一种四面对称结构的解魔方机器人的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及智能机器人控制及机械设计领域，特别提供了一种四面对称结构的解魔方机器人。
【背景技术】
[0002]机器人学的研宄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宄中用来建立世界状态的模型和描述世界状态变化的过程。本文所述的一种四面对称结构的解魔方机器人是以机器人作为载体，应用人工智能技术实现对随机乱序三阶魔方的快速还原工作。
[0003]专利号为CN201310135362.7，名称为一种智能解魔方机器人及使用了该机器人的人机互动系统，公开了一种解魔方机器人。包括机器人本体、气缸和气泵，其特征在于:还包括控制主机、机械臂、摄像头和魔方仓，在木桁架上设置有气缸，气缸的气缸杆上设置有用于放置魔方的魔方仓，在桁架上方有机器人本体，机器人本体上连接有用于进行解魔方动作的机械臂，在桁架上设置有用于采集数据并传输给控制主机的摄像头，气泵分别与气泵和机械臂相连。
[0004]然而，上述发明存在如下缺陷，
[0005]1.采用气动式结构，控制精度低，体积较大，不具有良好的便携性和稳定性。
[0006]2.设计了两个互相垂直的机械臂，完成一次有效操作的步骤过于繁杂，复原效率不尚。
[0007]3.由于魔方在还原过程中受力点较少，魔方会出现晃动，影响了还原步骤的准确进行。
[0008]4.随着还原步骤的增多，魔方被拧动的系统误差会累积，导致魔方卡住无法复原。
[0009]5.不能同时完成爪子的开合与旋转。
【发明内容】
[0010]为了能实现利用人工智能技术对随机乱序三阶魔方的快速还原工作，本发明提供了一种基于智能手机的四面对称结构的解魔方机器人。它的执行机构采用一种具有高度对称性的由四组电机舵机及配套齿轮及连杆组成的机构，不仅解决了各机械爪旋转过程中可能产生的绕线问题，还对爪子的旋转与开闭进行独立控制。四组执行机构共同协调配合，从四个方向夹持和拧动魔方，使该系统在解魔方操作中的稳定性和效率得以保障。此外，其整体设计具有良好的便携性和兼容性，其手机固定调节支架可拆卸，并可调节以适应绝大多数基于Android操作系统的智能手机。
[0011]本发明解决其技术问题所采用的方案是一种四面对称结构的解魔方机器人，该机器人包括魔方(I)、智能手机(2)、基本执行单元(8)、控制板、支脚架￠)、底座(7)、手机固定调节支架、控制系统；
[0012]基本执行单元(8)包括电机(9)、电机板(10)、支柱(11)、前板(12)、主轴(13)、滚珠轴承件(14)、大滑槽(15)、L型杠杆(16)、杠杆定位孔(17)、舵机板(18)、舵机单摇臂(19)、舵机(20)、推杆(21)、连杆(22)、转轴(23)、爪(24)、销轴(25)、推杆挡肩(26)、套筒
(27)、卡簧(28)、小齿轮(29)、大齿轮(30)；
[0013]手机固定调节支架包括手机横向调节块(3)、手机纵向调节柱(4)、通用手机固定块(5);手机纵向调节柱(4)与支脚架(6)相连接；手机横向调节块(3)固定在手机纵向调节柱(4)顶端，手机横向调节块(3)、手机纵向调节柱(4)与通用手机固定块(5)连接；智能手机(2)安装在通用手机固定块(5)上；
[0014]其中魔方(I)被稳定放置在四个相互对称布置的基本执行单元⑶中，支脚架(6)与各基本执行单元(8)中的前板(12)固定，使四个基本执行单元(8)相邻两两垂直相连，并共同被固定在底座(7)上，形成一个对称且稳定的四边形结构；
[0015]舵机(20)被固定在舵机板(18)上，随着舵机(20)转动，舵机单摇臂(19)转动，带动L型杠杆(16)运动，L型杠杆(16)通过杠杆定位孔(17)固定，其上有大滑槽(15)，滚珠轴承件(14)在大滑槽(15)上与L型杠杆(16)固定，并通过套筒(27)和卡簧(28)固定在主轴(13)上，即随着舵机(20)转动，滚珠轴承件(14)沿主轴(13)上下滑动;
[0016]爪(24)通过销轴(25)被固定在连杆(22)和转轴(23)上，连杆(22)与推杆(21)固定，滚珠轴承件(14)沿主轴(13)上下滑动，经过推杆挡肩(26)带动推杆(21)与连杆(22)运动，继而控制爪(24)的开闭;
[0017]电机(9)通过支柱(11)固定在前板(12)及电机板(10)之间，电机(9)转动带动小齿轮(29)转动，继而带动大齿轮(30)转动，大齿轮(30)与主轴(13)同轴，带动主轴(13)转动，主轴(13)转动带动转轴(23)转动，实现爪(24)的转动；
[0018]该魔方(I)的控制系统包括上位机智能手机、下位机处理器、执行单元和电源管理模块。
[0019]所述的控制爪(24)开闭的舵机(20)为高精度金属舵机；控制爪(24)旋转的电机
(9)为微型直流电机。
[0020]所述的爪(24)的开闭和旋转功能相互独立，可同时实现。爪(24)在旋转过程中不存在绕线问题。
[0021]手机横向调节块(3)、手机纵向调节柱(4)、通用手机固定块(5)的材料为不锈钢柱形结构；智能手机(2)最高离魔方(I)的垂直距离为100毫米。
[0022]所述的四个基本执行单元(8)，分别放置在魔方(I)的四个侧面，对应两个基本执行单元(8)的爪(24)前端相距50毫米，可独立夹持一层魔方(I)并完成旋转，即在魔方
(I)还原过程中，其四个侧面均可在不换向的情况下实现旋转，提高了执行效率。
[0023]所述的控制系统中，上位机单元包括基于Android操作系统的智能手机，其中包含一款解魔方机器人配套App、摄像头、闪光灯及蓝牙模块；下位机主要包括STM32系列微控制器、蓝牙模块；执行单元主要包括LM293DD电机驱动模块、微型直流电机、高精度金属舵机及必要连杆机构；电源管理模块主要包括3.7V锂电池、12V聚合物锂电池及稳压模块。
[0024]与现有大多数解魔方机器人相比，本发明所具有的有益效果如下。
[0025]采用微型直流电机及高精度舵机作为执行机构，功耗低，体积小，精度高，控制方便。材料易获取，产品一致性强。
[0026]执行机构的结构设计上，采用四组两两相邻相互垂直的基本机构单元。结构紧凑，夹持牢固。此外，该机构解决了机械爪转动过程中经常存在的绕线问题。
[0027]四组基本机构单元共同协调配合，从四个方向夹持和拧动魔方，使得执行一次有效步骤的效率大大提高，减少了魔方旋转过程中倒手的问题。
[0028]舵机连杆连接与主轴同轴的轴承上，控制轴承沿主轴前后相对滑动，继而控制爪子的开闭。该设计使爪子的开闭与旋转互不干扰，提高了魔方还原操作的效率。
[0029]以基于Android智能手机作为上位机，利用其自带的摄像头捕捉魔方色块信息，并控制闪光灯实现对光线的补充作用。设计了手机固定及调节支架，使本发明适合不同型号尺寸的智能手机，增加了该发明的兼容性和适应性。
【附图说明】
[0030]图1为一种四面对称结构的解魔方机器人的整体外观图；
[0031]图2为一种四面对称结构的解魔方机器人的执行机构图；
[0032]图3为一种四面对称结构的解魔方机器人的机构单元主视图；
[0033]图4为一种四面对称结构的解魔方机器人的机构单元侧视图；
[0034]图5为一种四面对称结构的解魔方机器人的机构单元俯视图；
[0035]图6为一种四面对称结构的解魔方机器人的系统图；
[0036]图中:1、魔方；2、智能手机；3、手机横向调节块；4、手机纵向调节柱；5、通用手机固定块；6、支座脚；7、底座；8、基本执行单元；9、电机；10、电机板；11、支柱；12、前板；13、主轴；14、滚珠轴承件；15、大滑槽；16、L型杠杆；17、杠杆定位孔；18、舵机板；19、舵机单摇臂；20、舵机；21、推杆；22、连杆；23、转轴；24、爪；25、销轴；26、推杆挡肩；27、套筒；28、卡簧；29、小齿轮；30、大齿轮。
【具体实施方式】
[0037]下面结合附图及【具体实施方式】对本发明进行进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0038]解魔方机器人结构实施例:
[0039]本实施例是一种四面对称结构的解魔方机器人的结构设计，其结构图如图1、2、3、4、5所示。
[0040]图1、2结构说明，魔方(I)被稳定放置在4个基本执行单元(8)中，相对基本执行单元(8)的机械爪前端距离50毫米；4个基本执行单元(8)通过支脚架(6)相邻两两垂直相连，并共同被固定在底座(7)上，形成一个对称且稳定的四边形结构；智能手机(2)被放置在手机固定块(5)上并固定；智能手机(2)与魔方(I)的垂直高度由手机纵向调节柱(4)