CN109571501A - 四柱式解魔方机器人装置、系统及使用方法 - Google Patents

四柱式解魔方机器人装置、系统及使用方法 Download PDF

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刘长青
王银
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Abstract

本发明涉及一种四柱式解魔方机器人装置、系统及使用方法，装置包括支架、上卡盘和六个电机，其中：六个电机均由电机本体和联轴器组成，联轴器用于连接魔方和电机本体；支架由底座、呈“十”字形分布于底座上的四个立柱以及设置于底座上并位于四个立柱中央的底部电机安装槽组成，四个立柱的顶端分别设有一个侧面电机安装槽，用于从上方将四个电机的电机本体同时装入；上卡盘可拆卸地架设于两个相对的立柱的顶部，并具有与底部电机安装槽相对设置的顶部电机安装槽。与现有技术相比，本发明结构简单易制作，装配方便，运转可靠，适用性范围广，方便展览，成本低，易于学生掌握还原魔方原理和和软件二次开发。

Description

四柱式解魔方机器人装置、系统及使用方法
技术领域
本发明涉及一种解魔方机器人，尤其是涉及一种四柱式解魔方机器人装置、系统及使用方法。
背景技术
魔方已经风靡全球许多年了，在魔方机器人出现以前人们只能依靠手动来解魔方。最近几年国内外开始出现魔方机器人，很快吸引了很多人的目光，其中主要包括科学界、纯粹的魔方玩家们以及对科学设计有浓厚兴趣的学生。但是造成魔方机器人没有大量普及的一个重要原因就是成本过高，制作难度大且结构复杂。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构简单易制作，装配方便，运转可靠，适用性范围广，方便展览，成本低，易于学生掌握还原魔方原理和和软件二次开发的四柱式解魔方机器人装置、系统及使用方法。具有较强的教学实用性和娱乐意义。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明提供一种四柱式解魔方机器人装置，包括：
六个电机，均由电机本体和联轴器组成，联轴器用于连接魔方和电机本体，
支架，由底座、呈“十”字形分布于底座上的四个立柱以及设置于底座上并位于四个立柱中央的底部电机安装槽组成，四个立柱的顶端分别设有一个侧面电机安装槽，用于从上方将四个电机的电机本体同时装入，
上卡盘，可拆卸地架设于两个相对的立柱的顶部，并具有与底部电机安装槽相对设置的顶部电机安装槽。
优选地，所述的侧面电机安装槽由竖向设置于立柱顶端的四个角钢围成的空间构成，所述的电机本体从侧面电机安装槽的上方装入。
优选地，所述的侧面电机安装槽与电机本体之间设有垫片。由于本设计是开环，需要对魔方颜色进行扫描和颜色设别，所以需要拆装魔方，在设计柱子上不能对魔方固定死，所以我们设计的间隙有点大，在魔方装上去之后，由垫片来保证电机的固定。固定电机是为了电机的联轴器与魔方的中心线保持一致，不会导致魔方与电机的转动产生滑动，影响最后的结果。
优选地，所述的上卡盘具有两个固定圈，分别用于套设在两个相对的立柱上的四个角钢围成的空间外。
优选地，所述的立柱的横截面截面为矩形、圆形、三角形或椭圆形。立柱可以使用不同形状的柱子，只要能保证侧面的四个电机可以固定并且保持在同一平面上。
优选地，通过将魔方每个面的中心块的盖子取下，并将联轴器的自由端伸入中心块中，实现魔方和电机本体的连接。本发明优选采用截面为正方形的长方体型联轴器。实际使用过程中，也可以用不同形状(截面为圆柱形，三角形、椭圆形等)的联轴器，只要能够保证电机和魔方的一个面能同步转动均可。
优选地，所述的底部电机安装槽和顶部电机安装槽只要能将电机固定即可，可以是专用的固定槽。
优选地，工作时，六个电机的联轴器的自由端指向魔方的中心。
本发明还提供一种四柱式解魔方机器人系统，包括控制器、摄像头以及所述的四柱式解魔方机器人装置，所述的控制器包括PC机和单片机，所述的摄像头与PC机通讯连接，PC机、单片机和电机通讯连接。本发明用PC——单片机(优选采用Arduino单片机)——驱动电机，三位一体共同保证完美的还原魔方。
进一步优选地，电机采用型号为J-4218HB2403额步进电机。
进一步优选地，Arduino单片机采用ArduinoMEGA2560-rumps带有六个电机驱动器的单片机。
本发明还提供一种四柱式解魔方机器人系统的使用方法，包括以下步骤：
S1：预先将底部电机安装槽和顶部安装槽内装上电机；
S2：用摄像头对魔方进行扫描和颜色识别，并将数据传入控制器，进行步骤计算，将魔方六个面的中心块的盖子取下，并记录盖子颜色；
S3：将四个电机的联轴器伸入魔方的四个侧面的中心块中，然后同时从上方放入并固定到四个立柱的侧面电机安装槽中，并使底部电机安装槽中的电机的联轴器插入魔方底面的中心块中；
S4：将上卡盘架设于两个相对的立柱的顶部，并使顶部电机安装槽中的电机的联轴器插入魔方顶面的中心块中；
S5：控制器按照计算步骤控制电机转动进行解魔方。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明的底座和上卡盘以及联轴器都可以自主设计且自己打印，六个电机放置也简单，大大降低的制作难度和制作成本。
(2)本发明的采用的是六个电机同时运转，在二十次的转动就可以还原魔方，大大的提高了还原魔方机器人的速度。
(3)本发明采用PC端到单片机到驱动部分三位一体，由电脑对魔方进行扫面，计算及步骤传到与电脑相连的Arduino单片机，再由单片机直接控制与之相连的六个电机，进行还原动作，执行步骤简单，单片机相遇速度快。
(4)本发明采用四立柱以及上卡盘和底座各对六个电机进行固定，在四个立柱上的固定上可加持垫片让电机固定的更稳，不会出现卡死的概率，还原稳定性更高。
(5)本发明的一种四柱式解魔方机器人系统，其电机和Arduino单片机价格便宜、性能稳定，易于自主设计和应用普及。
附图说明
图1为本发明的四柱式解魔方机器人装置的结构示意图；
图2为本发明的四柱式解魔方机器人装置的支架的示意图；
图3为本发明的四柱式解魔方机器人装置的电机的示意图。
图中，1为电机，11为电机本体，12为联轴器，2为底座，21为底部电机安装槽，3为立柱，31为侧面电机安装槽，311为角钢，4为上卡盘，41为固定圈，5为魔方。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种四柱式解魔方机器人装置，如图1～3所示，包括支架、上卡盘4和六个电机1，其中：六个电机1均由电机本体11和联轴器12组成(优选电机本体11与联轴器12通过过盈配合连接)，联轴器12用于连接魔方5和电机本体11；支架由底座2、呈“十”字形分布于底座2上的四个立柱3以及设置于底座2上并位于四个立柱3中央的底部电机安装槽21组成，四个立柱3的顶端分别设有一个侧面电机安装槽31，用于从上方将四个电机1的电机本体11同时装入；上卡盘4可拆卸地架设于两个相对的立柱3的顶部，并具有与底部电机安装槽21相对设置的顶部电机安装槽。
本实施中立柱3的横截面截面为矩形、圆形、三角形、椭圆形或其他形状，优选矩形。本实施例优选侧面电机安装槽31由竖向设置于立柱3顶端的四个角钢311围成的空间构成，电机本体11从侧面电机安装槽31的上方装入。并进一步优选侧面电机安装槽31与电机本体11之间设有垫片。本实施例中，上卡盘4具有两个固定圈41，分别用于套设在两个相对的立柱3上的四个角钢311围成的空间外。本实施例中通过将魔方5每个面的中心块的盖子取下，并将联轴器12的自由端伸入中心块中，实现魔方5和电机本体11的连接。工作时，六个电机1的联轴器12的自由端指向魔方5的中心。
本实施例还公开一种四柱式解魔方机器人系统，包括控制器、摄像头以及权利要求1～7任一四柱式解魔方机器人装置，控制器包括PC机和单片机，摄像头与PC机通讯连接，PC机、单片机和电机通讯连接。本实施例采用PC——单片机(优选采用Arduino单片机)——驱动电机，三位一体共同保证完美的还原魔方。电机采用型号为J-4218HB2403额步进电机。Arduino单片机采用ArduinoMEGA2560-rumps带有六个电机驱动器的单片机。
上述四柱式解魔方机器人系统的使用方法，包括以下步骤：
S1：预先将底部电机安装槽21和顶部安装槽内装上电机1；
S2：用摄像头对魔方5进行扫描和颜色识别，并将数据传入控制器，进行步骤计算，将魔方5六个面的中心块的盖子取下，并记录盖子颜色(要记好魔方5的各面的中心块的盖子颜色，因为这是最后是否成功的一个重要标志，然后给观赏者说明比如说，对着我们的这一面为红色，上方为蓝色，左侧为白色，其他色就固定了)；
S3：将四个电机1的联轴器12伸入魔方5的四个侧面的中心块中，然后同时从上方放入并固定到四个立柱3的侧面电机安装槽31中(可以使用垫片)，使底部电机安装槽21中的电机1的联轴器12插入魔方5底面的中心块中；
S4：将上卡盘4架设于两个相对的立柱3的顶部，并使顶部电机安装槽中的电机1的联轴器12插入魔方5顶面的中心块中；
S5：控制器按照计算步骤控制电机1转动进行解魔方。
单片机方面，使用Arduino单片机和相应电机驱动器控制六个步进电机，驱动步进电机需要专用的电机驱动器，我们选择的是A4988驱动器，用这个电机驱动器有3个参数需要控制，分别是使能(en)、方向(dir)和脉冲(pul)。转动魔方需要输入魔方的基本指令：“U、D、F、B、R、L、U2、D2、F2、B2、R2、L2、U’、D’、F’、B’、R’L’、”。这18个字母对应的电机相应运动关系如表1所示：
表1
转速细分分析，对电机驱动器A4988的细分可分为五种方式，分别为全细分，2细分，4细分，8细分与16细分，分别表示电机每转动360度时需要的脉冲为200，400，800，1600，3200个。
如：digitalWrite(5,HIGH)；
delayMicroseconds(100)；
digitalWrite(5,LOW)；
delayMicroseconds(100)；
上面这段控制程序表示一个脉冲，它的间隔时间为200us，如果是八细分，那么电机每转360°需要3200us，即转速为312.5r/s，18750r/min。
但在实际实验中我们不需要360°，只需要90°/180°/270°，因为我们选用的是8细分，所以对应的只需要400步/800步/1200步。
因为转动魔方需要的力很小，所以这里并没有考虑力矩的问题。最后我们传输指令用的是串口通信，而Arduino的串口通信只能由单个字节的接收和判断，即并不能判断两个字节的U2,U’等，所以我利用了步进电机驱动的使能开关来解决问题。
1、表格中顺90°型：
当串口接收到单个字母，如u时就只把U的使能打开顶部电机通电且旋转90°，其他的电机全部关闭。之后会接到另一个单个字母如d时就只把D的使能打开下部电机通电且旋转90°，其他的电机全部关闭。其余四个字母原理都是如此。
2、表格中180°型：
如果是接收到“单个字母+2”时其原理和1相同，只不过转动角度改为180°。
3、如果接收到“单个字母+’”，原理和上相似，只不过会转两次，一次180°，二次90°，总共270°，就相当于逆转90°。
完成后，将计算的步骤通过Arduino串口发送过去，由单片机驱动六个电机分别转动，二十步还原魔方，将机器人拆下来，拿出魔方，依次将魔方六个面的中心面放好，这样一个打乱的魔方就还原好了。
上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种四柱式解魔方机器人装置，其特征在于，包括：
六个电机(1)，均由电机本体(11)和联轴器(12)组成，联轴器(12)用于连接魔方(5)和电机本体(11)，
支架，由底座(2)、呈“十”字形分布于底座(2)上的四个立柱(3)以及设置于底座(2)上并位于四个立柱(3)中央的底部电机安装槽(21)组成，四个立柱(3)的顶端分别设有一个侧面电机安装槽(31)，用于从上方将四个电机(1)的电机本体(11)同时装入，
上卡盘(4)，可拆卸地架设于两个相对的立柱(3)的顶部，并具有与底部电机安装槽(21)相对设置的顶部电机安装槽。
2.根据权利要求1所述的一种四柱式解魔方机器人装置，其特征在于，所述的侧面电机安装槽(31)由竖向设置于立柱(3)顶端的四个角钢(311)围成的空间构成，所述的电机本体(11)从侧面电机安装槽(31)的上方装入。
3.根据权利要求2所述的一种四柱式解魔方机器人装置，其特征在于，所述的侧面电机安装槽(31)与电机本体(11)之间设有垫片。
4.根据权利要求2所述的一种四柱式解魔方机器人装置，其特征在于，所述的上卡盘(4)具有两个固定圈(41)，分别用于套设在两个相对的立柱(3)上的四个角钢(311)围成的空间外。
5.根据权利要求1所述的一种四柱式解魔方机器人装置，其特征在于，所述的立柱(3)的横截面截面为矩形、圆形、三角形或椭圆形。
6.根据权利要求1所述的一种四柱式解魔方机器人装置，其特征在于，通过将魔方(5)每个面的中心块的盖子取下，并将联轴器(12)的自由端伸入中心块中，实现魔方(5)和电机本体(11)的连接。
7.根据权利要求5所述的一种四柱式解魔方机器人装置，其特征在于，工作时，六个电机(1)的联轴器(12)的自由端指向魔方(5)的中心。
8.一种四柱式解魔方机器人系统，其特征在于，包括控制器、摄像头以及权利要求1～7任一所述的四柱式解魔方机器人装置，所述的控制器包括PC机和单片机，所述的摄像头与PC机通讯连接，PC机、单片机和电机通讯连接。
9.如权利要求8所述的四柱式解魔方机器人系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：预先将底部电机安装槽(21)和顶部安装槽内装上电机(1)；
S2：用摄像头对魔方(5)进行扫描和颜色识别，并将数据传入控制器，进行步骤计算，将魔方(5)六个面的中心块的盖子取下，并记录盖子颜色；
S3：将四个电机(1)的联轴器(12)伸入魔方(5)的四个侧面的中心块中，然后同时从上方放入并固定到四个立柱(3)的侧面电机安装槽(31)中，并使底部电机安装槽(21)中的电机(1)的联轴器(12)插入魔方(5)底面的中心块中；
S4：将上卡盘(4)架设于两个相对的立柱(3)的顶部，并使顶部电机安装槽中的电机(1)的联轴器(12)插入魔方(5)顶面的中心块中；
S5：控制器按照计算步骤控制电机(1)转动进行解魔方。
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