CN111415663B - 一种具有自恢复功能的语音控制魔方及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有自恢复功能的语音控制魔方及控制方法，包括：角块、魔方驱动块、控制系统；所述角块、魔方驱动块所围成的二阶魔方中部为空腔，在该空腔中放置控制系统；操作者可通过语音控制方式对控制系统进行控制指令下发，可轻松实现魔方功能设定，所述魔方驱动块中固定有磁性元件；控制系统包括舵机及控制模块，所述舵机的输出轴与魔方驱动块连接，所述舵机的周边布置有检测元件；检测元件通过非接触方式检测所述舵机驱动含有磁性元件的魔方驱动块在转动时引起的电流变化，并将检测信号传输至控制模块；控制模块依此控制舵机旋转实现魔方的倒序恢复、自主寻优恢复和自主打乱功能。控制系统的电子元件完全跟魔方角块分离，避免魔方的运动影响到控制系统。

Description

一种具有自恢复功能的语音控制魔方及控制方法

技术领域

本发明属于魔方控制技术领域，尤其涉及一种具有自恢复功能的语音控制魔方及控制方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

二阶魔方又称口袋魔方、迷你魔方、小魔方、冰块魔方，与常见的三阶魔方类似同样有6个面，但其只有顶角没有棱角，属于入门级的简单魔方。魔方不仅有助于培养人的空间想象力，青少年的动脑动手能力，而且对数学中的群论和计算机科学及理论物理都有非常深刻的影响。然而魔方的数学排列算法很复杂，若不懂得排列规律，在转动的过程中很难将其复原，影响魔方的进一步的转动，无法开展下一步的学习工作，对于初学者而言永远不是随便转动几下就能复原的产品，所以很多人认为玩魔方是一件很难的事情。

发明人在研究中发现，为了提高魔方的用户体验，具有自恢复能力的魔方成为了新的研究热点，现主要有两种方式实现魔方复原功能。第一种是解魔方机器人，其为一种能将任意打乱的魔方自动复原的机器人系统，涉及到数字图像处理、计算机视觉、模式识别技术、人工智能等多门学科的技术。第二种是将魔方与智能手机相配合，通过传感器捕捉魔方的每一次旋转，从而实现手机中虚拟魔方与真实魔方的同步运动，并最终在手机软件中解算出魔方的复原步骤。上述两种方式均可提供魔方复原解决方案，然而解魔方机器人需要复杂的传感及运动控制系统，其成本高昂不适于普通用户使用；第二种方式现今已具有一定的市场规模，但其本质是虚拟现实方法即仅能提供魔方复原的运动步骤却不能实现真实魔方的自动复原，在互动性上仍具有一定的局限性。同时，上述两种方式主要针对标准三阶魔方，而针对二阶魔方的自恢复系统还未见有相关研究。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种具有自恢复功能的语音控制魔方，其将传统二阶魔方的连接杆结构改为电子机械结构，通过控制的方式实现自恢复。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

一种具有自恢复功能的语音控制魔方，包括：

角块、魔方驱动块、控制系统；所述角块、魔方驱动块所围成的二阶魔方中部为空腔，在该空腔中放置控制系统；

所述魔方驱动块中固定有磁性元件；

所述控制系统包括舵机、语音接收模块、控制模块，所述舵机的输出轴与魔方驱动块连接，所述舵机的周边布置有检测元件；

所述检测元件通过非接触方式检测所述舵机驱动含有磁性元件的魔方驱动块在转动时引起的电流变化，并将检测信号传输至控制模块；

所述控制模块与语音接收模块相连，并接收语音接收模块获得语音指令，基于接收的检测信号确定角块是否旋转到位，并基于语音指令、旋转位置控制舵机运动，实现魔方的倒序恢复、自主寻优恢复和自主打乱。

另一方面，为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

一种具有自恢复功能的语音控制魔方的控制方法，包括：

检测元件通过非接触方式检测所述舵机驱动含有磁性元件魔方驱动块的转动时引起的电流变化，并将检测信号传输至控制系统；

所述控制系统基于接收的检测信号确定角块是否旋转到位，并基于旋转位置控制舵机运动，实现魔方的倒序恢复、自主寻优恢复和自主打乱。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

1、本发明自恢复魔方将舵机的输出轴作为旋转轴，从而将普通魔方靠外力引起的绕旋转轴运动转变为可以由舵机输出轴驱动的主动旋转。当舵机断电或者不工作时，该二阶魔方其输出轴跟普通魔方旋转轴作用一致，通过对自恢复魔方施加外力进行被动旋转，二阶魔方具有两种工作模态，一为普通的魔方，二为自恢复的魔方，使用者根据需要进行选择就可。

2、本发明操作者可通过语音指令控制魔方进行开机/关机、倒序复原、自解算复原、随机打乱等操作，增强了互动性。

3、本发明控制系统集中位于魔方几何中心位置，也就是内部球形空腔中，不随着魔方转动而运动。磁性元件固定在角块中，其随着角块进行旋转，从而让检测元件感知到角块的转动角度。检测元件感知单磁极的强度变化，当磁性元件磁极位于检测元件正上方时传感器输出为最大值，所以由此确定角块是否旋转到位。

4、本发明用磁性元件加检测元件的优点即为控制系统的电子元件完全跟魔方角块分离，仅通过舵机的轴驱动角块转动，不需再考虑魔方的运动是否会影响到控制系统，该种非接触的方式检测旋转位置既能获得检测信号，同时魔方又能正常的旋转。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例具有自恢复功能的二阶魔方系统整体结构图；

图2为本发明实施例自恢复二阶魔方局部拆解图；

图3为本发明实施例自恢复二阶魔方的爆炸图；

图4为本发明实施例自恢复二阶魔方的控制系统示意图；

图5为本发明实施例自恢复二阶魔方的驱动块位置检测传感器系统布置示意图；

图6(a)-图6(d)为本发明实施例自恢复二阶魔方的中心块位置检测原理示意图；

图7为本发明实施例自恢复二阶魔方坐标系图；

图8为本发明实施例自恢复二阶魔方平面展开图；

图中，1自恢复二阶魔方，2控制系统，3舵机，4霍尔传感器，5控制模块，6电池，7语音接收模块，8块体，9磁铁，10孔。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

参见附图1所示，本实施例公开了一种具有自恢复功能的语音控制魔方，其可接收操作者的语音指令并按照指令做出相应动作，具体语音控制指令有：指令一“开机/关机”，指令二“倒序复原”，指令三“自解算复原”，指令四“随机打乱”。

该自恢复二阶魔方1通过语音控制指令一可控制魔方的开关机，当不需要魔方自动恢复时可将魔方控制系统置于关机状态，此时其与普通魔方功能相同，当魔方开机后则会对打乱后的魔方进行自主复原。

当收到语音指令二时，则打乱后的自恢复二阶魔方会自动按照各轴的历史轨迹进行倒序复原，即其复原轨迹与打乱轨迹的步数相同、时序相反，其中，一步是指某个魔方面绕转轴旋转一次，而不管其转过多少角度，依此方式实现复原。

当收到语音指令三时，则打乱后的自恢复二阶魔方会根据当前状态自主计算出还原运动序列，并依此控制魔方实现复原。

当收到语音指令四时，自恢复二阶魔方会自动随机转动，实现魔方状态的改变，然后可由使用者还原或者自主还原，增强了互动性。

如果自恢复二阶魔方被手动或自动随机打乱30秒后，未能收到语音指令二或者语音指令三，则魔方按照当前状态自解算出最优复原步骤然后依此自动复原。

关于自恢复功能的二阶魔方结构的说明，参见附图2所示，自恢复二阶魔方1与普通二阶魔方外形相似，二阶魔方为正六面体结构，控制系统2位于二阶魔方内部，外面包裹有8个魔方角块，8个魔方角块依此拼接构成二阶魔方。

参见图3所示，为自恢复二阶魔方的爆炸图，采用3个舵机分别控制3个驱动块运动，从而实现魔方绕3个轴的独立旋转。

参见图4所示，自恢复二阶魔方的控制系统，主要包括3个舵机3，控制模块5，电池6及语音通信模块7。舵机为长方体结构，每个舵机周围分布有3个依次相隔90°的霍尔传感器4，用于检测舵机驱动的驱动块的旋转角度。霍尔传感器与驱动块中的磁铁相对应，霍尔传感器可以感知单磁极的强度变化，当磁极位于霍尔传感器正上方时传感器输出为最大值，所以可以由此确定角块是否旋转到位，上述霍尔传感器布置结构简单，且极大的提高转动检测的准确度。

在具体实施例子中，通过固定支架或者固定框架，将相应的控制系统进行固定，只要保证霍尔传感器与中心块中的磁铁相对应即可，固定支架可以通过3D打印制成。

在上述实施例子中，通过固定架固定为一体的控制系统中舵机输出轴带动魔方驱动块的转动继而带动角块的转动，控制系统不随角块的转动而转动。

控制模块5，电池6及语音通信模块7分布在各个舵机的周围，利用固定架进行固定，相互之间并不影响彼此的正常工作状态。

控制器分别与各个舵机以及各个霍尔传感器有线连接，控制器通过语音通信模块接收操作者发出的控制指令，电池6为其他模块进行供电。

参见图5所示，每个驱动块均由块体8及3个依次相隔90°的磁铁9组成，霍尔传感器与磁铁所处的圆周半径相等，其圆心都位于舵机旋转轴延长线上，即每个舵机上的霍尔传感器与块体的磁铁是相互对应的。

在一实施例子中，磁铁在安装时，通过在块体开设三个孔，将磁铁放置在里面即可，这样避免块体运动会受磁铁影响。

舵机输出轴中间设有丝孔，跟舵机输出轴相连的驱动块中心都开有通孔，通过螺栓将驱动块跟舵机的输出轴固定，使得舵机输出轴带动驱动块一块转动。

在一实施例子中，驱动块位置检测原理，参见图6(a)-图6(d)所示。

图6(a)所示为3个磁铁均位于3个霍尔传感器的正上方，此时驱动块位于初始位置，其旋转角度为0°。霍尔传感器检测到磁铁强度最强时输出记为1，其余位置输出记为0，则此时3个霍尔传感器的输出状态可写为(1，1，1)。

图6(b)图所示为驱动块绕舵机轴逆时针转过90°后霍尔传感器4与磁铁9的相对位置，此时3个霍尔传感器的输出为(1，1，0)。

图6(c)图所示为驱动块逆时针转过180°后霍尔传感器4与磁铁9的相对位置，此时3个霍尔传感器的输出为(1，0，1)。

图6(d)图所示为驱动块逆时针转过270°后霍尔传感器4与磁铁9的相对位置，此时3个霍尔传感器的输出为(0，1，1)。

因而由3个霍尔传感器的输出信号即可感知当前驱动块的旋转角度。采用此种传感器布置方式可以保证魔方位置与对应传感器信号输出的唯一性，避免对运动的误检测。

通过上述驱动块位置检测方式，控制器可以将魔方的打乱顺序记录下来，然后采用自解算恢复或者倒序恢复实现魔方的自恢复功能，增强了初学者的用户体验。

在本施例中，将传统二阶魔方的连接杆结构改为电子机械结构，具体的，自恢复魔方将舵机的输出轴作为旋转轴，从而将普通魔方靠外力引起的绕旋转轴运动转变为可以由舵机输出轴驱动的主动旋转，当舵机断电或者不工作时，其输出轴跟普通魔方旋转轴一样是可以通过对自恢复魔方施加外力进行被动旋转的。

在该二阶魔方结构中最关键的技术在于魔方自恢复所需要的旋转位置的检测，在魔方驱动块中固定有磁性元件；控制系统包括舵机及控制模块，所述舵机的输出轴与魔方驱动块连接，所述舵机的周边布置有检测元件；检测元件通过非接触方式检测所述舵机驱动含有磁性元件魔方驱动块的转动时引起的电流变化，并将检测信号传输至控制系统；控制系统基于接收的检测信号确定角块是否旋转到位，并基于旋转位置控制舵机运动，实现二阶魔方自恢复至原始状态。

上述例子中霍尔传感器作为检测元件，实现对电流变化的检测，当然，采用其他的传感器只要能够检测到由于驱动块的转动所引起的磁场变化的电流传感器也是符合要求的。

在该实施例子中，磁铁作为磁性元件，具体结构形态上可为磁铁块、磁铁片或者磁铁条等，也可以为具有磁性结构的其他结构。

在另一实施例子中，基于同样的发明构思，还公开了一种具有自恢复功能的语音控制魔方的控制方法，基于上述实施例子中的自恢复二阶魔方。

检测元件通过非接触方式检测所述舵机驱动含有磁性元件魔方驱动块的转动时引起的电流变化，并将检测信号传输至控制模块；

控制模块基于接收的检测信号确定角块是否旋转到位，并基于旋转位置控制舵机运动，实现二阶魔方自恢复至原始状态。

在具体实施例子中，二阶魔方自恢复至原始状态时，采用自解算复原方法或倒序复原方法；

自解算复原方法中，控制系统会根据自恢复二阶魔方当前状态自主计算出还原运动序列，并依此控制舵机运动，实现复原；

倒序复原方法中，控制系统会控制舵机运动将打乱后的自恢复二阶魔方自动按照各轴的历史轨迹进行倒序复原，即其复原轨迹与打乱轨迹的步数相同、时序相反。

具体的，魔方自恢复控制方法中：

首先，定义二阶魔方颜色信息与各面，魔方出厂或初始状态各面颜色一致即未处于打乱状态，自恢复二阶魔方与标准二阶魔方颜色信息与各面的对应关系相同，其符号表示为前面(Q)蓝色(B)、后面(H)绿色(G)、上面(S)黄色(Y)、下面(X)白色(W)、左面(M)橙色(O)、右面(N)红色(R)。

上面的参数表示时，一个是二阶魔方的面符号，一个是二阶魔方的面所在的颜色符号，例如Q表示二阶魔方的前面，B表示二阶魔方的前面的蓝色。

设置坐标系：当使用者转动二阶魔方时为了便于描述魔方运动，将魔方按一定取向置于坐标系中，将坐标系固定在魔方的中心块上并称其为魔方坐标系。

具体的，魔方坐标系的原点选在魔方六面体的几何中心，坐标轴的正方向i、j、k与3个驱动舵机同轴，分别穿过魔方前面、右面、上面的几何中心，坐标系建立如图7所示。

每个面可进行n*90(n＝1,2,3,4)的旋转，也即转角共有90°、180°、270°三个值，分别用1、2、3来表示。规定位于魔方坐标系坐标轴正方向的面转动操作时用右手操作，正转方向满足右手规则，则可将霍尔传感器检测到的各轴转动角度转换为运动序列(如i1j3表示先绕i轴转动90°再绕j轴转动270°)对魔方的运动进行描述。

由于二阶魔方前后面、上下面、左右面紧挨着，因而其运动仅通过上面、前面、右面的旋转即可实现。

自恢复二阶魔方的状态可由图8所示的魔方平面展开图进行描述，每个面上的方块按照正视图从左到右、从上往下的顺序进行编号，可将魔方各面的颜色信息以6个2*2的矩阵形式输出，分别为：

进一步为便于运算，将上述6个2*2矩阵用1个2x12的状态矩阵F进行代替，进而通过F可确定一个状态唯一的魔方。

也可对F进行按列简写得如下矩阵：

F＝[S(:,1)S(:,2)M(:,1)M(:,2)Q(:,1)Q(:,2)N(:,1)N(:,2)H(:,1)H(:,2)X(:,1)X(:,2)]

其中(:,*)表示第*列下的所有元素，如

或者对F进行按行简写得如下矩阵：

其中(*,:)表示第*行下的所有元素，如S(1,:)＝[S(11)S(12)]

对于复原状态的二阶魔方，其初始状态矩阵可记为F₀：

因而魔方由初始状态经过旋转后的最终状态可由传感器感知的运动序列及初始状态矩阵F₀获得，其计算过程举例如下：

假若魔方由初始状态绕前面转动90°，即运动序列为Q1，则魔方状态矩阵计算公式为

F[S(2,:)]＝F₀[N(:,1)]；

F[W(1,:)]＝F₀[M(:,3)]；

F(:)＝F₀(:)

其中(:)表示其余元素，

表示对应的矩阵元素的倒序，如式

的展开式为:F[2][1]＝F₀[2][1]；F[2][2]＝F₀[1][1]

由自恢复二阶魔方的状态矩阵F则可采用解魔方算法对魔方进行还原，其步骤为：

步骤1：复原底面，以白色面作为底面、蓝色面作为前面；

步骤1-1：复原“前下排”两个块，即“前下左”的蓝白橙与“前下左”的蓝白红。

步骤1-2：复原“右下排”两个块，即“前下右”的蓝白红与“后下右”的绿白红。

步骤1-3：复原“后下左”的绿白橙。

步骤2：复原顶面，以白色面作为底面，蓝色面作为，即顶面为黄色；

步骤3：复原顶层，致此魔方已经复原。由于二阶魔方复原算法属于现有算法，在此不再进一步详述。

倒序复原方法：根据打乱魔方时的运动序列采用逆时序运动的方式求解还原序列。由魔方复原的旋转对称性可知绕某转轴转动一定角度后，魔方会和原来的轮廓坐标完全重复，如对二阶魔方绕某轴每次转动90°，则连续转动4次后魔方会恢复转动前状态，因而针对复杂运动序列如i1j3k3j1k2i2j3则可知对应的还原序列为j1i2k2j2k1j1i3，由此即可对魔方进行复原。

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，均应包含在本发明的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种具有自恢复功能的语音控制魔方的控制方法，其特征是，包括：

所述具有自恢复功能的语音控制魔方，包括：角块、魔方驱动块、控制系统；所述角块、魔方驱动块所围成的二阶魔方中部为空腔，在该空腔中放置控制系统；

所述魔方驱动块中固定有磁性元件；

所述控制系统包括舵机、语音接收模块、控制模块，所述舵机的输出轴与魔方驱动块连接，所述舵机的周边布置有检测元件；

所述检测元件通过非接触方式检测所述舵机驱动含有磁性元件的魔方驱动块在转动时引起的电流变化，并将检测信号传输至控制模块；

所述控制模块与语音接收模块相连，并接收语音接收模块获得语音指令，基于接收的检测信号确定角块是否旋转到位，并基于语音指令、旋转位置控制舵机运动，实现魔方的倒序恢复、自主寻优恢复和自主打乱；

基于接收的检测信号确定角块是否旋转到位时，磁性元件均位于检测元件的正上方，此时魔方驱动块位于初始位置，其旋转角度为0°；

检测元件检测到磁铁强度最强时输出记为1，其余位置输出记为0，则此时检测元件的输出状态为（1,1,1）；

魔方驱动块绕舵机轴逆时针转过90°后检测元件与磁性元件的相对位置，此时检测元件的输出为（1,1,0）；

魔方驱动块逆时针转过180°后检测元件与磁性元件的相对位置，此时检测元件的输出为（1,0,1）；

魔方驱动块逆时针转过270°后检测元件与磁性元件的相对位置，此时检测元件的输出为（0,1,1），因而检测元件的输出信号即可感知当前魔方驱动块的旋转角度；

磁性元件输出信号是由于驱动块的转动所引起的磁场变化带来的电流变化。

2.如权利要求1所述的一种具有自恢复功能的语音控制魔方的控制方法，其特征是，所述磁性元件为磁铁，检测元件为霍尔传感器。

3.如权利要求2所述的一种具有自恢复功能的语音控制魔方的控制方法，其特征是，所述舵机周围分布有3个依次相隔90°的霍尔传感器，用于检测舵机驱动的驱动块的旋转角度。

4.如权利要求3所述的一种具有自恢复功能的语音控制魔方的控制方法，其特征是，每个魔方驱动块均由块体及3个依次相隔90°的磁铁组成，霍尔传感器与磁铁所处的圆周半径相等，其圆心都位于舵机旋转轴延长线上；

所述3个霍尔传感器检测的磁性元件位置变化的输出信号即可作为当前魔方驱动块的旋转角度，实现魔方位置与对应传感器信号输出的唯一性。

5.如权利要求1所述的一种具有自恢复功能的语音控制魔方的控制方法，其特征是，所述控制系统通过固定框架固定在一起，成为一体化结构；

进一步的技术方案，所述角块为8个，所述魔方驱动块为3个，所述舵机为3个，所构成的二阶魔方为正六面体。

6.如权利要求1所述的一种具有自恢复功能的语音控制魔方的控制方法，其特征是，所述控制系统还包括供电模块及语音通信模块，所述控制模块通过语音通信模块接收操作者发出的语音控制指令。

7.如权利要求1所述的一种具有自恢复功能的语音控制魔方的控制方法，其特征是，所述控制系统中舵机输出轴带动魔方驱动块的转动继而带动角块的转动，控制系统不随角块的转动而转动。

8.如权利要求1所述的一种具有自恢复功能的语音控制魔方的控制方法，其特征是，二阶魔方自恢复至原始状态时，采用自解算复原方法或倒序复原方法；

自解算复原方法中，控制系统会根据自恢复二阶魔方当前状态自主计算出还原运动序列，并依此控制舵机运动，实现复原；

倒序复原方法中，控制系统会控制舵机运动将打乱后的自恢复二阶魔方自动按照各轴的历史轨迹进行倒序复原，即其复原轨迹与打乱轨迹的步数相同、时序相反。

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