式对本发明做进步一说明。 本实例所采用智能手机内置android操作系统；支持摄像头；支持蓝牙。解魔方机器人如图I所示本发明的一种基于智能手机的解魔方机器人，包括上位机单元主要为智能手机，包括android应用程序、智能手机摄像头、智能手机蓝牙设备；控制单元包括下位机处理器freescale系列单片机、蓝牙模块；执行单元主要为LM298驱动电路、小步进电机、MG995舵机；电源单元主要为6V锂电池、12V稳压电源。上位机单元对魔方状态进行识别分析，将计算得到的还原步骤通过无线蓝牙发送给控制单元。控制单元通过无线蓝牙接收到上位机单元发送的还原步骤，根据还原步骤控制执行单元。执行单元通过电机、舵机的配合完成对机械臂、机械爪控制还原魔方。电源单元为上位机单元、控制单元和执行单元供电。解魔方机器人系统流程实施例如图2所示系统开始工作后智能手机上android应用程序控制打开智能手机摄像头和蓝牙。智能手机上蓝牙搜索解魔方机器人下位机蓝牙，直到搜索到再进行握手、配对，直到握手、配对成功后建立连接。由智能手机摄像头对各面颜色进行采集，android应用程序进行颜色识别并存储。识别完毕上位机处理器进行魔方还原步骤逻辑运算，得到解魔方机器人还原魔方步骤。由智能手机上蓝牙发送采魔方还原步骤，下位机蓝牙接收步骤，下位机控制双臂执行解法，下位机请求上位机发送下一步解法。上位机处理器判断是否为最后一步，若不是则发送下一步解法，若是则关闭摄像头和蓝牙，系统工作完毕。智能手机魔方还原系统实施例如图3所示智能手机魔方还原系统包括智能手机摄像头、智能手机蓝牙和android平台的解魔方程序。解魔方程序将智能手机摄像头采集到信心交给处理器进行图像识别，识别完毕后处理器进行还原运算，解魔方程序再通过智能手机蓝牙将魔方还原步骤进行无线通信。解魔方机器人结构实施例如图4所示，图中结构说明魔方I放在由铝制L型结构2、连杆3和舵机3组成的机械爪上，两个机械爪相互垂直固定，与水平面均为45°夹角。将机械爪通过机械爪支座5固定在转盘6上，转盘6和转臂7的上端固定，转臂7穿过轴承支座8下端和大同步带轮9相连，小步进电机17轴上连接小同步带轮21,通过同步带10与大同步带轮9相连接。导电滑环12与导电滑环支座11相连，导电滑环支座固定在支撑板14上，安装位置与转轴同心。支撑板14和补光支架18固定在底板15上；一解决机械爪旋转绕线的传动机构装置实施例如图5所示，将转盘6和转轴7的上端固定，转轴7穿过轴承支座8下端和大同步带轮9相连，小步进电机17轴上连接小同步带轮21,通过同步带10与大同步带轮9相连接。导电滑环12与导电滑环支座11相连，导电滑环支座固定在支撑板14上，安装位置与转轴同心。小步进电机17转轴在驱动电路控制下转动270或540，通过同步带10传动转臂7转动90°或180°，从而达到机械臂完成90°或180°旋转。机械爪上导线穿过转臂7内部与导电滑环相连，从而解决由于机械臂转动引起的绕线问题。一补光辅助装置实施例如图6所示，将4个LED分别固定在手机支架前端，构成补光辅助装置。 本发明工作时，具体过程如下图像处理阶段智能手机摄像头首先对正对魔方面进行画面截取，android应用程序基于智能手机运算单元计算出魔方面颜色信息，并进行存储。通过左右臂电机旋转和左右爪舵机控制使摄像头依次采集乱序魔方六个面颜色信息。逻辑运算阶段通过android应用程序基于智能手机运算单元对存储的魔方信息进行计算，得到魔方还原步骤。通信阶段通过android应用程序控制智能手机打开蓝牙设备，发送魔方还原步骤给下位机处理器。下位机处理器蓝牙设备进行接收。还原阶段下位机处理器通过蓝牙接收到的魔方还原步骤对左右转臂电机和左右爪舵机进行控制，从而完成对一个乱序三阶魔方的还原。
权利要求
1.一种基于智能手机的解魔方机器人，其特征在于其通过上位机单元采集魔方颜色信息，完成乱序魔方还原逻辑运算，并将解法通过蓝牙通信发送给机器人上控制单元进行实时控制，由执行单元完成对三阶魔方的还原。解魔方机器人的执行单元采用一种解决机械爪旋转绕线的传动机构解决由于机械臂在转动时所产生的爪部舵机绕线问题；执行单元采用补光辅助装置来解决由于环境光所造成的摄像头图像识别不准确问题。
2.根据权利要求I所述的一种基于智能手机的解魔方机器人，其特征在于 所述的上位机单元主要为智能手机，其安装有android应用程序和智能手机摄像头、智能手机蓝牙设备；所述的控制单元包括下位机处理器、蓝牙模块；所述的执行单元主要为驱动电路、电机、舵机；其还包括有电源单元主要为锂电池、稳压电源； 上位机单元对魔方状态进行识别分析，将计算得到的还原步骤通过智能手机蓝牙设备发送给控制单元。控制单元通过蓝牙模块接收到上位机单元发送的还原步骤，根据还原步骤控制执行单元。执行单元通过电机、舵机的配合完成对机械臂、机械爪控制还原魔方。电源单元为上位机单元、控制单元和执行单元供电。
3.根据权利要求I所述的一种基于智能手机的解魔方机器人，其特征在于所述的执行单元包括魔方、机械爪、舵机、机械爪支撑、转盘、转臂、转轴支座、同步带轮、同步带、导电滑环支座、导电滑环、控制电路、支撑板、底板、固定板、小步进电机、补光支架、LED、智能手机； 魔方放在机械爪上，两个机械爪相互垂直固定；将机械爪通过支撑片固定在转盘上，转盘和转臂的上端固定，转臂穿过轴承支座，下端和大同步带轮相连，小步进电机轴上连接小同步带轮，通过同步带与大同步带轮相连接。导电滑环与导电滑环支座相连，导电滑环支座固定在支撑板上，安装位置与转轴同心。支撑板和补光支架固定在底板上； 所述的光辅助装置，由补光支架(4)和LED组成JfLED固定在补光支架前端，构成补光辅助装置。
4.根据权利要求I所述的一种基于智能手机的解魔方机器人，其特征是所述机械爪由连杆、齿轮、铝制L型结构组成。其中铝制L型结构与魔方接触面长为20mm，宽为15mm，高为18mm n
5.根据权利要求4所述的一种基于智能手机的解魔方机器人，其特征是所述机械爪固定方式为 两机械爪相互垂直固定，中心距90mm，每个机械爪由两个铝制L型结构加持魔方非中间层的中间块，使魔方固定于俩机械爪上。
6.根据权利要求3所述的一种基于智能手机的解魔方机器人，其特征是所述转臂内部为空心，舵机引线可以从转臂内部穿出与下方导电滑环上端引线处相连接。
7.根据权利要求3所述的一种基于智能手机的解魔方机器人，其特征是所述补光支架为一铝制环形结构，环形面与待识别魔方面平行，且距离魔方表面距离为150mm。
全文摘要
本发明提供了一种基于智能手机的解魔方机器人，涉及机器人装置领域。它通过上位机单元采集魔方颜色信息，完成乱序魔方还原逻辑运算，并将解法通过蓝牙通信发送给机器人上控制单元进行实时控制，由执行单元完成对三阶魔方的还原。解魔方机器人的执行单元采用一种解决机械爪旋转绕线的传动机构解决由于机械臂在转动时所产生的爪部舵机绕线问题。解魔方机器人采用补光辅助装置来解决由于环境光所造成的摄像头图像识别不准确问题。
文档编号B25J13/00GK102699917SQ20121018951
公开日2012年10月3日 申请日期2012年6月8日 优先权日2012年6月8日
发明者于涌川, 左国玉, 张晨, 高原 申请人:北京工业大学