CN107618038B - 低自由度的解魔方装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种低自由度的解魔方装置，包括底座、位于底座上的用于放置魔方且可带动魔方旋转的旋转平台，位于旋转平台上方用于均匀魔方顶面光照的照明灯和用于摄取魔方顶面颜色的图像识别装置、位于底座上的用于显示图像采集与还原过程中魔方各面颜色的图像显示装置和控制板，所述旋转平台的旁侧设有用于抓取和进行解魔方动作的机械手；其中，所述机械手具有实现魔方夹取的开合自由度和实现魔方翻转的翻面自由度。本发明通过控制三个自由度实现魔方的复原，其中旋转平台实现魔方的水平旋转自由度，机械手实现魔方夹取的开合自由度和实现魔方翻转的翻面自由度，结构简单合理。

Description

低自由度的解魔方装置
技术领域
本发明涉及解魔方装置，尤其涉及一种低自由度的解魔方装置。
背景技术
魔方是一种帮助学生增强空间思维能力的教学工具。现有的魔方还原机器人，生产成本高，结构复杂，不利于推广使用。机械手是近代自动控制领域出现的一项新技术，能模仿人手臂的某些动作功能，按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。
目前大多数魔方机器人多采用四个机械手既完成魔方的翻转动作又要固定魔方的位置，对于魔方的初始位置摆放要求较高，且翻转魔方采用对称的两机械手同时旋转九十度实现魔方翻转，控制要求高，不利于实现。
因此，亟待解决上述问题。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种结构简单合理、控制要求低且稳定可靠的低自由度的解魔方装置。
技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种低自由度的解魔方装置，包括底座、位于底座上的用于放置魔方且可带动魔方旋转的旋转平台，位于旋转平台上方用于均匀魔方顶面光照的照明灯和用于摄取魔方顶面颜色的图像识别装置、位于底座上的用于显示图像采集与还原过程中魔方各面颜色的图像显示装置和控制板，所述旋转平台的旁侧设有用于抓取和进行解魔方动作的机械手；其中，所述机械手具有实现魔方夹取的开合自由度和实现魔方翻转的翻面自由度。
其中，所述旋转平台通过平台支架与底座相连接，该平台支架上设有用于驱动旋转平台转动的旋转舵机。
进一步，所述旋转平台上均布有用于扣紧魔方的搭扣。
优选的，所述照明灯通过照明支架与底座相连接。
再者，所述图像识别装置为摄像机，该摄像机通过摄像支架与底座相连接。
优选的，所述图像显示装置为液晶显示屏，该液晶显示屏设置在底座上表面。
进一步，所述控制板为MCU芯片，该MCU芯片设置在底座内；所述MCU芯片的输入端与图像识别装置相连接，MCU芯片的输出端分别与机械手和旋转平台相连接。
优选的，所述机械手包括两相对设置在底座上的机械手支架和可绕机械手支架轴心连线转动的俯仰转动件，该俯仰转动件的下方设有俯仰舵机，该俯仰舵机上依次连接有俯仰曲柄和俯仰摇杆，该俯仰摇杆的一端与俯仰转动件相连接；所述俯仰转动件通过开合舵机连接有开合原动件，该开合原动件两端分别连接有左开合连杆和右开合连杆，该左开合连杆和右开合连杆上分别对应连接有左、右机械臂，且该左、右机械臂相互活动连接；其中俯仰舵机通过俯仰曲柄带动俯仰摇杆运动，俯仰转动件随着俯仰摇杆作运动从而带动机械手作俯仰运动；开合舵机带动开合原动件绕其作圆周运动，同时通过左开合连杆和右开合连杆分别带动左机械臂和右机械臂作开合运动。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：首先本发明通过控制三个自由度实现魔方的复原，其中旋转平台实现魔方的水平旋转自由度，机械手实现魔方夹取的开合自由度和实现魔方翻转的翻面自由度，结构简单合理；其次旋转平台通过旋转舵机实现水平旋转的控制，机械手通过开合舵机和俯仰舵机来分别实现开合自由度和翻面自由度，并通过控制板分别连接旋转舵机、开合舵机和俯仰舵机来实现3个自由度的控制，其控制要求低且性能稳定可靠，易于实现。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中去除摄像机的结构示意图；
图3为本发明中机械手的结构示意图；
图4为本发明中俯仰转动件的安装示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1和图2所示，本发明一种低自由度的解魔方装置，包括旋转平台1、照明灯2、图像识别装置3、图像显示装置4、控制板5、机械手6和底座7。
上述旋转平台1用于放置魔方且可带动魔方旋转，旋转平台1通过平台支架101与底座7相连接，平台支架101上设有用于驱动旋转平台1转动的旋转舵机；旋转平台1上均布有用于扣紧魔方的搭扣102，该旋转平台为与魔方相适配的方形平台，该方形平台的四面上分别设有一个搭扣102。本发明将魔方放置在旋转平台上，并用搭扣102扣紧；旋转舵机驱动旋转平台带动魔方旋转，实现魔方复原的一个自由度。
照明灯2设置在旋转平台1的上方，通过照明支架201与底座7相连接；照明灯2使魔方顶面光照均匀防止外界光线干扰。
本发明的图像识别装置3采用摄像机来摄取魔方顶面颜色，摄像机位于旋转平台1和照明灯2的上方，通过摄像支架301与底座7相连接。
本发明的图像显示装置4采用液晶显示屏来显示图像采集与还原过程中魔方各面颜色，该液晶显示屏设置在底座7上。摄像机与显示屏相连接，并将摄取的魔方顶面颜色传输至显示屏显示。
本发明的控制板5设置在底座7内，采用MCU芯片，该MCU芯片的输入端与摄像机相连接，MCU芯片的输出端分别与机械手6和旋转平台1相连接，控制机械手6和旋转平台1的动作。
如图3和图4所示，机械手6设置在旋转平台1的旁侧，用于抓取和进行解魔方动作，其中机械手6具有实现魔方夹取的开合自由度和实现魔方翻转的翻面自由度。上述机械手6通过两相对设置的机械手支架601与底座7相连接。机械手6包括绕机械手支架601轴心连线转动的俯仰转动件602，该俯仰转动件602的下方设有俯仰舵机，该俯仰舵机上依次连接有俯仰曲柄603和俯仰摇杆604，该俯仰摇杆604的一端与俯仰转动件602相连接。本发明俯仰舵机通过俯仰曲柄603带动俯仰摇杆604运动，从而带动与俯仰摇杆604固定连接的俯仰转动件602运动，因俯仰转动件602由两相对设置的机械手支架601的支撑，则可实现俯仰转动件602绕机械手支架601轴心连线转动，从而实现整个机械手的俯仰运动，实现魔方翻转的翻面自由度。
上述俯仰转动件602通过开合舵机连接有开合原动件605，开合舵机的输出轴轴心与开合原动件605中心重合，故开合原动件605可绕开合舵机做圆周远动。该开合原动件605两端分别连接有左开合连杆606和右开合连杆607，该左开合连杆606和右开合连杆607上分别对应连接有左机械臂608和右机械臂609，且该左机械臂608和右机械臂609相互通过铆钉活动连接，形成剪刀结构；开合舵机带动开合原动件605绕其作圆周运动，同时通过左开合连杆606和右开合连杆607分别带动左机械臂608和右机械臂609作开合运动，实现魔方夹取的开合自由度。
本发明通过控制三个自由度实现魔方的复原，其中旋转平台实现魔方的水平旋转自由度，机械手实现魔方夹取的开合自由度和实现魔方翻转的翻面自由度，结构简单合理；其次旋转平台通过旋转舵机实现水平旋转的控制，机械手通过开合舵机和俯仰舵机来分别实现开合自由度和翻面自由度，并通过控制板分别连接旋转舵机、开合舵机和俯仰舵机来实现3个自由度的控制，其控制要求低且性能稳定可靠，易于实现。

Claims (7)

1.一种低自由度的解魔方装置，其特征在于：包括底座(7)、位于底座(7)上的用于放置魔方且可带动魔方旋转的旋转平台(1)，位于旋转平台(1)上方用于均匀魔方顶面光照的照明灯(2)和用于摄取魔方顶面颜色的图像识别装置(3)、位于底座(7)上的用于显示图像采集与还原过程中魔方各面颜色的图像显示装置(4)和控制板(5)，所述旋转平台(1)的旁侧设有用于抓取和进行解魔方动作的机械手(6)；其中，所述机械手(6)具有实现魔方夹取的开合自由度和实现魔方翻转的翻面自由度；所述机械手(6)包括两相对设置在底座(7)上的机械手支架(601)和可绕机械手支架(601)轴心连线转动的俯仰转动件(602)，该俯仰转动件(602)的下方设有俯仰舵机，该俯仰舵机上依次连接有俯仰曲柄(603)和俯仰摇杆(604)，该俯仰摇杆(604)的一端与俯仰转动件(602)相连接；所述俯仰转动件(602)通过开合舵机连接有开合原动件(605)，该开合原动件(605)两端分别连接有左开合连杆(606)和右开合连杆(607)，该左开合连杆(606)和右开合连杆(607)上分别对应连接有左、右机械臂(608、609)，且该左、右机械臂(608、609)相互活动连接；其中俯仰舵机通过俯仰曲柄(603)带动俯仰摇杆(604)运动，俯仰转动件(602)随着俯仰摇杆(604)作运动从而带动机械手(6)作俯仰运动；开合舵机带动开合原动件(605)绕其作圆周运动，同时通过左开合连杆(606)和右开合连杆(607)分别带动左机械臂(608)和右机械臂(609)作开合运动。
2.根据权利要求1所述的低自由度的解魔方装置，其特征在于：所述旋转平台(1)通过平台支架(101)与底座(7)相连接，该平台支架(101)上设有用于驱动旋转平台转动的旋转舵机。
3.根据权利要求1或2所述的低自由度的解魔方装置，其特征在于：所述旋转平台(1)上均布有用于扣紧魔方的搭扣(102)。
4.根据权利要求1所述的低自由度的解魔方装置，其特征在于：所述照明灯(2)通过照明支架(201)与底座(7)相连接。
5.根据权利要求1所述的低自由度的解魔方装置，其特征在于：所述图像识别装置(3)为摄像机，该摄像机通过摄像支架(301)与底座(7)相连接。
6.根据权利要求1所述的低自由度的解魔方装置，其特征在于：所述图像显示装置(4)为液晶显示屏，该液晶显示屏设置在底座(7)上表面。
7.根据权利要求1所述的低自由度的解魔方装置，其特征在于：所述控制板(5)为MCU芯片，该MCU芯片设置在底座(7)内；所述MCU芯片的输入端与图像识别装置(3)相连接，MCU芯片的输出端分别与机械手(6)和旋转平台(1)相连接。
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