CN109676628A

CN109676628A - 魔方机器人

Info

Publication number: CN109676628A
Application number: CN201910136617.9A
Authority: CN
Inventors: 徐大伟; 张旭; 刘刚; 马世强; 云薇; 王艳柏; 王泽�; 赵剑
Original assignee: Changchun University
Current assignee: Changchun University
Priority date: 2019-02-25
Filing date: 2019-02-25
Publication date: 2019-04-26

Abstract

本发明公开一种魔方机器人，涉及机器人技术领域，包括机架以及设置于所述机架上的视觉系统、动力系统和控制系统，所述视觉系统和所述动力系统均与所述控制系统连接；所述视觉系统采用摄像头，用于对魔方单面颜色的采集，所述动力系统包括步进电机、Y形手指气缸和气泵；所述机架上设置有连接装置，所述连接装置的两侧各设置有一个所述步进电机，每个所述步进电机的输出端连接一个所述Y形手指气缸，所述Y形手指气缸与所述气泵连接。本发明提高机器旋转精度，避免了步进电机的丢步问题，而且可以使机械臂360度任意旋转。

Description

魔方机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种魔方机器人。

背景技术

现有魔方机器人多为4轴或6轴机械臂结构，魔方的还原速度从0.38秒～两分钟不等，现有魔方机器人可以在17秒以内还原任意被打乱的三阶魔方；类似类人双臂结构多采用双回转气缸作为旋转动力，虽然精度较高，但是速度较慢，成本较高，且旋转时机械手的惯性难以控制，对魔方容易造成损害。

发明内容

本发明的目的是提供一种魔方机器人，以解决现有技术所存在的上述问题，提高机器旋转精度，避免了步进电机的丢步问题，而且可以使机械臂360度任意旋转。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种魔方机器人，包括机架以及设置于所述机架上的视觉系统、动力系统和控制系统，所述视觉系统和所述动力系统均与所述控制系统连接；所述视觉系统采用摄像头，用于对魔方单面颜色的采集，所述动力系统包括步进电机、Y形手指气缸和气泵；所述机架上设置有连接装置，所述连接装置的两侧各设置有一个所述步进电机，每个所述步进电机的输出端连接一个所述Y形手指气缸，所述Y形手指气缸与所述气泵连接。

优选的，所述连接装置采用梯形连接法兰。

优选的，所述梯形连接法兰的下方设置有用于对所述步进电机进行控制的步进电机驱动器，所述步进电机驱动器连接有50V交流环形变压器，所述50V交流环形变压器通过螺栓固定于所述机架上。

优选的，所述步进电机为86闭环步进电机，所述步进电机驱动器为86闭环步进电机驱动器。

优选的，所述步进电机通过固定在所述梯形连接法兰上的气电滑环与所述Y形手指气缸连接；所述气电滑环一端通过手指气缸联轴器与所述Y型手指气缸连接，另一端连接所述步进电机，所述所述Y型手指气缸连接有电磁阀。

优选的，所述气泵一端通过气管与所述气电滑环连接，另一端通过气管连接固定在所述机架上的储气罐。

优选的，所述电磁阀与所述气泵均与开关电源连接。

优选的，所述储气罐还通过气管连接固定在所述机架上的气动三联件，用于对压缩空气进行过滤。

优选的，所述控制系统包括上位机和下位机；所述上位机用于负责魔方六面颜色信息的提取以及魔方解法步骤的输出；所述下位机采用Arduino Mega2560控制器，用于负责接收上位机传来的控制信号，完成对所述步进电机驱动器、步进电机的控制。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

1、采用气电滑环作为86闭环步进电机与手指气缸的连接件、在保证手指气缸正常供气泄气的前提下，又可以使机械臂360度任意旋转，而不会发生气管缠绕的现象。

2、定制梯形安装法兰，保证左右手臂的对称性，提高机器的稳定性。

3、储气罐上外置气压开关，防止过充造成危险。

4、采用86闭环步进电机，大大提高机器旋转精度，极大避免了步进电机的丢步问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为本发明中魔方机器人的整体结构示意图；

图2为本发明中魔方机器人的主视示意图；

1、50V交流环形变压器，2、86闭环步进电机，3、手指气缸联轴器，4、Y型手指气缸，5、罗技C920摄像头，6、急停开关，7、气电滑环，8、梯形连接法兰，9、储气罐，10、气泵急停开关，11、开关电源，12、气动三联件，13、电磁阀，14、气泵，15、ArduinoMega2560控制器，16、86闭环步进电机驱动器，17、机架。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1和2所示，本实施例提供一种魔方机器人，主要包括机架17以及设置在机架17上的视觉系统、动力系统、控制系统三大部分。其中，视觉系统采用罗技C920摄像头5、该摄像头具有60fps的高分辨率，可以在极短的时间内完成对魔方单面颜色的采集，固定在机架上的罗技C920高清摄像头5通过数据线与电脑进行通讯。

动力系统分为气动和电动两部分，控制手臂旋转的部分采用86闭环步进电机2，86闭环步进电机2控制方面采用S形加速曲线加速，避免步进电机急停对魔方以及步进电机造成损害；魔方的夹持动作采用Y形手指气缸4作为夹持工具，该Y形手指气缸通过mos管和二位五通电磁阀控制，具有每秒开合5次的快速响应，所述Y形手指气缸与所述气泵连接，气泵14采用12V小型双缸充气泵；

控制系统分为上位机和下位机；上位机采用Python编写，主要负责魔方六面颜色信息的提取以及魔方解法步骤的输出；下位机采用Arduino Mega2560控制器，主要负责接收上位机传来的控制信号，完成对86闭环步进电机驱动器16、86闭环步进电机2的控制。

在本实施例中，所述机架上设置有连接装置，所述连接装置采用梯形连接法兰8；梯形连接法兰8两侧各设置有一个所述86闭环步进电机2，所述梯形连接法兰8的下方设置有用于对所述86闭环步进电机2进行控制的86闭环步进电机驱动器16，机架17上通过螺栓螺母固定有50V交流环形变压器1，用于对86闭环步进电机2和86闭环步进电机驱动器16进行供电。

所述86闭环步进电机2通过气电滑环7与所述Y形手指气缸4连接，手指气缸和86闭环步进电机的连接处采用气电滑环作为连接件，既保证气体流通的顺畅又可以让手指气缸360度任意旋转，无需考虑气管的缠绕问题。所述气电滑环7通过螺栓固定在所述梯形连接法兰8上，其一端通过手指气缸联轴器3与所述Y型手指气缸4连接，另一端通过一根8mm的输出轴与联轴器连接，再与86闭环步进电机2连接，所述所述Y型手指气缸连接有电磁阀。所述电磁阀13与所述气泵14均与开关电源11连接，电磁阀为12V二位五通电磁阀，气泵为12V气泵，开关电源11为12V6.5A开关电源，开关电鱼固定于机架上，对电磁阀和气泵进行供电。

所述气泵14一端通过气管与所述气电滑环7连接，另一端通过气管连接柔性固定在所述机架17上的2L储气罐9，进行充气储气。储气罐9通过气管和固定在机架上的气动三联件12对压缩空气进行过滤，然后再通过气管与气电滑环7连接，再与通过螺栓连接固定在气电滑环7上的Y型手指气缸4连接，完成魔方的夹持动作；气电滑环7与机架17的固定处采用激光加工的梯形钢板、保证左右机械臂的对称性，提高机器的可靠性。

本实施例中魔方机器人的工作过程如下：

通过Y型手指气缸4夹住魔方，夹紧后，机器人操作人员点击电脑端的开始按键，机器人开始工作。

首先通过罗技C920高清摄像头5扫描正对摄像头的F面，扫描完成后，左侧的手指气缸松开，右侧的手指气缸夹着魔方通过与手指气缸连接的86闭环步进电机2顺时针旋转90°；然后左侧手指气缸夹紧，右侧手指气缸松开并通过86闭环步进电机使右侧手指气缸逆时针旋转90°，将完整的魔方面正对着摄像头，摄像头完成R面的扫描，并将整个魔方面以照片的形式发给电脑端；继续执行上述步骤完成魔方的B面，U面，L面D面的扫描。

扫描完成后，上位机完整的接收到魔方的六个面的照片，通过上位机软件进行解算，将解算得到的完整的魔方还原的步骤转化为控制信号通过串口发送到下位机的ArduinoMega2560控制器，通过ArduinoMega2560控制器将控制信号发送到86闭环步进电机驱动器16进而控制两个86闭环步进电机完成手指气缸的顺时针旋转90°、180°、270°，逆时针旋转90°180°、270°。

步进电机的顺逆时针旋转是魔方还原中的魔方单面旋转动作，但是魔方的旋转动作需要有一个夹持的动作，通过手指气缸夹持魔方的两个中间棱块，夹持动作选用的是Y型手指气缸4，通过一个二位五通电磁阀13控制气缸的开合动作，也就是完成机械手对魔方的夹持，松开动作。

86闭环步进电机驱动器与86闭环步进电机的供电电压均为AC50V，而机器人采用的是市电，所以在机器人的机架17上安装了一个环形变压器1为其供电；Y型手指气缸的工作需要用压缩空气来完成，所以在魔方机器人的机架17上安装有12V气泵14以及储气的2L储气罐9；而气泵14的供电电压为DC12V，所以在机架上安装了一个将市电220V转化为DC12V的12V6.5A开关电源11；考虑到传统魔方机器人手腕部分不能完成360度无限旋转的问题，在86闭环步进电机与Y型手指气缸之间上安装了一个气电滑环7作为连接件。

本实施例中魔方机器人主体采用铝型材作为框架，魔方的还原通过两个手指气缸的夹持动作和两个86闭环步进电机的旋转动作完成。手指气缸与步进电机的连接上，采用气电滑环作为连接件，可以完成气缸360度的旋转而无需担心气管缠绕的问题。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种魔方机器人，其特征在于：包括机架以及设置于所述机架上的视觉系统、动力系统和控制系统，所述视觉系统和所述动力系统均与所述控制系统连接；所述视觉系统采用摄像头，用于对魔方单面颜色的采集，所述动力系统包括步进电机、Y形手指气缸和气泵；所述机架上设置有连接装置，所述连接装置的两侧各设置有一个所述步进电机，每个所述步进电机的输出端连接一个所述Y形手指气缸，所述Y形手指气缸与所述气泵连接。

2.根据权利要求1所述的魔方机器人，其特征在于：所述连接装置采用梯形连接法兰。

3.根据权利要求2所述的魔方机器人，其特征在于：所述梯形连接法兰的下方设置有用于对所述步进电机进行控制的步进电机驱动器，所述步进电机驱动器连接有50V交流环形变压器，所述50V交流环形变压器通过螺栓固定于所述机架上。

4.根据权利要求3所述的魔方机器人，其特征在于：所述步进电机为86闭环步进电机，所述步进电机驱动器为86闭环步进电机驱动器。

5.根据权利要求2所述的魔方机器人，其特征在于：所述步进电机通过固定在所述梯形连接法兰上的气电滑环与所述Y形手指气缸连接；所述气电滑环一端通过手指气缸联轴器与所述Y型手指气缸连接，另一端连接所述步进电机，所述所述Y型手指气缸连接有电磁阀。

6.根据权利要求5所述的魔方机器人，其特征在于：所述气泵一端通过气管与所述气电滑环连接，另一端通过气管连接固定在所述机架上的储气罐。

7.根据权利要求6所述的魔方机器人，其特征在于：所述电磁阀与所述气泵均与开关电源连接。

8.根据权利要求6所述的魔方机器人，其特征在于：所述储气罐还通过气管连接固定在所述机架上的气动三联件，用于对压缩空气进行过滤。

9.根据权利要求3所述的魔方机器人，其特征在于：所述控制系统包括上位机和下位机；所述上位机用于负责魔方六面颜色信息的提取以及魔方解法步骤的输出；所述下位机采用Arduino Mega2560控制器，用于负责接收上位机传来的控制信号，完成对所述步进电机驱动器、步进电机的控制。