解魔方的机器人--资料全部开源

当我刚刚进入大学的时候，在实验室里看到了某个学长做了两个机械手，意欲用来解魔方（虽然最后也没做出来），但对于刚刚接触电子没多久的我来说也是极大的震撼，做一台解魔方机器人的想法就一直萌芽心底。

由于各种各样的原因，一直没有空闲来做这样一个没什么商业价值的项目。直到现在2016年，我决定留一些时间出来做一些业余的小制作，算是提高一下个人姿势水平，增加一点生活的乐趣吧，希望通过这个项目，学习下机械画图软件，熟悉下C#写的简单上位机。看了很多别人做的各种各样的魔方机器人，都不甚满意，自主设计的基本方案如下：

点击这里观看实际的解魔方视频

结构部分：

做第一版结构时还是too young，精度考虑极其不到位，框架采用废旧衣柜剩下的木头，做出来效果如下：

由于手上没有3D打印机，只有借别人的用，只有用来固定魔方的夹子是打印的，剩下的都是手工制作，什么钻孔啊打胶啊等等。传动部分，每个手臂用了两个步进电机，后面的电机加丝杆用于进给，前面的电机用于转动魔方，两个小轮子用于导向该轮子的前进后退。对于这一版，只能说是彻底失败……因为精度根本达不到，四个手臂对准魔方中心都困难。于是我放弃了手工加工的方法，一气之下购入一台3D打印机，所有结构件都用3D打印，整体框架使用2020的铝型材，购于淘宝，价格￥12.8/m，然后让厂家按我给的长度切割，最后花了两百块钱左右，然后购买切割了8mm光轴作为机械手的导轨，做出来的框架如下：

结构的进一步改进是因为发现一个问题，如果想单独移动魔方朝下的那一面，需要把魔方旋转180度，将下面翻转成上面才能完成，因为魔方只能靠下面的夹子托在正确位置，如果想要把魔方的下面旋转90度是无法做到的（不知道我的描述大家懂没有）。经过观察这个步骤是最浪费时间的一步，整个系统跑通之后，开始提高解魔方的速度，换了更强劲的电机，重新设计结构增加了上面塑料爪子的固定功能，结构如下图：

可以发现，这个爪子具有夹紧的功能，为了增加摩擦力，与魔方接触的地方增加了两块橡胶皮，可以将单独地将魔方固定住，组装完成的结构如下图，大家视频里面也可以看到工作原理。这样最终版的结构就做好了。各个结构件的solidworks文件也已上传，如果以后还有时间改进，我准备把四个爪子全做成夹紧式的，速度还有进一步提高的空间。

硬件应该算是这个项目最简单的部分了吧，stm32最小系统＋8个步进电机驱动就搞定了。一开始用了步进驱动用了A4988，后来换成额定3A的步进电机，改用DRV8825。这部分直接用了淘宝上买的现成模块（懒得自己画），电源用了以前项目剩下的开关电源，明纬24V-14.5A，实际上大大地浪费了，24V直接驱动步进电机，dcdc降压给单片机用（TPS5430），第二版PCB相对第一版基本上只改动了下大小，增加了控制步进电机细分的IO口（没用上），最终的原理图如下。另外，原理图中的蓝牙和六轴部分暂时都没有用，是想把这个板子留给下一个项目用的。

Gerber投出去四天板子就回来了（嘉立创），焊接完成后一调就通了，没出现什么问题，不过长时间运行时发现发热量太大，热熔胶都被烫化了，于是增加了一组散热片，又加了一个小米风扇从后面对着吹，这个问题得以解决。线材部分，所有的线材都是自己做了防呆接头，用热缩管裹起来，为了保持美观，线材都加了黑色束线管包起来。

固件+软件部分：

固件部分写的也比较无脑，stm32只是执行上位机传来的指令做动作，步进电机控制需要两个IO，一个用于控制方向，一个用于控制转动。转动的控制直接用了IO口翻转＋软件延时的方法，没有使用PWM。单片机与上位机通信协议如下：

固件部分到此，下面是上位机部分。

本人很喜欢玩魔方，高中巅峰的时候到过平均18s，那会用的还是国甲5，现在常年荒废以致手法不行了要三十多秒。。，一开始自然想到用CFOP去解（常用的快速解魔方手法），但是这个方法有一个问题，摄像头需要像人眼一样时刻观察魔方，解魔方过程中的实时识别颜色会给软件设计造成很多麻烦，我追求的方法是一次识别完成，解的过程中就不用开摄像头了。自然的，要达到这个目标，想到最简单的方法—盲拧法。盲拧的原理是，将整个魔方的状态编码，编出来后大概有三个手机号码的长度的一串数字，然后根据这一串数字按部就班地把魔方还原出来，所以，盲拧熟练之后，本质上就是记一串数字。对于这个系统来说，这个方法是最简单的，因为不存在记忆的问题，直接颜色识别完成后一步一步还原就好了。实践之后发现，用盲拧法解实在是太慢了。。。可能多达几百个步骤，要几分钟才解的完，于是我找到了现在的解法——最小步数法。

关于这个方法，有大量的数学家和魔友们探索了很久，已有科学家证明三阶魔方最小还原步数为20步，即为上帝之数，意思是任意一个打乱的魔方20步以内都可以还原。我查阅了一些帖子、论坛，看到了很多方法，什么块构筑、niss等等，然而如果不花大量的时间学习还是不知所云。好吧，由于缺乏很多数学基础，例如群论一类的，自己搞一个算法出来还是比较困难，然而作为一个工程师而非科学家，实现业务需求才是最重要的，几经搜索，我找到了一个开源的最小步数解法，给出了C代码实现，而且我幸运的发现有国内的朋友已经把这个算法应用到了自己的DIY上，在此感谢动力老男孩 — http://www.diy-robots.com/?p=282。关于该算法的详细解释也有很多资料，通过逐步降群的思想还原，在此不赘述，详见http://www.jaapsch.net/puzzles/thistle.htm。把这个算法移植到自己的软件里面后，整个上位机就基本完成了，还存在一个小问题——颜色误识别。

关于识别魔方颜色方法，我找到了现成的库——AForge.net，这个库可以调用摄像头的数据，我的方法是对于每个面，识别3×3每个小方块中心点，可以把RGB的数据读出来，RGB的数据每个都是一字节，将该数据转换到HSV色系里面，很容易就根据hue判断出颜色（0～360度），这里黑色和白色做了额外的判断，有兴趣的朋友可以看代码里面的实现。由于有些相近的颜色，如红色和橙色，环境亮度不一样的时候很容易误识别，我用了简单暴力的方法：

写到这里，整个方案已经讲的差不多了，大家有各种想法和疑问，欢迎加交流。源码、PCB、结构工程、上位机都可通过下方阅读原文下载！