CN105082141A - 执行模块、解魔方机器人及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种执行模块、解魔方机器人及其使用方法，包括控制模块、多个执行模块以及电源模块；控制模块用于获取魔方的初始状态信息，根据初始状态信息生成魔法还原控制信息并根据魔法还原控制信息控制多个执行模块进行魔方还原操作；电源模块用于控制模块和多个执行模块的供电。控制模块包括ARM9开发板、电机驱动器以及摄像头；摄像头用于获取魔方的初始状态信息，即采集魔方各个面的颜色信息；ARM9开发板通过电机驱动器电气连接执行模块；ARM9开发板用于根据魔方的初始状态信息生成魔法还原控制信息并根据魔法还原控制信息控制执行模块进行魔方还原操作。本发明包括控制模块和多个执行模块，能够自主独立进行颜色识别、魔方解法运算和运动控制。

Description

执行模块、解魔方机器人及其使用方法

技术领域

本发明涉及机器人，具体地，涉及一种执行模块、解魔方机器人及其使用方法。

背景技术

解魔方是全世界青少年最热衷的智力游戏之一。随着现代技术的发展，越来越多的人尝试用机器人解魔方。目前，很多解魔方机器人系统还没有配置专门的嵌入式系统，该类型魔方机器人的颜色识别和运动控制还需要上、下位机的协作完成，没有真正实现人工智能的一体化，整体自由度少，操作和响应速度较慢，不具有较好的人机互动性。

经过对现有技术的检索，发现申请号为201310254999.8，名称为一种可自主抓取魔方的智能解魔方机器人及其解魔方方法的发明公开了一种可自主抓取魔方的智能解魔方机器人及其解魔方方法，包括机器人本体、桁架、控制主机、摄像头、手臂摆动结构、机械臂和魔方仓，在桁架上设置用于放置魔方的魔方仓，桁架上还设有用于确保魔方规整的整形仓，机器人本体上连接有两个相对的用于进行解魔方动作的机械臂，机器人本体上固定有的手臂摆动结构，手臂摆动结构与机械臂相连接，手臂摆动结构带动机械臂伸向魔方仓，到位后通过气爪抓取魔方。但是该发明体积较大结构复杂。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种执行模块、解魔方机器人及其使用方法。

根据本发明的一个方面提供的执行模块，所述执行模块包括机械爪、机器人机架、曲柄滑块机构、机械手伸缩导杆、伸缩用舵机、连杆以及旋转用舵机；

其中，所述机械爪用于夹紧魔方和驱动魔方旋转；所述旋转用舵机连接所述机械爪，用于驱动所述机械爪转动；

所述连杆的一端穿过所述机器人机架上的通孔连接所述旋转用舵机；所述伸缩用舵机连接所述连杆的另一端且通过所述曲柄滑块机构连接所述机器人机架；

所述伸缩用舵机通过与所述机器人机架的反作用力驱动所述机械爪前后运动；

所述ARM9开发板连接所述伸缩用舵机和所述旋转用舵机，通过控制接所述伸缩用舵机和所述旋转用舵机进行魔方还原操作。

优选地，还包括机械爪限位卡片；

其中，所述机械爪限位卡片包括上限位卡片和下限位卡片；所述上限位卡片设置在所述机械爪的上端，所述下限位卡片设置在所述机械爪的下端；

所述上限位卡片和所述下限位卡片相对构成用于夹持魔方可卡口；

所述上限位卡片和下限位卡片的夹持端设置有倒角。

根据本发明的另一个方面提供的解魔方机器人，包括所述的执行模块，还包括控制模块和电源模块；

所述控制模块用于获取魔方的初始状态信息，根据所述初始状态信息生成魔法还原控制信息并根据所述魔法还原控制信息控制多个所述执行模块进行魔方还原操作；

所述电源模块用于所述控制模块和多个所述执行模块的供电。

优选地，所述控制模块包括ARM9开发板、电机驱动器和摄像头；

所述摄像头用于获取魔方的初始状态信息，即采集魔方各个面的颜色信息；

所述ARM9开发板通过所述电机驱动器电气连接所述执行模块；

所述ARM9开发板用于根据所述魔方的初始状态信息生成魔法还原控制信息并根据所述魔法还原控制信息通过所述电机驱动器控制所述执行模块的伸缩用舵机和所述旋转用舵机进行魔方还原操作。

优选地，所述执行模块的数量为四个；相邻所述执行模块的机器人机架依次首尾相连构成矩形的魔方测试平台。

优选地，所述摄像头采集魔方各个面的颜色信息，具体为将摄像头采集到的RGB图像信息转换至HSV颜色空间后再进行颜色识别。

优选地，ARM9开发板将根据所述魔法还原控制信息求生成的魔方还原步骤通过串口通讯的方式传送给电机驱动器。

优选地，还包括摄像头支架；所述摄像头设置在所述摄像头支架上，所述摄像头对准待还原的魔方上表面中心。

根据本发明的再一个方面提供解魔方机器人的使用方法，包括如下步骤：

步骤1：通过执行模块实现魔方的翻转，依次将魔方的6个面朝上，利用摄像头采集魔方的初始状态信息，即魔方各个面的颜色信息；

步骤2：控制模块进行颜色识别和存储，并根据魔方各个面的颜色信息生成魔法还原控制信息，即魔方还原的步骤；

步骤3：控制模块根据所述魔方还原的步骤控制执行模块完成魔方还原。

优选地，在步骤2中所述颜色识别采用HSV颜色空间和RGB颜色空间结合的图像处理方式。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明包括控制模块和多个执行模块，控制模块为具有基于ARM9的嵌入式控制系统，自主独立进行颜色识别、魔方解法运算和运动控制；

2、本发明中机械爪和连杆采用塑料制作，拥有紧凑轻巧的机械结构和快速的执行动作，整机成本较低；

3、本发明基于ARM9开发板采用HSV颜色空间识别颜色，性能优良，无需外界补光。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的系统框图；

图3为本发明的工作流程图。

图中：

1为摄像头支架；

2为机械爪限位卡片；

3为摄像头；

4为机械爪；

5为机器人机架；

6为曲柄滑块机构；

7为机械手伸缩导杆；

8为伸缩用舵机；

9为旋转用舵机。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本实施例中，本发明提供的解魔方机器人，包括控制模块、多个执行模块以及电源模块；所述控制模块用于获取魔方的初始状态信息，根据所述初始状态信息生成魔法还原控制信息并根据所述魔法还原控制信息控制多个所述执行模块进行魔方还原操作；所述电源模块用于所述控制模块和多个所述执行模块的供电。所述摄像头采集魔方各个面的颜色信息，具体为将摄像头采集到的RGB图像信息转换至HSV颜色空间后再进行颜色识别。所述摄像头驱动通过Linux中Video4Linux内核驱动编写完成。

所述控制模块包括ARM9开发板、电机驱动器以及摄像头；所述摄像头用于获取魔方的初始状态信息，即采集魔方各个面的颜色信息；所述ARM9开发板通过所述电机驱动器电气连接所述执行模块；所述ARM9开发板用于根据所述魔方的初始状态信息生成魔法还原控制信息并根据所述魔法还原控制信息通过电机驱动器控制所述执行模块进行魔方还原操作。ARM9开发板将根据所述魔法还原控制信息求生成的魔方还原步骤通过串口通讯的方式传送给电机驱动器。求解魔方还原控制信息在ARM9开发板中独立进行。本发明的人机交互界面采用Linux操作系统，所有颜色识别、解法运算和运动控制均由ARM9主导完成。

本发明采用型号为S3C2440的ARM9芯片作为机器人嵌入式系统的处理器，采用搭载该ARM9芯片的Mini2440开发板作为平台，以USB摄像头作为图像采集工具，USB摄像头通过USB接口与ARM9开发板连接。用Arduino电机驱动器作为Mini2440和舵机间的控制和信号放大元件，本发明中电机驱动器作通过TTL串口与ARM9开发板进行通讯。ARM9开发板和舵机驱动器均采用5V电源供电，8个舵机均采用5V电源供电。

本发明解魔方机器人控制系统开发环境搭建如下：本发明解魔方机器人的嵌入式控制系统采用交叉编译的方法完成。具体为，一台装有Fedora14的Linux系统宿主机，一台装有内核为Linux2.6的ARM9开发板目标机。通过RS-232串口线和USB线将宿主机和目标机连起来，建立串口调试、上传和下载通道。本发明的开发过程中，采用SecureCRT软件进行文件的上传和下载。宿主机Fedora系统安装arm-linux-gcc、arm-linux-g++、gdb等编译工具。在宿主机上完成配置了NFS网络文件系统，方便在宿主机上操作目标板上的文件系统。

本发明的颜色采集采用Video4Linux作为内核驱动，编写视频设备驱动程序，完成在硬件平台上加载摄像头。本发明解魔方机器人颜色信息采用HSV颜色空间进行识别。本发明基于ARM9开发板采用HSV颜色空间识别颜色的魔方机器人，性能优良，无需外界补光。

所述执行模块包括机械爪4、机器人机架5、曲柄滑块机构6、机械手伸缩导杆7、伸缩用舵机8、连杆以及旋转用舵机9；其中，所述机械爪4用于夹紧魔方和驱动魔方旋转；所述旋转用舵机9连接所述机械爪4，用于驱动所述机械爪4转动，机械爪4可以完成正负90度和180度旋转运动。；所述连杆的一端穿过所述机器人机架5上的通孔连接所述旋转用舵机9；所述伸缩用舵机8连接所述连杆的另一端且通过所述曲柄滑块机构6连接所述机器人机架5；所述伸缩用舵机8通过与所述机器人机架5的反作用力驱动所述机械爪4前后运动，以达到对魔方的夹紧和放松的目的。旋转用舵机9跟随机械爪整体前后伸缩；所述ARM9开发板连接所述伸缩用舵机8和所述旋转用舵机9，通过控制接所述伸缩用舵机8和所述旋转用舵机9进行魔方还原操作。本发明提供的解魔方机器人还包括摄像头支架；所述摄像头设置在所述摄像头支架1上，所述摄像头对准待还原的魔方上表面中心。在本实施例中，摄像头安装于魔方上表面的正上方9.5mm高处。所述机器人机架5采用塑料和铝合金材料搭配组成，摄像头架2采用塑料制成。

所述执行模块的数量为四个；相邻所述执行模块的机器人机架5依次首尾相连构成矩形的魔方测试平台。本发明提供的解魔方机器人，还包括机械爪限位卡片2；其中，所述机械爪限位卡片2包括上限位卡片和下限位卡片；所述上限位卡片设置在所述机械爪4的上端，所述下限位卡片设置在所述机械爪4的下端；所述上限位卡片和所述下限位卡片相对构成用于夹持魔方可卡口；所述上限位卡片和下限位卡片的夹持端设置有倒角。在本实施例中，所述倒角为45度。四个机械爪均水平放置，轴心线分别垂直于魔方的前、后、左、右面，并穿过魔方中心，机械爪前端的初始状态均垂直夹紧魔方。

本发明提供的解魔方机器人的使用方法，包括如下步骤：

步骤1：通过执行模块实现魔方的翻转，依次将魔方的6个面朝上，利用摄像头采集魔方的初始状态信息，即魔方各个面的颜色信息；当判断已经将全部将魔方颜色信息采集完成后，将关闭摄像头；

步骤2：控制模块进行颜色识别和存储，并根据魔方各个面的颜色信息生成魔法还原控制信息，即魔方还原的步骤；

步骤3：控制模块根据所述魔方还原的步骤控制执行模块完成魔方还原，具体为，ARM9开发板将会打开串口并将解算出来的算法转换成控制舵机的程序指令逐条向舵机发送，每条指令对应的舵机动作完成后下一条指令再次发出，直至发出所有解法指令，最后关闭串口，系统工作完毕。

在步骤2中所述颜色识别采用HSV颜色空间和RGB颜色空间结合的图像处理方式，具体为，摄像头采集魔方各个面的RGB颜色信息，然后将RGB颜色信息转换至HSV颜色空间，再判断魔方各块的颜色。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种执行模块，其特征在于，所述执行模块包括机械爪(4)、机器人机架(5)、曲柄滑块机构(6)、机械手伸缩导杆(7)、伸缩用舵机(8)、连杆以及旋转用舵机(9)；

其中，所述机械爪(4)用于夹紧魔方和驱动魔方旋转；所述旋转用舵机(9)连接所述机械爪(4)，用于驱动所述机械爪(4)转动；

所述连杆的一端穿过所述机器人机架(5)上的通孔连接所述旋转用舵机(9)；所述伸缩用舵机(8)连接所述连杆的另一端且通过所述曲柄滑块机构(6)连接所述机器人机架(5)；

所述伸缩用舵机(8)通过与所述机器人机架(5)的反作用力驱动所述机械爪(4)前后运动；

所述ARM9开发板连接所述伸缩用舵机(8)和所述旋转用舵机(9)，通过控制接所述伸缩用舵机(8)和所述旋转用舵机(9)进行魔方还原操作。

2.根据权利要求1所述的执行模块，其特征在于，还包括机械爪限位卡片(2)；

其中，所述机械爪限位卡片(2)包括上限位卡片和下限位卡片；所述上限位卡片设置在所述机械爪(4)的上端，所述下限位卡片设置在所述机械爪(4)的下端；

所述上限位卡片和所述下限位卡片相对构成用于夹持魔方可卡口；

所述上限位卡片和下限位卡片的夹持端设置有倒角。

3.一种解魔方机器人，其特征在于，包括权利要求1至2任一项所述的执行模块，还包括控制模块和电源模块；

所述控制模块用于获取魔方的初始状态信息，根据所述初始状态信息生成魔法还原控制信息并根据所述魔法还原控制信息控制多个所述执行模块进行魔方还原操作；

所述电源模块用于所述控制模块和多个所述执行模块的供电。

4.根据权利要求3所述的解魔方机器人，其特征在于，所述控制模块包括ARM9开发板、电机驱动器和摄像头；

所述摄像头用于获取魔方的初始状态信息，即采集魔方各个面的颜色信息；

所述ARM9开发板通过所述电机驱动器电气连接所述执行模块；

所述ARM9开发板用于根据所述魔方的初始状态信息生成魔法还原控制信息并根据所述魔法还原控制信息通过所述电机驱动器控制所述执行模块的伸缩用舵机(8)和所述旋转用舵机(9)进行魔方还原操作。

5.根据权利要求3所述的解魔方机器人，其特征在于，所述执行模块的数量为四个；相邻所述执行模块的机器人机架(5)依次首尾相连构成矩形的魔方测试平台。

6.根据权利要求4所述的解魔方机器人，其特征在于，所述摄像头采集魔方各个面的颜色信息，具体为将摄像头采集到的RGB图像信息转换至HSV颜色空间后再进行颜色识别。

7.根据权利要求4所述的解魔方机器人，其特征在于，ARM9开发板将根据所述魔法还原控制信息求生成的魔方还原步骤通过串口通讯的方式传送给电机驱动器。

8.根据权利要求4所述的解魔方机器人，其特征在于，还包括摄像头支架；所述摄像头设置在所述摄像头支架上，所述摄像头对准待还原的魔方上表面中心。

9.一种权利要求1至8任一项所述的解魔方机器人的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：通过执行模块实现魔方的翻转，依次将魔方的6个面朝上，利用摄像头采集魔方的初始状态信息，即魔方各个面的颜色信息；

步骤2：控制模块进行颜色识别和存储，并根据魔方各个面的颜色信息生成魔法还原控制信息，即魔方还原的步骤；

步骤3：控制模块根据所述魔方还原的步骤控制执行模块完成魔方还原。

10.根据权利要求9所述的解魔方机器人的使用方法，其特征在于，在步骤2中所述颜色识别采用HSV颜色空间和RGB颜色空间结合的图像处理方式。