CN113084840A - 一种双臂仿人手全自动三阶魔方还原机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双臂仿人手全自动三阶魔方还原机器人，其包括机架、执行机构和电气控制部分，所述执行机构包括轴线相互垂直的左机械臂和右机械臂，二者固定在机架上并分别夹持魔方的两对平行面，所述电气控制部分包括图像采集组件和电气控制组件；所述图像采集组件包括多个与魔方相对的图像采集模块，它们固定在机架上并围绕魔方分布，每个图像采集模块的信号输出端接电气控制组件的输入端，所述电气控制组件的输出端与左机械臂和右机械臂连接。本发明的电气控制组件根据图像采集组件采集的信息来判断魔方的状态，并通过执行机构夹持和扭转魔方，使魔方快速还原。本发明大大提高了魔方教学训练效率，为提高三阶魔方的教学水平创造了有利条件。

Description

一种双臂仿人手全自动三阶魔方还原机器人

技术领域

本发明涉及一种具有魔方还原功能的双臂仿人手自动化机械装置，属于训练器械技术领域。

背景技术

近些年来，随着人们物质生活条件的不断丰富，越来越多的人将精力集中在娱乐活动上。三阶魔方作为一种成本低廉、可玩性高的玩具，一直保有较高的市场销量。但是到目前为止，三阶魔方的教学水平却仅仅停留在一些复杂抽象的纸质书籍上。这些纸质教程往往以一连串的特殊字符，来表达还原魔方的方法，这对于一些空间抽象能力不足的初等玩家来说，是一个极大障碍。因此寻找一种能够快速还原魔方的方法是非常必要的。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种双臂仿人手全自动三阶魔方还原机器人，以实现魔方的快速还原，为提高三阶魔方的教学水平创造有利条件。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种双臂仿人手全自动三阶魔方还原机器人，包括机架1、执行机构3和电气控制部分2，所述执行机构3包括轴线相互垂直的左机械臂和右机械臂，二者固定在机架上并分别夹持魔方的两对平行面，所述电气控制部分2包括图像采集组件和电气控制组件；所述图像采集组件包括多个与魔方4相对的图像采集模块，它们固定在机架上并围绕魔方4分布，每个图像采集模块的信号输出端接电气控制组件的输入端，所述电气控制组件的输出端与左机械臂和右机械臂连接。

上述双臂仿人手全自动三阶魔方还原机器人，所述左机械臂和右机械臂的结构相同，均包括步进电机3101、传动轴3103、导电滑环3104和机械爪3107，所述步进电机3101和导电滑环3104的外壳均固定在机架上，所述传动轴3103穿过导电滑环3104的内孔并与其内衬固定连接，传动轴3103的一端通过联轴器3102与步进电机3101的输出轴连接，另一端通过机械爪固定法兰3106与机械爪3107连接，所述机械爪3107夹持魔方4，机械爪3107的控制电缆通过导电滑环3104与电气控制组件连接。

上述双臂仿人手全自动三阶魔方还原机器人，每个图像采集模块包括高清摄像头和环形补光灯2010，二者相叠后通过固定支架与机架连接，高清摄像头的信号输出端与电气控制组件连接，在机架上设有光源控制器2005，所述光源控制器2005的输出端与环形补光灯2010连接。

上述双臂仿人手全自动三阶魔方还原机器人，所述机架1包括摄像头固定架1002和正方形的防倾覆底座1001，所述摄像头固定架1002位于防倾覆底座1001的一条对角线上方，摄像头固定架1002的两个支腿分别固定在防倾覆底座1001的对角线的两端，左机械臂和右机械臂对称设置在摄像头固定架1002的两侧，二者的步进电机3101和导电滑环3104的外壳分别通过电机固定座1004和滑环支架1003与防倾覆底座1001连接；所述图像采集组件安装在摄像头固定架1002上。

上述双臂仿人手全自动三阶魔方还原机器人，所述图像采集模块设置四个，它们分别安装于魔方4的上侧、下侧、左侧和右侧。

上述双臂仿人手全自动三阶魔方还原机器人，所述电气控制组件包括电源2001、控制板2002、右步进电机驱动器2003和左步进电机驱动器2004，它们均安装在防倾覆底座1001上，每个图像采集模块的高清摄像头的信号输出端与控制板2002的输入端连接；右步进电机驱动器2003和左步进电机驱动器2004的输入端与控制板2002的信号输出端连接，输出端分别接左机械臂和右机械臂的步进电机3101，左机械臂和右机械臂的机械爪3107与控制板2002的信号输出端连接。

上述双臂仿人手全自动三阶魔方还原机器人，所述机架1由铝型材及45度角铝、135度角铝、90度角铝、90度角槽连接件制成。

本发明的电气控制组件根据图像采集组件采集的信息来判断魔方的状态，并通过执行机构夹持和扭转魔方，使魔方快速还原。本发明解决了魔方还原工具可学习价值差的问题，大大提高了魔方教学训练效率，为提高三阶魔方的教学水平创造了有利条件。

附图说明

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。

图1 是本发明的整体结构示意图；

图2 是机架结构示意图；

图3 是防倾覆底座的俯视图；

图4 是电气控制组件及机械臂的安装示意图；

图5 是图像采集组件安装示意图；

图6 是机械臂结构示意图；

图7 是机械爪结构示意图。

图中各标号为: 1、机架, 2、电气控制部分，3、执行机构，4、魔方；

1001、防倾覆底座, 1002、摄像头固定架, 1003、滑环支架, 1004、电机固定座；

2001、电源，2002、控制板，2003、右步进电机驱动器，2004、左步进电机驱动器，2005、光源控制器，2006、第一高清摄像头，2007、第二高清摄像头，2008、第三高清摄像头，2009、第四高清摄像头，2010、环形补光灯；

3100、左机械臂，3200、右机械臂；

3101、步进电机，3102、联轴器，3103、传动轴，3104、导电滑环，3105、法兰固定架，3106、机械爪固定法兰，3107、机械爪。

具体实施方式

本发明提供了一种能够完全独立自主地还原普通三阶魔方的机器。这种机器能够在被打乱的魔方被放置于指定的放置区域之后，使用两只机械臂模仿人手对魔方进行还原，并且无需对魔方进行特殊改造，即可进行还原。

参看图1，本发明包含机架1、电气控制部分2和执行机构3，三部分相互依赖，共同完成还原魔方功能。其中机架1用于固定除机架本身以外的其他装置，并且保证魔方还原过程稳定可靠；电气控制部分2负责采集魔方信息（包括魔方各面的颜色、位置信息），将魔方信息传输给上位机并将来自上位机的指令传递给执行机构3；执行机构3接收到电气控制部分2发出的动作信号后，按照动作指令逐步完成魔方还原的每一个动作，直至魔方完全还原。这种机器能够在被打乱的魔方被放置于指定的放置区域之后，使用两只机械臂模仿人手动作逻辑对魔方进行还原，并且无需对魔方进行特殊改造即可进行还原。本发明解决了以往魔方还原机械可学习价值差的弊端，大大提高了魔方教学训练效率。

参看图2和图3，机架1由铝型材及45度角铝、135度角铝、90度角铝、90度角槽连接件制成，机架1主要包括防倾覆底座1001和摄像头固定架1002，防倾覆底座1001上设有两个滑环支架1003和两个电机固定座1004。防倾覆底座1001是一个水平放置的正方形框架，其两条对角线用铝型材加固，摄像头固定架1002的两个支腿通过4个90度角铝分别垂直固定在防倾覆底座的一条对角线的两端，即摄像头固定架1002的两个支腿分别安装在防倾覆底座的两个顶角上。两个电机固定座1004固定在防倾覆底座1001的另外两个顶角上，每个电机固定座1004设有垂直支脚和45度斜支脚，二者的上端固定连接在一起，每根45度斜支脚的下端通过2个45度角铝连接于防倾覆底座1001的顶角上，垂直支脚的下端通过4个90度角铝垂直连接于防倾覆底座1001的对角线上。防倾覆底座100的右半部分与左半部分完全相同，但摆放位置相互对称。电机固定座1004通过T型螺栓与45度斜支脚相连。两个滑环支架1003也通过T型螺栓与45度斜支脚相连。两个滑环支架1003和两个电机固定座1004的安装结构完全相同，但安装方向对称。

上述防倾覆底座1001由2根450mm长2020铝型材、6根220mm长2020铝型材、8个45度角铝、4个90度角铝组成。整个防倾覆底座由左右两部分构成，两部分结构完全相同。以左部分为例，450mm长2020铝型材中间位置通过2个90度角铝与一根220mm长2020铝型材的一端互相垂直固定，220mm长2020铝型材另一端通过2个45度角铝与2根220mm长2020铝型材的一端固定，位于中间位置的220mm长2020铝型材，与左右2根220mm长2020铝型材互呈45度角。左右2根220mm长2020铝型材的另两端通过2个45度角铝与450mm长2020铝型材的两端分别相连。

上述摄像头固定架由2根450mm长2020铝型材、2根325mm长2020铝型材、6个90度角铝组成。1根325mm长2020铝型材两端各通过一个90度角铝固定于2根450mm长2020铝型材的一端，另一根325mm长2020铝型材两端各通过2个90度角铝固定于2根450mm长2020铝型材的中间部分，四根2020铝型材形成一个方形框架结构。

参看图4和图5，电气控制部分2包括图像采集组件和电气控制组件，两部分组件间电性连接，并均安装在机架的指定位置上。

电气控制组件包括一个电源2001、一个控制板2002、两个步进电机驱动器（即右步进电机驱动器2003和左步进电机驱动器2004），图像采集组件包括一个光源控制器2005和四个图像采集模块。如图5所示，每个图像采集模块包括高清摄像头（即图5中的第一高清摄像头2006～第四高清摄像头2009）、环形补光灯2010以及相应的固定支架，高清摄像头与环形补光灯2010相叠，由螺柱共同固定在固定支架上。固定支架连接至摄像头固定架1002。四个图像采集模块围绕魔方4所在位置，分别安装在相对于魔方4上侧、下侧、左侧、右侧的机架对应位置上，并通过T型螺栓与机架1中的摄像头固定架1002连接。电源2001通过T型螺栓与机架1中的防倾覆底座1001相连。控制板2002通过T型螺栓与机架1中的防倾覆底座1001相连。右步进电机驱动器2003和左步进电机驱动器2004通过T型螺栓与机架1中防倾覆底座1001连接。光源控制器2005通过T型螺栓与机架1中的摄像头固定架1002连接。

参看图4和图6，执行机构3由左机械臂3100和右机械臂3200构成，二者分别对准魔方的两个相邻面并呈90度夹角安装在机架1的电机固定座1004上。每个机械臂包括57步进电机3101、联轴器3102、传动轴3103、导电滑环3104、法兰固定架3105、机械爪固定法兰3106和机械爪3107。步进电机3101的输出轴与联轴器3102固连，联轴器3102另一端与传动轴3103固连。传动轴3103穿过导电滑环3104内孔并与其内衬通过顶丝固定，若传动轴3103发生转动，导电滑环3104内衬将跟随之一同转动。法兰固定架3105下端内孔与传动轴3103固连，机械爪固定法兰3106一面固连于法兰固定架3105上端，另一面安装机械爪3107。左机械臂3100和右机械臂3200中57步进电机3101的下游零件在联轴器3102的带动下，跟随57步进电机3101的输出轴一同转动，以此完成旋转魔方单个回转面的回转操作。如图4所示，左机械臂3100、右机械臂3200安装于机架1的防倾覆底座1001上。左机械臂3100、右机械臂3200互呈90度夹角，且两机械臂轴线交汇于电气控制部分2中高清摄像头（第一高清摄像头2006～第四高清摄像头2009）的拍摄中心，此交汇点为魔方的安装位置。每个步进电机3101通过四个螺栓安装于机架1中的电机固定座1004的安装孔中。导电滑环3104外壳通过螺栓与机架1中滑环支架1003固连。机械爪3107可完成夹持或松开魔方4的动作，其夹持魔方的状态如图7所示。通过左机械臂3100、右机械臂3200相互配合动作，即可完成还原魔方的动作。经过分析可知，还原魔方的连续步骤可分解为6种基本动作：将魔方任意面顺时针旋转90度、将魔方任意面逆时针旋转90度、将魔方任意面顺时针或逆时针旋转180度、将魔方整体顺时针旋转90度、将魔方整体逆时针旋转90度、将魔方整体顺时针或逆时针旋转180度。通过步进电机3101转动固定角度，即可完成旋转魔方任意面任意角度的动作。通过机械爪3107的开、合操作，即可实现选择魔方旋转面的操作。

Claims (7)

1.一种双臂仿人手全自动三阶魔方还原机器人，其特征是，包括机架（1）、执行机构（3）和电气控制部分（2），所述执行机构（3）包括轴线相互垂直的左机械臂（3100）和右机械臂（3200），二者固定在机架（1）上并分别夹持魔方的两对平行面，所述电气控制部分（2）包括图像采集组件和电气控制组件；所述图像采集组件包括多个与魔方相对的图像采集模块，它们固定在机架（1）上并围绕魔方分布，每个图像采集模块的信号输出端接电气控制组件的输入端，所述电气控制组件的输出端与左机械臂（3100）和右机械臂（3200）连接。

2.根据权利要求1所述的一种双臂仿人手全自动三阶魔方还原机器人，其特征是，所述左机械臂（3100）和右机械臂（3200）的结构相同，均包括步进电机（3101）、传动轴（3103）、导电滑环（3104）和机械爪（3107），所述步进电机（3101）和导电滑环（3104）的外壳均固定在机架（1）上，所述传动轴（3103）穿过导电滑环（3104）的内孔并与其内衬固定连接，传动轴（3103）的一端通过联轴器（3102）与步进电机（3101）的输出轴连接，另一端通过机械爪固定法兰（3106）与机械爪（3107）连接，所述机械爪（3107）夹持魔方，机械爪（3107）的控制电缆通过导电滑环（3104）与电气控制组件连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种双臂仿人手全自动三阶魔方还原机器人，其特征是，每个图像采集模块包括高清摄像头和环形补光灯（2010），二者相叠后通过固定支架与机架（1）连接，高清摄像头的信号输出端与电气控制组件连接，在机架（1）上设有光源控制器（2005），所述光源控制器（2005）的输出端与环形补光灯（2010）连接。

4.根据权利要求3所述的一种双臂仿人手全自动三阶魔方还原机器人，其特征是，所述机架（1）包括摄像头固定架（1002）和正方形的防倾覆底座（1001），所述摄像头固定架（1002）位于防倾覆底座（1001）的一条对角线上方，摄像头固定架（1002）的两个支腿分别固定在防倾覆底座（1001）的对角线的两端，左机械臂（3100）和右机械臂（3200）对称设置在摄像头固定架（1002）的两侧，二者的步进电机（3101）和导电滑环（3104）的外壳分别通过电机固定座（1004）和滑环支架（1003）与防倾覆底座（1001）连接；所述图像采集组件安装在摄像头固定架（1002）上。

5.根据权利要求4所述的一种双臂仿人手全自动三阶魔方还原机器人，其特征是，所述图像采集模块设置四个，它们分别安装于魔方的上侧、下侧、左侧和右侧。

6.根据权利要求5所述的一种双臂仿人手全自动三阶魔方还原机器人，其特征是，所述电气控制组件包括电源（2001）、控制板（2002）、右步进电机驱动器（2003）和左步进电机驱动器（2004），它们均安装在防倾覆底座（1001）上，每个图像采集模块的高清摄像头的信号输出端与控制板（2002）的输入端连接；右步进电机驱动器（2003）和左步进电机驱动器（2004）的输入端与控制板（2002）的信号输出端连接，输出端分别接左机械臂（3100）和右机械臂（3200）的步进电机（3101），左机械臂（3100）和右机械臂（3200）的机械爪（3107）与控制板（2002）的信号输出端连接。

7.根据权利要求6所述的一种双臂仿人手全自动三阶魔方还原机器人，其特征是，所述机架（1）由铝型材及45度角铝、135度角铝、90度角铝、90度角槽连接件制成。

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