一種多桿系機構“推拉式”解魔方機器人設計與研究

姚宇菲

摘 要：文章提出一種解魔方機器人方案，包含齒輪，電機，多桿系機構，旋轉機構和顏色掃描機構以及電子設備組成，可實現打亂后的魔方按照既定的算法進行自動復位。另外文章對當前解魔方機器人關鍵技術進行探討，指出了機器人技術是未來技術發展的方向。

關鍵詞：機器人；結構設計；解魔方

1 概述

近年來，隨著三維數字化設計和計算機技術的飛速發展，機器人設計和制造技術得到了迅猛發展[1，2]，廣泛應用在工業機械、日用品和科學研究當中。同時，社會對機器人研發也越來越重視，各類機器人的研制方興未艾。

魔方是重要的益智玩具，近年來一直受到社會魔方愛好者以及科研工作者關注，然而依靠人工求解和翻轉魔方步驟繁多，難度極大，于是用于解魔方的機器人的研制逐步得到社會重視。現有市場上的普通解魔方機器人翻轉，運動笨拙，顯示度低。或者顏色掃描機構與魔方旋轉機構未能集成，智能化程度低，對輕巧型解魔方機器人進行設計研究逐漸成為科技界研究熱點。

2 方法原理

為了實現機器人輕質化和簡潔化的目標，我們根據電機和魔方的尺寸，設計了一種齒輪驅動搖臂式雙連桿機構。機構原理圖見圖1。具體實現方式為：通過電機1的驅動帶動齒輪，再通過搖臂帶動連桿拉動魔方，當魔方轉動到一定角度的時候再反方向驅動電機1將魔方推入托盤，實現魔方繞X向轉動。然后通過電機2驅動托盤帶動魔方繞Y軸轉動。以此類推，實現所有面的翻轉。轉動間隙驅動電機3帶動顏色掃描結構隨時檢查魔方顏色狀態，最終通過計算機程序識別魔方翻轉正確性。

3 詳細方案

3.1 詳細結構設計

本文詳細方案的詳細組成包括整體底座（1），設備安裝盒（2），從動齒輪（3），驅動齒輪（4），驅動鵝頸（5），翻轉長桿（6），從動鵝頸（7），連接桿（8），魔方支座（9），旋轉電機轉接法蘭盤（10），驅動電機轉接法蘭盤（11），異形螺母（12），驅動軸（13），從動長軸（14），從動短軸（15），圓形螺母（16），顏色掃描元件（17），顏色掃描元件支架（18），翻轉機構驅動電機（19），旋轉機構驅動電機（20），顏色掃描機構驅動電機（21），綜合控制單元（22），測控控制單元（23），電源單元（24），通訊單元（25）。

典型結構詳圖見圖3-圖5。

3.2 裝配設計

本方案的裝配方式為：

（a）將所有結構零件、電氣元件準備；

（b）將翻轉機構驅動電機（19），旋轉機構驅動電機（20），顏色掃描機構驅動電機（21）用螺釘裝入整體底座（1）；

（c）將綜合控制單元（22），測控控制單元（23），電源單元（24），通訊單元（25）裝入設備安裝盒（2），螺釘固定；

（d）將顏色掃描元件（17），顏色掃描元件支架（18）裝入整體底座（1），螺釘固定；

（e）將電機轉接法蘭盤（11）中心孔插入翻轉機構驅動電機（19）和旋轉機構驅動電機（20）；將驅動齒輪（4），驅動軸（13），驅動鵝頸（5）異形螺母（12）裝入；

（f）將從動齒輪（3）用鉚釘與驅動電機轉接法蘭盤（11）連接并與驅動齒輪（4）咬合；

（g）將旋轉電機轉接法蘭盤（10）插入旋轉機構驅動電機（20），連接將魔方支座（9）；

（h）安裝翻轉長桿（6），從動鵝頸（7），連接桿（8），從動長軸（14），從動短軸（15），圓形螺母（16）；

（i）用鉚釘連接整體底座（1）與設備安裝盒（2）。

3.3 功能仿真

通過使用三維設計仿真軟件，對結構方案進行典型運動狀態運動仿真，結果為運動機構滿足要求。

（a）翻轉機構抬升，顏色掃描元件停留魔方區，旋轉機構運動實現單面顏色特征識別。

（b）顏色掃描機構運動離開魔方區，翻轉機構下降，拉動魔方翻轉。

（c）翻轉到一定角度再向反方向推動魔方，實現魔方翻轉。

（d）魔方翻轉后，翻轉機構限定魔方頂層和中間層，底層通過旋轉機構驅動實現單層控制。

4 創新點

本設計方案的創新點主要有以下幾點：

（1）本發明的推拉式機構巧妙，顯示度高，吸引人；

（2）僅用3個電機實現全部魔方解碼自動操作功能，重量和功率省；

（3）翻轉機構、旋轉機構和顏色掃描機構集成在一個底座上，解算更高效；

（4）使用整體底座，零件數量少，裝配方便。

5 解魔方機器人關鍵技術

解魔方機器人技術涉及結構機構、電氣和軟件編程等多學科知識，技術領域新，難度大，當前國內在研究解魔方機器人方面還處于起步階段，尚存在以下幾類關鍵技術急需突破：

5.1 高可靠輕巧型結構機構設計技術

當前國內現有的解魔方機器人存在普遍問題是結構笨重、機構簡單，翻轉可靠性低，導致的結果是功耗高、顯示度低，經常翻轉出錯，難以市場化。

5.2 基于機電一體快速解魔方計算機算法

當前的人工解魔方算法例如“層減法”等已經非常成熟，但是如何用機電一體可翻譯成機器語言和機構動作協調的算法尚未有效突破，導致翻轉步驟過多，有的達到800多步才能完成魔方解算，效率低。

5.3 高分辨率復雜顏色快速識別技術

在魔方翻轉過程中，顏色的識別是重要的內容，目前多數機器人對魔方的顏色塊識別不準確，也是制約解算成功率的關鍵環節。

6 結束語

魔方是世界著名玩具和智力工具，機器人必將成為未來先進制造技術的發展趨勢。希望社會各界有更多的人來關注解魔方機器人技術，并將其中的先進成果推廣應用到其他領域，促進社會科技的進步。

參考文獻

[1]李瑞峰.中國工業機器人產業化發展戰略思考[J].航空制造技術，2010（9）：32-37.

[2]逄淑敏.沈陽機器人產業發展模式研究[D].沈陽大學，2015.