CN210251148U - 一种带机器视觉的解魔方实验平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种带机器视觉的解魔方实验平台。本实用新型所述的带机器视觉的解魔方实验平台包括：平台、设置于所述平台上的控制器、图像处理装置和多个魔方转动装置；多个所述魔方转动装置均面向所述平台的中心设置，并形成夹持魔方的空间；所述图像处理装置和魔方转动装置分别与所述控制器电气连接；所述图像处理装置获取魔方各个面的图像，并向所述控制器发送魔方还原信号；所述控制器接收所述魔方还原信号，输出控制信号至所述魔方转动装置；所述魔方转动装置接收所述控制信号，转动还原魔方。本实用新型所述的带机器视觉的解魔方实验平台具有结构简单、易于实现、能够将魔方快速还原的优点。

Description

一种带机器视觉的解魔方实验平台

技术领域

本实用新型涉及魔方还原装置领域，特别是涉及一种带机器视觉的解魔方实验平台。

背景技术

魔方是一项智力运动，魔方复原就是指将打乱顺序的魔方恢复成原来的样子的过程，是一个集观测、动作、思维于一体的过程。而用于还原魔方的机器为解魔方机器，市面上的解魔方机器大多数都是采用智能手机或电脑作为上位机，通过上位机来控制气缸、舵机等控制机械手来转动魔方的各个面以还原魔方。可见，目前的解魔方机器使用了许多元件，造成其结构复杂，控制系统实现困难等问题。

实用新型内容

基于此，本实用新型的目的在于，提供一种带机器视觉的解魔方实验平台，其具有结构简单、易于实现、能够将魔方快速还原的优点。

一种带机器视觉的解魔方实验平台，包括平台、设置于所述平台上的控制器、图像处理装置和多个魔方转动装置；所述平台由多根支柱架设而成；所述图像处理装置安装于所述支柱上；每个所述魔方转动装置均包括安装于所述支柱上的步进电机和联轴器；所述联轴器与所述步进电机的输出轴连接，且多个所述联轴器均朝向所述平台的中心设置形成夹持魔方的空间；所述图像处理装置和各个魔方转动装置的步进电机分别与所述控制器电气连接；所述图像处理装置获取魔方各个面的图像，并向所述控制器发送魔方还原信号；所述控制器接收所述魔方还原信号，输出控制信号至所述步进电机；所述步进电机接收所述控制信号，带动所述联轴器转动还原魔方。

本实用新型所述的带机器视觉的解魔方实验平台，其结构简单，易于实现，能够快速地分析出魔方解法，并快速地将魔方还原。

进一步地，所述图像处理装置包括与所述控制器串口连接的树莓派和与所述树莓派电气连接的摄像头；所述摄像头获取魔方各个面的图像，并将所述图像传递给所述树莓派；所述树莓派接收所述图像，并向所述控制器发送魔方还原信号。

进一步地，所述摄像头的前端还设置有偏光镜。

进一步地，所述联轴器包括输入轴、输出轴和弹性件；所述输入轴上设置有棱柱；所述输出轴具有与所述棱柱相匹配的轴套；所述输出轴的轴套套接于所述输入轴的棱柱上；所述弹性件安装于所述输入轴的棱柱与输出轴的轴套之间。

进一步地，所述控制器的输出控制端口还连接有多个驱动器；所述步进电机通过导线连接于所述驱动器的信号输出端；所述控制器输出控制信号至所述驱动器；所述驱动器接收所述控制信号驱动所述步进电机转动，并带动所述联轴器转动。

进一步地，所述图像处理装置还包括设置于所述平台上的补光装置；所述补光装置包括灯光调节面板和多条设置于各条支柱上的LED灯条；所述各条LED灯条均通过导线连接至所述灯光调节面板。

进一步地，还包括与所述控制器电气连接的人机交互装置。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本实用新型。

附图说明

图1为本实用新型所述带机器视觉的解魔方实验平台的结构示意图；

图2为本实用新型所述带机器视觉的解魔方实验平台的原理框图；

图3为本实用新型所述主控芯片的电路连接图；

图4为本实用新型所述驱动器的电路连接图；

图5为本实用新型所述联轴器的结构示意图；

图6为本实用新型所述解魔方实验平台的解魔方程序流程图；

图7为本实用新型所述解魔方实验平台的还原魔方的控制流程图。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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实用新型的限制。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

请同时参阅图1和图2，其中图1是本实用新型所述的带机器视觉的解魔方实验平台的结构示意图；图2是本实用新型所述带机器视觉的解魔方实验平台的原理框图。

所述带机器视觉的解魔方实验平台，包括由多根支柱架设而成的平台10、设置于所述平台10上的控制器20、图像处理装置30、多个魔方转动装置40和人机交互装置50。多个所述魔方转动装置40分别安装于各条支柱上，均面向所述平台的中心设置，并形成夹持魔方的空间；所述图像处理装置30和魔方转动装置40分别与所述控制器20电气连接；所述图像处理装置30获取魔方各个面的图像，并向所述控制器20发送魔方还原信号；所述控制器20接收所述魔方还原信号，输出控制信号至所述魔方转动装置40；所述魔方转动装置40接收所述控制信号，转动还原魔方。

所述平台10由多根铝型材支柱搭建成框架，并在框架的顶端设置有顶部安装支架，在框架的底端设置有底部安装支架，用于承载解魔方的各个部件。

请同时参阅图3和图4，其中图3是本实用新型所述主控芯片的电路连接图；图4是本实用新型所述驱动器的电路连接图。

本实施例中，所述控制器20采用的主控芯片为STM32F103C8T6，该主控芯片的输出控制端口还连接有多个驱动器。所述控制器20接收树莓派传输的最优的解魔方序列，并输出魔方转动信号至驱动器，通过驱动器控制所述魔方转动上装置40的步进电机转动以还原魔方。

其中，STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M内核STM32系列的32位的微控制器，程序存储器容量是64KB，需要电压2V～3.6V，工作温度为-40℃～85℃，具有USB 接口、CAN接口、7个定时器、2个ADC、9个通信接口满足本解魔方实验平台的需求。在其他实施例中，该主控芯片还可以采用其他型号，均不影响魔方的还原。

所述驱动器的具体型号为DRV8825，该驱动器的初始化和睡眠模式是通过以下方式启动的，每个驱动器的nRESRT引脚连接至主控芯片的PB12端口，其为低电平触发，当主控芯片的PB12输出低电平时，驱动器复位并初始化，禁用H桥输出，步进电机不转动。每个驱动器的nSLEEP引脚连接至主控芯片的PB13端口，其为高电平触发，当主控芯片的PB13输出低电平时，驱动器进入低功耗睡眠模式，达到节能并保护驱动器的作用。另外，所述驱动器的nENBLE 引脚的作用是使能触发端口，当主控芯片输出高电平时，禁止驱动器输出，即控制步进电机停止转动；当主控芯片输出低电平时，触发使能输出，即控制步进电机转动。所述驱动器的 DIR引脚和STEP引脚连接至主控芯片的输出控制端口，其中DIR引脚为电机转向控制引脚，主控芯片输出高低电平来控制电机的正转或反转；STEP引脚为脉冲输入引脚，主控芯片输出脉冲信号来控制步进电机的转动快慢。而M0、M1和M2是细分设置，本实施例中，这三个引脚悬空不做连接就表示32细分驱动，即该步进电机需要走6400步才为一圈。所述驱动器的输出端A1、A2连接至步进电机的绕组A，正向电流由A1流向A2；输出端B1、B2连接至步进电机的绕组B，正向电流由B1流向B2，从而驱动步进电机的转动。另外，在其他实施例中，该驱动器还可以采用其他型号的驱动器，均不影响魔方的还原。

所述图像处理装置30包括与所述控制器20串口连接的树莓派和与所述树莓派电气连接的摄像头。所述摄像头用于获取魔方各个面的图像，并将所述图像传递给所述树莓派。所述树莓派接收所述图像，并向所述控制器20发送魔方还原信号。

所述树莓派的具体型号为树莓派3B，其是一种基于64bit的多核ARM Cortex A53的微型电脑主板，其内部系统基于Linux操作系统，其主要接口有4个USB2.0端口、40引脚扩展 GPIO、4路立体声输出和复合视频端口、全尺寸HDMI和RCA视频输出、CSI照相机端口、DSI显示端口、TF卡端口，满足本解魔方实验平台的需求。另外，在其他实施例中，该树莓派还可以采用其他型号，均不影响魔方的还原。

本实施例中，树莓派通过USB串口连接至主控芯片，实现图像数据信号的传输。所述摄像头用于采集魔方各个面实时图像，包括2个具有130万像素的摄像头，分别安装于所述平台的顶部安装支架和底部安装支架上，并通过USB串口连接至树莓派。所述树莓派是一个小型的卫星电脑，其系统基于Linux系统，随着Windows 10loT的发布，其具备所有PC的基本功能，可以使用Open CV机器视觉库进行魔方色块分析。

进一步地，为了提高整个解魔方系统的稳定性，还在摄像头的前部通过固定件加装了偏光镜，运用光的偏振原理将干扰光源过滤，更大程度上提高图像识别的准确率。具体地，所述偏光镜是一种彩色过滤镜，能够最大程度的把其他实物的颜色滤掉，只留下魔方的颜色，使得本解魔方实验平台不需要严苛的灯光条件。

进一步地，为给该实验平台提供更好的光源照亮魔方，以获得更清晰的魔方图像。所述图像处理装置30还包括设置于所述平台10上的补光装置；所述补光装置包括灯光调节面板和分别设置于各条支柱上的LED灯条；各条所述LED灯条均通过导线连接至所述灯光调节面板。通过调节所述灯光调节面板上的旋钮，来调节各条LED灯条的光亮强度，使魔方各个面的颜色能够准确识别出。

所述魔方转动装置40具有6组，分别安装于所述平台10上，每个所述魔方转动装置40 均包括步进电机和联轴器；所述步进电机为6个，其中四个安装于四条竖直设置的支柱上，其余两个分别安装于顶部安装支架和底部安装支架上。所述联轴器与所述步进电机的转子固定连接，且多个所述联轴器均朝向所述平台的中心设置形成夹持魔方的空间。所述步进电机通过导线连接于所述驱动器的信号输出端；所述驱动器接收所述控制信号驱动所述步进电机转动，并带动所述联轴器转动，从而带动魔方的各个层转动还原魔方。

请参阅图5，其为本实用新型所述联轴器的结构示意图。所述联轴器是一种弹簧减震结构，其特点是零回转间隙、可同步运转；弹性作用补偿径向、角向和轴向偏差，高扭矩刚性和卓越的灵敏度；顺时针和逆时针回转特性相同。具体地，该联轴器包括输入轴、输出轴和弹性件；所述输入轴上设置有棱柱；所述输出轴具有与所述棱柱相匹配的轴套；所述输出轴的轴套套接于所述输入轴的棱柱上；所述弹性件安装于所述输入轴的棱柱与输出轴的轴套之间。该联轴器的结构使其能够有效吸收步进电机转动引起的震动，加大容错率，减少魔方卡死的情况出现，同时方便拆装魔方，减少拆装步骤。

所述人机交互装置50为树莓派LCD显示器，其与控制器20通过USB串口连接，省去了PC机等上位机，使整个产品人性化，同时使整个解魔方实验平台的体积减小，成本也有所降低。具体地，该显示器的界面包括两部分，一部分作为主控界面，用于显示系统的操作引导以及两个摄像头所拍摄到的魔方的图像；另一部分用于显示经过算法处理过后显示出来的魔方六个面的平铺图。其中，可以通过主控界面选择还原魔方或者打乱魔方等命令。

本实施例中所述的带机器视觉的解魔方实验平台是以三阶魔方为基础进行设计的，本实验平台还可以根据魔方的阶数，以及魔方的具体结构进行改进，使之能够对其他阶数的魔方或者异形魔方进行还原，其实现原理与本解魔方实验平台的设计原理一致。

所述解魔方实验平台还原魔方时，将魔方夹持于各个联轴器之间，使各个联轴器与魔方的六个中心块相抵触，并可以带动中心块以及整层转动。摄像头获取初始状态下的魔方各个面的图像，并将图像发送至树莓派。在获取魔方各个面的图像的过程中还可以通过灯光调节面板上的调节旋钮对灯光强度进行调整，以便获得更清晰的魔方图像；同时，偏光镜可以将多余的光线过滤掉，提高了图像识别的准确率。

所述树莓派接收所述摄像头发送的魔方各个面的图像，获取魔方各个色块的数据，调用 Open CV机器视觉库函数进行图像识别，即将魔方各个面的各个色块准确识别出来，并将颜色不全的色块补全，显示在显示屏上，算法还能自动推算出被遮挡住的色块颜色。色块识别完成后采用Thistlethwaite降群法计算出最优的魔方还原路径，并输出一个特定的最优的解魔方序列传递给主控芯片。

本实施例中，具体地解魔方流程请参阅图6，图6为实用新型所述解魔方实验平台的解魔方程序流程图。树莓派开机初始化，读取摄像头图像数据，分别读取魔方六个面作为基本处理对象，对六个面的图像进行仿射变换，以及滤波去噪处理，最后通过机器视觉库函数识别所有色块颜色，并判断是否有误，如果没有错误就采用Thistlethwaite降群法进行魔方色块信息处理，计算出最优的魔方还原路径，并输出一个特定的最优的解魔方序列传递给主控芯片，整个过程快速准确，用时不超过2秒。其中，魔方的任何一种块排列状态与魔方群的群元素是一一对应的，Thistlethwaite的思想就是逐步的降解魔方所处的群到更小的子群，最后到单位子群，也即还原状态，因此在还原的每一步实体魔方看起来还是乱的，但实际上状态数是随所处的群的减少而规则的减少的。

所述主控芯片通过串口接收所述树莓派传送过来的解魔方序列，并将解魔方序列解码，然后通过IO控制端口输出相应的脉冲信号至驱动器，驱动各个步进电机转动还原魔方。

本实施例中，具体地还原魔方的程序控制请参阅图7，图7为本实用新型所述解魔方实验平台的还原魔方的控制流程图。主控芯片开机初始化，通过串口获得数据，即获得解魔方序列，同时接收所述人机交互装置50传递过来的控制指令，判断是打乱指令还是还原指令。如果是打乱指令，就执行魔方随机打乱代码，将魔方打乱并反馈打乱结果；如果是还原指令，就执行魔方还原算法，将魔方还原并反馈还原结果。

本实施例中，采用所述解魔方实验平台还原或打乱魔方的方法均属于现有技术的玩法和规则，并不属于本发明的创新，本领域技术人员根据公知常识就可以设置并获得魔方还原信号或打乱信号，不需要经过创造性的劳动。本实用新型的创新点在于本解魔方实验平台的各个部件之间的结构上的设计以及信号的传输方式，即本解魔方实验平台中的平台、图像处理装置、魔方转动装置和人机交互界面之间的位置关系的设置，连接结构的设计，以及信号的传输方式。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种带机器视觉的解魔方实验平台，其特征在于：包括平台、设置于所述平台上的控制器、图像处理装置和多个魔方转动装置；所述平台由多根支柱架设而成；所述图像处理装置安装于所述支柱上；每个所述魔方转动装置均包括安装于所述支柱上的步进电机和联轴器；所述联轴器与所述步进电机的输出轴连接，且多个所述联轴器均朝向所述平台的中心设置形成夹持魔方的空间；所述图像处理装置和各个魔方转动装置的步进电机分别与所述控制器电气连接；所述图像处理装置获取魔方各个面的图像，并向所述控制器发送魔方还原信号；所述控制器接收所述魔方还原信号，输出控制信号至所述步进电机；所述步进电机接收所述控制信号，带动所述联轴器转动还原魔方。

2.根据权利要求1所述的带机器视觉的解魔方实验平台，其特征在于：所述图像处理装置包括与所述控制器串口连接的树莓派和与所述树莓派电气连接的摄像头；所述摄像头获取魔方各个面的图像，并将所述图像传递给所述树莓派；所述树莓派接收所述图像，并向所述控制器发送魔方还原信号。

3.根据权利要求2所述的带机器视觉的解魔方实验平台，其特征在于：所述摄像头的前端还设置有偏光镜。

4.根据权利要求1所述的带机器视觉的解魔方实验平台，其特征在于：所述联轴器包括输入轴、输出轴和弹性件；所述输入轴上设置有棱柱；所述输出轴具有与所述棱柱相匹配的轴套；所述输出轴的轴套套接于所述输入轴的棱柱上；所述弹性件安装于所述输入轴的棱柱与输出轴的轴套之间。

5.根据权利要求1所述的带机器视觉的解魔方实验平台，其特征在于：所述控制器的输出控制端口还连接有多个驱动器；所述步进电机通过导线连接于所述驱动器的信号输出端；所述控制器输出控制信号至所述驱动器；所述驱动器接收所述控制信号驱动所述步进电机转动，并带动所述联轴器转动。

6.根据权利要求1所述的带机器视觉的解魔方实验平台，其特征在于：所述图像处理装置还包括设置于所述平台上的补光装置；所述补光装置包括灯光调节面板和多条设置于各条支柱上的LED灯条；所述各条LED灯条均通过导线连接至所述灯光调节面板。

7.根据权利要求1所述的带机器视觉的解魔方实验平台，其特征在于：还包括与所述控制器电气连接的人机交互装置。

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