CN109176558A - 一种魔方还原装置及魔方机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种魔方还原装置及魔方机器人，属于机器人技术领域。其包括魔方；用于支撑魔方的支撑盘，魔方放在支撑盘上；用于识别魔方各个面的颜色的颜色识别机构，颜色识别机构用于对魔方的各个面的颜色进行识别和扫描；旋转机构，旋转机构与支撑盘的底部连接，用于驱动支撑盘进行旋转；用于夹持魔方的夹持机构，夹持机构与魔方的两端连接，能够夹紧或者松开魔方；用于驱动魔方上下移动的摆动机构，摆动机构连接于旋转机构，并通过驱动旋转机构带动魔方摆动。该结构能够将任意打乱的三阶魔方进行快速或者单步还原。

Description

一种魔方还原装置及魔方机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种魔方还原装置及魔方机器人。

背景技术

对于大多数魔方初学者，还原魔方非常困难，大多数人以观看教学视频来学习还原魔方，此方法枯燥乏味，无趣味性，学习效率低。市面上常见的EV3魔方机器人采用Kociemba算法还原魔方，此算法还原步骤少但只适用于机器而不适用于人学习。

除此之外，EV3魔方机器人机械结构可靠性低，效率低，观赏价值低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种魔方还原装置及魔方机器人，旨在解决现有技术中魔方机器人还原效率低的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种魔方还原装置，所述魔方还原装置包括：

魔方；

用于支撑所述魔方的支撑盘，所述魔方放在所述支撑盘上；

用于识别魔方各个面的颜色的颜色识别机构，所述颜色识别机构用于对所述魔方的各个面的颜色进行识别和扫描；

旋转机构，所述旋转机构与所述支撑盘的底部连接，用于驱动所述支撑盘进行旋转；

用于夹持所述魔方的夹持机构，所述夹持机构与所述魔方的两端连接，能够夹紧或者松开所述魔方；

用于驱动所述魔方上下移动的摆动机构，所述摆动机构连接于所述旋转机构，并通过驱动所述旋转机构带动所述魔方摆动。

作为本发明的一种优选技术方案，所述颜色识别机构包括第一步进电机、第一曲柄、第一连杆、第二连杆、支撑架以及颜色传感器；所述第一步进电机与所述第一曲柄传动连接，所述第一连杆的一端与所述第一曲柄转动连接；所述第二连杆的一端与所述第一连杆的另一端铰接，另一端与所述支撑架传动连接；所述颜色传感器安装在所述支撑架上，并处于所述魔方的上方，用于对所述魔方的各个面的颜色进行扫描。

作为本发明的一种优选技术方案，所述旋转机构包括第二步进电机、转轴以及传动曲柄，所述转轴的两端分别与所述第二步进电机、所述传动曲柄转动连接，所述传动曲柄可转动地安装在所述支撑盘的底部。

作为本发明的一种优选技术方案，所述夹持机构包括第三步进电机、第一夹持组件以及第二夹持组件，所述第三步进电机分别与所述第一夹持组件、所述第二夹持组件传动连接，所述第三步进电机能够驱动所述第一夹持组件、所述第二夹持组件夹紧或者松开所述魔方的两侧。

作为本发明的一种优选技术方案，所述第一夹持组件包括第一连接曲柄、第一传动杆、第一支撑杆以及第一浮动夹头，所述第一连接曲柄与所述第三步进电机转动连接，所述第一传动杆的两端分别与所述第一连接曲柄、所述第一支撑杆转动连接，所述第一支撑杆与所述第一浮动夹头的一端传动连接。

作为本发明的一种优选技术方案，所述第二夹持组件包括第二连接曲柄、第二传动杆、第二支撑杆以及第二浮动夹头，所述第二连接曲柄与所述第三步进电机转动连接，所述第二传动杆的两端分别与所述第二连接曲柄、所述第二支撑杆转动连接，所述第二支撑杆与所述第二浮动夹头的一端传动连接。

作为本发明的一种优选技术方案，所述摆动机构包括第四步进电机、摆动曲柄、摆动杆、连轴、第一摆动组件以及第二摆动组件；所述第四步进电机与所述摆动曲柄传动连接，所述摆动杆的一端与所述摆动曲柄铰接，另一端套接在所述连轴上；所述第一摆动组件的一端与所述连轴的一端转动连接，另一端与所述旋转机构的一侧传动连接；所述第二摆动组件的一端与所述连轴的另一端转动连接，另一端与所述旋转机构的另一侧传动连接。

作为本发明的一种优选技术方案，所述第一摆动组件包括第一驱动杆和第一定位架，所述第一驱动杆的一端与所述连轴的一端转动连接，另一端与所述第一定位架传动连接，所述旋转机构的一侧放置在所述第一定位架上。

作为本发明的一种优选技术方案，所述第二摆动组件包括第二驱动杆和第二定位架，所述第二驱动杆的一端与所述连轴的另一端转动连接，另一端与所述第二定位架传动连接，所述旋转机构的另一侧放置在所述第二定位架上。

一种魔方机器人，所述魔方机器人包括单片机、上位机以及以上所述的魔方还原装置；

所述颜色识别机构与所述单片机通信连接，所述单片机用于将采集到的所述颜色识别机构的颜色信息传输给所述上位机；

所述单片机与所述上位机通信连接，所述上位机用于将接收到的颜色信息进行处理后，将对所述魔方的还原步骤的指令发送给所述单片机，所述单片机的控制执行单元将对所述魔方的还原执行指令分别发送给所述旋转机构、所述夹持机构以及所述摆动机构。

本发明的有益效果是：

本装置的目的提供一种魔方还原装置，魔方还原装置使用魔方还原初级算法层先法；魔方在被打乱后，利用单片机采集颜色信息并将之发送到上位机进行处理，并由上位机将还原步骤发送到单片机，再由单片机控制执行单元完成对三阶魔方的还原。本装置将还原步骤写成固定的公式，它能够将任意打乱的三阶魔方进行快速或者单步还原，并在电脑上生成还原步骤。其中，在单步模式的情况下，初学者可以与机器人人机互动，在机器人的引导下还原魔方；在全速模式的情况下，可以进行人机大战，即人与机器人进行比赛，提高了趣味性。

本发明通过上述设计提供一种魔方机器人，其解决了普通魔方机器人解魔方速度较慢、机械机构可靠性较低、趣味性低以及观赏价值小的问题。该魔方机器人结构可靠，能够实现人机互动，并且具有教育意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的魔方还原装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的魔方还原装置的主视图；

图3为本发明实施例提供的魔方还原装置的俯视图；

图4为本发明实施例提供的魔方还原装置的左视图；

图5为本发明实施例提供的颜色识别机构的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的旋转机构的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的夹持机构的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的摆动机构的结构示意图。

图标：1-魔方还原装置；2-魔方；3-支撑盘；4-颜色识别机构；5-旋转机构；6-夹持机构；7-摆动机构；8-第一步进电机；9-第一曲柄；10-第一连杆；11-第二连杆；12-支撑架；13-颜色传感器；14-第二步进电机；15-转轴；16-传动曲柄；17-第三步进电机；18-第一夹持组件；19-第二夹持组件；20-第一连接曲柄；21-第一传动杆；22-第一支撑杆；23-第一浮动夹头；24-第二连接曲柄；25-第二传动杆；26-第二支撑杆；27-第二浮动夹头；28-第四步进电机；29-摆动曲柄；30-摆动杆；31-连轴；32-第一摆动组件；33-第二摆动组件；34-第一驱动杆；35-第一定位架；36-第二驱动杆；37-第二定位架。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和展示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例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例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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装置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，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例：

本实施例提供一种在魔方机器人，它能够将任意打乱的三阶魔方进行单步或者快速还原，并在电脑上生成还原步骤。

其中，魔方机器人包括单片机、上位机以及魔方还原装置1；颜色识别机构4与单片机通信连接，单片机用于将采集到的颜色识别机构4的颜色信息传输给上位机；单片机与上位机通信连接，上位机用于将接收到的颜色信息进行处理后，将对魔方2的还原步骤的指令发送给单片机，单片机的控制执行单元将对魔方2的还原执行指令分别发送给旋转机构5、夹持机构6以及摆动机构7。

该魔方机器人的工作原理为：

魔方2在被打乱后，利用单片机采集颜色信息并将之发送到上位机进行处理，并由上位机将还原步骤发送到单片机，再由单片机控制执行单元完成对三阶魔方的还原。

其中，单片机控制执行单元包括魔方还原装置1，其具体的机械结构如下文所阐述。

请参照图1，配合参照图2至图4，魔方还原装置1包括魔方2，用于支撑魔方2的支撑盘3，用于识别魔方2各个面的颜色的颜色识别机构4，旋转机构5，用于夹持魔方2的夹持机构6以及用于驱动魔方2上下移动的摆动机构7；其中，魔方2放置在支撑盘3上，颜色识别机构4用于对魔方2的各个面的颜色进行识别和扫描，旋转机构5与支撑盘3的底部连接，用于驱动支撑盘3进行旋转，并且带动魔方2旋转；夹持机构6与魔方2的两侧连接，能够夹紧或者松开魔方2；摆动机构7连接于旋转机构5，并通过驱动旋转机构5带动魔方2摆动。

请参照图5，配合参照图1，颜色识别机构4包括底座、第一步进电机8、第一固定支架、第一曲柄9、第一连杆10、第二连杆11、支撑架12以及颜色传感器13；其中，第一固定支架固定安装在底座上，第一步进电机8固定安装在第一固定支架上，并且其与第一曲柄9传动连接，第一连杆10的一端与第一曲柄9转动连接；第二连杆11的一端与第一连杆10的另一端铰接，另一端与支撑架12传动连接；颜色传感器13安装在支撑架12上，并处于魔方2的上方，用于对魔方2的各个面的颜色进行扫描。

支撑架12包括四个垂直支杆和一个水平支撑框，四个垂直支杆与底座可活动地抵接，并且分别在第一固定支架的四周，水平支撑框则框在四个垂直支杆上，四个垂直支杆固定的分布在水平支撑框的四个角端内。在靠近魔方2的两个平行间隔设置的垂直支杆的中部连接有连接架，第二支杆的另一端与连接架的中部铰接，从而当第一步进电机8启动时，其可以带动第二支杆前后运动，第二支杆带动整个支撑架12前后移动，进而带动颜色传感器13前后移动，并对魔方2的各个面进行颜色扫描。

请参照图6，配合参照图1，旋转机构5包括第二步进电机14、转轴15以及传动曲柄16，第二步进电机14安装在摆动机构7的一端上，通过摆动机构7的摆动可以带动其摆动，进而驱动魔方2进行摆动翻转等操作。转轴15的两端分别与第二步进电机14、传动曲柄16转动连接，传动曲柄16可转动地安装在支撑盘3的底部。

请参照图7，配合参照图1，夹持机构6包括固定架、第三步进电机17、第一夹持组件18以及第二夹持组件19；固定架固定地安装在底座上，第三步进电机17固定地安装在固定架上；同时，第三步进电机17分别与第一夹持组件18、第二夹持组件19传动连接，其能够驱动第一夹持组件18、第二夹持组件19夹紧或者松开魔方2的两侧。

第一夹持组件18包括第一连接曲柄20、第一传动杆21、第一支撑杆22以及第一浮动夹头23，第一连接曲柄20与第三步进电机17转动连接，第一传动杆21的两端分别与第一连接曲柄20、第一支撑杆22转动连接，第一支撑杆22与第一浮动夹头23的一端传动连接，第一浮动夹头23用于夹紧或者松开魔方2的一侧壁。

第二夹持组件19包括第二连接曲柄24、第二传动杆25、第二支撑杆26以及第二浮动夹头27，第二连接曲柄24与第三步进电机17转动连接，第二传动杆25的两端分别与第二连接曲柄24、第二支撑杆26转动连接，第二支撑杆26与第二浮动夹头27的一端传动连接，第二浮动夹头27用于夹紧或者松开魔方2的一侧壁。

请参照图8，配合参照图1，摆动机构7包括摆动支架、第四步进电机28、摆动曲柄29、摆动杆30、连轴31、第一摆动组件32以及第二摆动组件33；其中，摆动支架固定的安装在底座上，第四步进电机28固定地安装在摆动支架上；同时，第四步进电机28与摆动曲柄29传动连接，摆动杆30的一端与摆动曲柄29铰接，另一端套接在连轴31上；第一摆动组件32的一端与连轴31的一端转动连接，另一端与旋转机构5的一侧传动连接；第二摆动组件33的一端与连轴31的另一端转动连接，另一端与旋转机构5的另一侧传动连接。

需要说明的是，在本实施例中，第一摆动组件32包括第一驱动杆34和第一定位架35，第一驱动杆34的一端与连轴31的一端转动连接，另一端与第一定位架35传动连接，旋转机构5的一侧放置在第一定位架35上。

需要说明的是，在本实施例中，第二摆动组件33包括第二驱动杆36和第二定位架37，第二驱动杆36的一端与连轴31的另一端转动连接，另一端与第二定位架37传动连接，旋转机构5的另一侧放置在第二定位架37上。

由此可知，本装置通过将还原步骤写成固定的公式，能够将任意打乱的三阶魔方进行快速或者单步还原，并在电脑上生成还原步骤。其中，在单步模式的情况下，初学者可以与机器人人机互动，在机器人的引导下还原魔方2；在全速模式的情况下，可以进行人机大战，即人与机器人进行比赛，提高了趣味性。通过上述设计提供的魔方机器人，结构可靠，能够实现人机互动，并且具有教育意义；还解决了普通魔方机器人解魔方2速度较慢、机械机构可靠性较低、趣味性低以及观赏价值小的问题。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种魔方还原装置，其特征在于，所述魔方还原装置包括：

魔方；

用于支撑所述魔方的支撑盘，所述魔方放在所述支撑盘上；

用于识别魔方各个面的颜色的颜色识别机构，所述颜色识别机构用于对所述魔方的各个面的颜色进行识别和扫描；

旋转机构，所述旋转机构与所述支撑盘的底部连接，用于驱动所述支撑盘进行旋转；

用于夹持所述魔方的夹持机构，所述夹持机构与所述魔方的两端连接，能够夹紧或者松开所述魔方；

用于驱动所述魔方上下移动的摆动机构，所述摆动机构连接于所述旋转机构，并通过驱动所述旋转机构带动所述魔方摆动。

2.根据权利要求1所述的魔方还原装置，其特征在于，所述颜色识别机构包括第一步进电机、第一曲柄、第一连杆、第二连杆、支撑架以及颜色传感器；所述第一步进电机与所述第一曲柄传动连接，所述第一连杆的一端与所述第一曲柄转动连接；所述第二连杆的一端与所述第一连杆的另一端铰接，另一端与所述支撑架传动连接；所述颜色传感器安装在所述支撑架上，并处于所述魔方的上方，用于对所述魔方的各个面的颜色进行扫描。

3.根据权利要求1所述的魔方还原装置，其特征在于，所述旋转机构包括第二步进电机、转轴以及传动曲柄，所述转轴的两端分别与所述第二步进电机、所述传动曲柄转动连接，所述传动曲柄可转动地安装在所述支撑盘的底部。

4.根据权利要求1所述的魔方还原装置，其特征在于，所述夹持机构包括第三步进电机、第一夹持组件以及第二夹持组件，所述第三步进电机分别与所述第一夹持组件、所述第二夹持组件传动连接，所述第三步进电机能够驱动所述第一夹持组件、所述第二夹持组件夹紧或者松开所述魔方的两侧。

5.根据权利要求4所述的魔方还原装置，其特征在于，所述第一夹持组件包括第一连接曲柄、第一传动杆、第一支撑杆以及第一浮动夹头，所述第一连接曲柄与所述第三步进电机转动连接，所述第一传动杆的两端分别与所述第一连接曲柄、所述第一支撑杆转动连接，所述第一支撑杆与所述第一浮动夹头的一端传动连接。

6.根据权利要求4所述的魔方还原装置，其特征在于，所述第二夹持组件包括第二连接曲柄、第二传动杆、第二支撑杆以及第二浮动夹头，所述第二连接曲柄与所述第三步进电机转动连接，所述第二传动杆的两端分别与所述第二连接曲柄、所述第二支撑杆转动连接，所述第二支撑杆与所述第二浮动夹头的一端传动连接。

7.根据权利要求1所述的魔方还原装置，其特征在于，所述摆动机构包括第四步进电机、摆动曲柄、摆动杆、连轴、第一摆动组件以及第二摆动组件；所述第四步进电机与所述摆动曲柄传动连接，所述摆动杆的一端与所述摆动曲柄铰接，另一端套接在所述连轴上；所述第一摆动组件的一端与所述连轴的一端转动连接，另一端与所述旋转机构的一侧传动连接；所述第二摆动组件的一端与所述连轴的另一端转动连接，另一端与所述旋转机构的另一侧传动连接。

8.根据权利要求7所述的魔方还原装置，其特征在于，所述第一摆动组件包括第一驱动杆和第一定位架，所述第一驱动杆的一端与所述连轴的一端转动连接，另一端与所述第一定位架传动连接，所述旋转机构的一侧放置在所述第一定位架上。

9.根据权利要求7所述的魔方还原装置，其特征在于，所述第二摆动组件包括第二驱动杆和第二定位架，所述第二驱动杆的一端与所述连轴的另一端转动连接，另一端与所述第二定位架传动连接，所述旋转机构的另一侧放置在所述第二定位架上。

10.一种魔方机器人，其特征在于，所述魔方机器人包括单片机、上位机以及权利要求1至9任一项所述的魔方还原装置；

所述颜色识别机构与所述单片机通信连接，所述单片机用于将采集到的所述颜色识别机构的颜色信息传输给所述上位机；

所述单片机与所述上位机通信连接，所述上位机用于将接收到的颜色信息进行处理后，将对所述魔方的还原步骤的指令发送给所述单片机，所述单片机的控制执行单元将对所述魔方的还原执行指令分别发送给所述旋转机构、所述夹持机构以及所述摆动机构。