一种快速还原魔方的智能机器人及其控制方法与流程

本发明涉及智能机器人技术领域，尤其是一种快速还原魔方的智能机器人及其控制方法。

背景技术：

为什么要发展机器人？一方面是机器人可以干人不愿意干的事，把人从有毒的、有害的、高温的或危险的，这样的环境中解放出来，提高产品的质量同时节约了人力；另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，那么人类的发展随着人们这种社会发展的情况，人们越来越不断探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。

而随着人类生活的不断进步，魔方成为了人们生活中越来越喜欢的智力游戏，而越来越多的解魔方机器人也应运而生，现有技术中的解魔方机械手大多在魔方四周各布置一个机械手用于控制该面的旋转，当要旋转上下两个表面时，往往需要通过翻转来旋转魔方的上下表面；而机械手的形式往往是十分精密的六轴机械手或者爪状的机械手来夹紧魔方的各个表面来旋转魔方，但采用这些结构往往使得机械手的成本大大增加，而且很多夹紧结构并不能特别灵活地旋转魔方且旋转速度普遍太慢，整个解魔方过程往往需要一分钟左右才能完成；因此，有必要提出一款更好的快速还原魔方的智能机器人。

技术实现要素：

鉴于背景技术所存在的技术问题，本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种还原速度快，成本低，操作方便且结构稳固的快速还原魔方的智能机器人。

为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术措施：

一种快速还原魔方的智能机器人，包括执行模块、控制箱、电源、驱动板和控制器；所述执行模块包括支撑框架、若干个机械抓手和固定框；所述机械抓手包括步进电机和旋转抓手部；所述固定框设置于控制箱上方，所述固定框包括大固定框和设置在大固定框外表面上的若干个小固定框；所述支撑框架设置于大固定框内部；所述小固定框内部用于放置所述步进电机；所述旋转抓手部上均匀设置有多个固定块，所述待解魔方表面上开有若干个孔与所述固定块相适配，所述旋转抓手部延伸至支撑框架内部并与待解魔方相抵接；所述电源、驱动板和控制器均设置于控制箱内部。

作为进一步改进，所述机械抓手的数量为六个，分别设置于所述待解魔方的六面上；所述步进电机上的旋转轴和所述旋转抓手部同轴设置，所述旋转抓手部上设置有四个固定块，所述固定块为圆柱体。

作为进一步改进，所述支撑框架为正方体，所述支撑框架六个表面的四角处均开有一第一螺纹孔，通过螺栓将支撑框架底面固定于控制箱上表面上；所述大固定框包括五块固定板，所述固定板表面对应位置开有第一螺纹孔并通过螺栓与所述支撑框架的另外五个表面固定连接。

作为进一步改进，所述固定板和控制箱上表面开有若干个第二螺纹孔，所述步进电机对应位置上开有第二螺纹孔并通过螺栓分别与所述固定板和控制箱上表面固定连接；所述固定板和控制箱上表面开有一圆槽以供所述旋转抓手部穿过。

作为进一步改进，所述小固定框的数量为四个，所述小固定框包括若干块小固定板；所述小固定框设置于大固定框的四周，所述小固定框下方设置有三角支撑板。

作为进一步改进，所述大固定板和小固定板的边缘为方波状；所述每两块大固定板之间通过边缘的锯齿配合连接；所述每两块小固定板之间通过边缘的锯齿配合连接；所述大固定板上开有若干个方形槽和所述小固定板边缘的锯齿相适配。

作为进一步改进，所述控制箱包括若干块拼接板，所述拼接板之间通过卡槽式方式连接；所述上下表面边缘处设置有若干个T型零件，所述T型零件上开有螺纹孔，使用螺栓穿过所述控制箱四周的拼接板与所述T型零件的螺纹孔相固定连接。

一种快速还原魔方的智能机器人的控制方法，包括以下步骤，

S1：打开app，点击手机子菜单搜索蓝牙模块，连接成功后点击进入自定义相机；

S2：根据按键提示拍取魔方各个面的照片；

S3：完成六面拍照后，将所获取的颜色数组值显示在频幕上以便更改确认，判断颜色数值是否有误，若有错误，则返回S2；

S4：以坐标x，y获取每张照片9个颜色块所在的像素点，并分离R,G,B三个值，再根据R,G,B三个值的关联性取一定范围值作为该像素点的取色标准，将获取的颜色以字符型数字的形式存入数组中；

S5：app调用蓝牙发送数据给单片机；

S6：单片机通过蓝牙模块接收数据后，使用CFOP算法对魔方进行复原。

作为进一步改进，在步骤S4中，每次拍照以bitmap生成照片并根据相机的边框画裁剪照片使魔方覆盖整个照片画面以便于像素点获取。

作为进一步改进，在步骤S6中，单片机调用事先编写烧录的子函数，将数据按照一定规则赋值给三维坐标系里面特定的坐标点，程序根据数据和CFOP算法判断需要转动魔方顶面时，单片机同步输出脉冲信号驱动步进电机控制魔方物理旋转，当程序执行结束后，魔方也会同步被复原。

与现有技术相比较，本发明具有以下优点：

1、本发明一种快速还原魔方的智能机器人中在魔方六个表面均设置有一机械抓手，解决了现有技术需要通过旋转上下表面来进一步旋转的问题，快速易行。

2、本发明一种快速还原魔方的智能机器人中机械爪手采用固定块的结构可以稳固地和魔方进行连接，同时可以快速地旋转魔方。

3、本发明一种快速还原魔方的智能机器人采用支撑框架和固定框的结构能有效固定机械抓手和魔方位置使得整个解魔方过程更加稳定，且整个结构拼装简单。

4、本发明一种快速还原魔方的智能机器人中控制箱采用T型零件结合各块拼接板的卡槽式的连接，有效保证了控制箱的稳固性，为支撑执行模块和放置控制器、驱动板和电源起到重要的作用。

附图说明

附图1是本发明一种快速还原魔方的智能机器人的结构示意图；

附图2是本发明一种快速还原魔方的智能机器人的内部结构示意图；

附图3是本发明一种快速还原魔方的智能机器人的固定框部分示意图；

附图4是本发明一种快速还原魔方的智能机器人机械抓手的结构示意图；

附图5是本发明一种快速还原魔方的智能机器人支撑框架的结构示意图；

附图6是本发明一种快速还原魔方的智能机器人中机械抓手数量为六个时固定待解魔方的示意图；

附图7是本发明一种快速还原魔方的智能机器人的控制方法的流程图。

主要元件符号说明

执行模块10、支撑框架11、第一螺纹孔111、机械抓手12、步进电机121、旋转轴1211、旋转抓手部122、固定块1221、固定框13、大固定框131、大固定板1311、方形槽13111、圆槽13112、小固定框132、小固定板1321、限位插板133、三角支撑板14、控制箱20、第一拼接板21、第二拼接板22、第三拼接板23、电源30、驱动板40、控制器50、T型零件60、

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

实施例：

请参考图1至图6，实施例中，一种快速还原魔方的智能机器人，包括执行模块10、控制箱20、电源30、驱动板40和控制器50；所述执行模块10包括支撑框架11、若干个机械抓手12和固定框13；所述机械抓手12包括步进电机121和旋转抓手部122；所述固定框13设置于控制箱20上方，所述固定框13包括大固定框131和设置在大固定框131外表面上的若干个小固定框132；所述支撑框架11设置于大固定框131内部；所述小固定框132内部用于放置所述步进电机121；所述旋转抓手部122上均匀设置有多个固定块1221，所述待解魔方表面上开有若干个孔与所述固定块1221相适配，所述旋转抓手部122延伸至支撑框架11内部并与待解魔方相抵接；所述电源30、驱动板40和控制器50均设置于控制箱20内部；所述驱动板型号为STM32F407VT6型步进电机驱动板，所述驱动板40与所述机械抓手12相连接用于驱动步进电机121，所述控制器50为单片机，所述控制器50与所述驱动板40相连接用于向驱动板40输出脉冲信号，所述电源30用于提供整个装置动力。本发明机械抓手采用固定块1221的结构可以稳固地和魔方进行连接，同时可以快速地旋转魔方；而采用支撑框架11和固定框13的结构能有效固定机械抓手12和魔方位置使得整个解魔方过程更加稳定，且整个结构拼装简单。

请参考图1至图6，实施例中，所述机械抓手12的数量为六个，分别设置于所述待解魔方的六面上；所述步进电机121上的旋转轴1211和所述旋转抓手部122同轴设置，所述旋转抓手部122为圆柱体，所述旋转抓手部122上设置有四个固定块1221，所述固定块1221为圆柱体，所述固定块1221与所述旋转抓手部122表面相内接。定义所述旋转抓手部122的高为d，其中d的范围为18mm～25mm；定义所述旋转抓手部122的底面直径为a，其中a的范围为13mm～15mm；定义所述固定块1221的高为h，其中h的范围为2.5mm～3.5mm；定义所述固定块1221的底面直径为l，其中l的范围为2.5mm～3.5mm。所述旋转抓手部122侧面和旋转轴对应位置上开有一螺纹孔，通过螺母将所述旋转抓手部122和旋转轴1211固定连接，采用这样的结构能够有效通过螺母将旋转抓手部122固定在旋转轴1211上，保证旋转抓手部122在高速旋转的过程中不脱离旋转轴1211。采用六个机械抓手12的结构可以有效转动魔方的六个表面，同时固定块1221采用与旋转抓手部122相内接的结构，结合旋转抓手部122和固定块1221的半径比例可以有效提高固定块1221带动魔方旋转的转动效率，节省动力输出。

请参考图1、图3和图5，实施例中，所述支撑框架11为正方体，所述支撑框架11六个表面的四角处均开有一第一螺纹孔111，通过螺栓将支撑框架11底面固定于控制箱20上表面上；所述大固定框131包括五块大固定板1311，所述大固定板1311表面对应位置开有第一螺纹孔111并通过螺栓与所述支撑框架11的另外五个表面固定连接。所述控制箱20上表面开有若干个第二螺纹孔，所述步进电机121对应位置上开有第二螺纹孔并通过螺栓分别与所述控制箱20上表面固定连接；所述大固定板1311和控制箱20上表面开有一圆槽13112以供所述旋转抓手部122穿过。所述小固定框132的数量为四个，所述小固定框132包括若干块小固定板1321，优选的，小固定板1321的数量为三块；所述大固定板1311和小固定板1321的边缘为方波状；所述每两块大固定板1311之间通过边缘的锯齿配合连接；所述每两块小固定板1321之间通过边缘的锯齿配合连接；所述大固定板1311上开有若干个方形槽13111和所述小固定板1321边缘的锯齿相适配从而将小固定板1321限位于大固定板1311上。所述小固定框132下方设置有三角支撑板14用于支撑整个小固定框132，所述三角支撑板14直角面为方波状，所述大固定板1311上开有若干个方形槽13111与所述三角支撑板14的直角面相适配。所述上表面的小固定板132上设置有一限位插板133用于进一步固定所述步进电机的位置；采用方波状边缘相互配合和支撑框架11这样的结构能有效保证大固定板1311和小固定板1321的牢固性，能够稳固固定机械抓手12和待解魔方的位置，且整个结构拼装简单使用方便。

请参考图2，实施例中，所述控制箱20包括若干块拼接板，具体的，包括构成控制箱20六个表面的第一拼接板21，所述控制箱20中间且与上下表面平行处设置有一块第二拼接板22用于放置驱动板40；所述控制箱20下半部中间且与前后表面平行处设置有一块第三拼接板23用于支撑第二拼接板，所述电源30和控制器50放置于下半层控制箱中；所述拼接板之间通过卡槽式方式连接；所述上下表面边缘处设置有若干个T型零件60，所述T型零件60上开有螺纹孔，使用螺栓穿过所述第一拼接板与所述T型零件60的螺纹孔相固定连接。采用这样结构的控制箱20拆卸方便，且通过T型零件使得控制箱20的结构更加稳固。

本发明一种快速还原魔方的智能机器人的完整拼装过程如下：

S1：先将各个机械抓手12的旋转抓手部122穿过大固定板1311上的圆槽，通过螺栓将步进电机121和大固定板1311固定连接；

S2：将各块大固定板1311和机械抓手12的组合体通过螺栓固定于支撑框架11上，然后用手将待解魔方放置于支撑框架11中间并与机械抓手12相抵接；

S3：将除了最下方的机械抓手12外的整个执行模块10通过螺栓固定于所述控制箱20上表面，拼接其他拼接板最后通过T型零件60做最后的固定。

请参考图7，实施例中，一种快速还原魔方的智能机器人的控制方法，包括以下步骤：

S1：打开app，点击手机子菜单搜索蓝牙模块，连接成功后点击进入自定义相机；

S2：根据按键提示拍取魔方各个面的照片；

S3：完成六面拍照后，将所获取的颜色数组值显示在频幕上以便更改确认，判断颜色数值是否有误，若有错误，则返回S2；

S4：以坐标x，y获取每张照片9个颜色块所在的像素点，并分离R,G,B三个值，再根据R,G,B三个值的关联性取一定范围值作为该像素点的取色标准，将获取的颜色以字符型数字的形式存入数组中；

S5：app调用蓝牙发送数据给单片机；

S6：单片机通过蓝牙模块接收数据后，使用CFOP算法对魔方进行复原。

在步骤S4中，每次拍照以bitmap生成照片并根据相机的边框画裁剪照片使魔方覆盖整个照片画面以便于像素点获取。

在步骤S6中，单片机调用事先编写烧录的子函数，将数据按照一定规则赋值给三维坐标系里面特定的坐标点，程序根据数据和CFOP算法判断需要转动魔方顶面时，单片机同步输出脉冲信号驱动步进电机控制魔方物理旋转，当程序执行结束后，魔方也会同步被复原。

本发明一种快速还原魔方的智能机器人的完整控制方法如下：

打开app,首先点击手机子菜单搜索连接蓝牙模块，连接成功后点击进入自定义相机，根据按键提示由人工拍取魔方各个面的照片，每次拍照以bitmap生成照片并根据相机的边框画裁剪照片使魔方覆盖整个照片画面，以坐标x，y获取每张照片9个颜色块所在的像素点，并分离R,G,B三个值，再根据R,G,B三个值的关联性取一定范围值作为该像素点的取色标准，将获取的颜色以字符型数字的形式存入数组中。完成六面拍照后，将所获取的颜色数组值显示在频幕上以便更改确认，在确认颜色数值无误后，便将数组值放至到蓝牙串口调试的发送框上，在确认蓝牙连接成功的情况下点击发送，提示发送成功，目标机蓝牙模块受到数组，开始工作。单片机通过蓝牙模块接收数据后，通过调用事先编写烧录在单片机的子函数，将数据按照一定规则赋值给三维坐标系里面特定的坐标点。此后程序根据这个三维坐标系内的这些数据，使用CFOP算法对魔方进行复原(注：假设程序判断需要转动魔方顶面时，此时单片机会同步输出脉冲信号给步进电机驱动，进而控制魔方物理旋转。因此，当程序执行结束后，魔方也会同步被复原)。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。