解魔方机器人

Lego 还 !

!

2011-06-03!

绍!

结构

图 处

绍!

放置魔方，调整初始状态

读颜色，分六面48块

按照PC计算的步骤还原魔方

检验魔方是否被还原

接收颜色数据，

并返回解魔方步骤输出数据，供用查错

NXT

PC NXT 辅 计

实际 V ideo

实际演示

构 过 !

结构

1

动 转变 LDD lego 驱动设计

颜 处

2

RGB/HSV 处 办 错设计传

3

CFOP 标

4

电 运动 传 馈 错

结构

Question 1： 旋转变直线？

四种实现方式：

①齿条

②蜗杆

③曲柄滑块机构

④传送带或者滑轮机构

（参考几本机械原理的书）

Choice：齿条最佳，曲柄滑杆机构也可以接受

想象力很重要……

结构

Question 2： 电机个数？

1.NXT有电机个数限制：3个

（多NXT控制，之间可以蓝牙通信）

2.重力方案

（对于三阶立式方案略显奢侈，高阶很适用）

3.颜色传感器，摄像头

（摄像头节省一个电机）

Choice：采用重力方案，在师兄现有结构图基础上修改。

钟师 图!

结构

Others：

1.Lego Digital Designer（LDD）方便实用的LegoCAD软件

2.Lego MindStorm 套装，机械结构相当全。 （不过缺乏较长的机构）

3.长杆件刚性不够，应尽量加固

结构!

机械结构的部分还存在很多的问题，搭建一个机构不仅需要有成熟的思路，而且要有一定的灵感。想要将结构精巧的实现，需要很高的技巧和创造力。

国外甚至有很多Lego创作的“大师”。

颜 处 !

Question 1: 摄像头 or 传感器？

1.摄像头略显不智能，东西还不齐备 （需要对于硬件摄像头进一步了解，

NXT与PC的通信，图像/颜色识别程序， 图像降噪，未来的趋势）

2.Lego传感器经测试，RGB值区分度还

比较满意

3.现成的搭建图纸，只需做零星的修改Choice：采用传感器，利用多余的一个电机驱动

颜 处 !

Question 2: RGB直接识别？

1.RGB三个通道的数值与环境相关

（直接识别会悲剧，直接采用比例或大小进行识别也不可行）

2.考虑HSV等其他识别方式

Choice：集体采样，集中处理，还能分担NXT的工作量。

采用集中办法读取识别出错的概率已经比较小了，颜色出错一般是在电机旋转角度上。

颜 处 !

分析一组数据：

//oringe

{254,128,90},{248,120,80},{253,137,96},{266,137,78},{239,128,86} //red

{246,92,86},{245,75,82},{239,64,77},{230,47,65},{266,77,77} //white ！？RGB处理方式不同？{308,297,286},{319,320,313},

{299,249,240},{308,308,300},{323,320,312}

//yellow {256,224,114},{233,202,106},{260,230,119},{251,214,109}, {253,220,107}

//green

{98,1180,121},{96,204,139},{104,202,144},{65,183,133},{85,189,133}, //blue

{95,136,181},{104,131,184},{78,107,171},{126,135,176},{83,122,181}

颜 处 !

根据观察到的规律，按照如下方式识别：（共48组数据）1.所有颜色的三通道值相加从大到小排序，最大的前8个为

白色

2.剩余颜色中，按R+G分量从大到小排序，最大的前8个为黄

色

3.剩余颜色中，按G分量从大到小排序，最大的前8个为绿色

4.剩余颜色中，按R分量从小到大排序，最小的前8个为蓝色

5.剩余颜色中，按G-B分量从大到小排序，最大的前8个为橘

黄色

6.剩余颜色为红色

PS： 红色和橘黄色最难识别，他们各个通道均有交集，不能直接识别

颜 处 !

Others：

目前采用的方式还很朴素，将来应该转向摄像头/相机的方式来识别，提高效率。

这种识别方式需要3分钟左右。（可以进一步提高）

!

Question 1： 还原步数

1.传统方法为CFOP算法，可以参考各种魔方的BBS均有

详细介绍，属于主流算法。

使用简单公式在100步之外（人工），换算成机器步骤将有400-500步以上。相当考验观众耐心。

如果使用200个公式，则相当快（50-70人工步，200以上机器步数），但是相当考验程序员耐心。

2.网上资料 - 魔方快速算法！http://

https://www.docsj.com/doc/db14244941.html,/cubecontest/winners.htm

基本上基于降群法，思想优先。

3.其余方法：棱先、角先；CFCE（一百多个公式）；桥

式（不到一百个公式）

!

算法敲定：

最终采用上述网页中的第三名Jaap的算法，主要基于Thistlethwaite‘s four stage algorithm。平均人工步数为30步，机器步数150左右。

网站提供了一个C的程序，将其改写为Java程序并通过了验证。一般的电脑上计算时间不会超过半秒钟。

!

魔方表示法约定

一个魔方可以由一串字符串表示。

UF UR UB UL DF DR DB DL FR FL BR BL UFR URB UBL ULF DRF DFL DLB DBR（属于Mike Reid）

U: Up

F: Front

R: Right

L: Left

D: Down

B: Back

!

输出表示法约定：

1.Jaap的输出为F3 U1 F3

D3 L1 D2 F3 U3 L2 D3（我命名之

为URD表示法）（顺时针）

2.自定义机器的输出表示法（自己命名为PBH表示法）

将Jaap输出翻译为PBH表示法。

如：BBBPHHHPHPPPHHHPPPHHH BBBPHPPPHHBPHHHPHHHBBB PHHPHHH

泰雅普积木式开源机器人

2018泰雅普积木式开源机器人 “室内导航挑战赛”竞赛规则/计分表 一、竞赛任务 比赛中，机器人从起点出发，完成倒车入库的任务后找到事先放置在圆形任务区的魔方，将魔方运送到正方形任务区的魔方放置点，之后小车回到到达区。 二、竞赛细则 1、比赛时间和计分方法 每个选手有两轮比赛机会，单轮比赛时间为2分钟。单轮的比赛分=完成任务的分数+时间加成分数。竞赛成绩统计时，取两轮的最好成绩为最终比赛成绩。 2、选手/队伍顺序 单轮比赛中，上一个选手开始比赛时，会通知下一个选手上场准备。在规定时间内（裁判通知后的1分钟内）没有准备好的机器人的队伍将丧失本轮比赛机会，但不影响另一轮的比赛。 3、赛前搭建与调试 参赛队伍机器人可预先搭建和编程，比赛前一天有2小时编程调试时间。每轮比赛开始前，机器人由裁判封存，参赛队员未经允许不得再接触机器人，否则将被取消参赛资格。 4、场地 比赛场地采用彩色写真布，有效尺寸1800mm*1100mm。 从场地上的起点区域出发，各个任务区之间无任何轨迹线引导。 下图是场地图形（该图仅供2017年泰雅普积木式机器人室内导航挑战赛示例参考用，实际场地以泰雅普官方提供或购买为准）：

图1.竞赛场地示意图 5、机器人规格和材料标准 （1）尺寸：机器人在起点区的最大尺寸为25cm×20cm×15cm（长×宽×高），离开出发区后，机器人的机构可以自行伸展，但必需确保通过终点区时的尺寸不大于25cm×20cm×15cm（长×宽×高）。 （2）控制器：每台机器人只允许使用一个控制器 （3）电机：机器人使用的直流电机或舵机数量不超过4个（包含4个）。 （4）传感器：机器人禁止使用带危险性传感器，如激光类传感器。相同类型的传感器数量不超过3个（包含3个）。 （5）电源：每台机器人电源类型不限，但电源输出电压不能超过10V。 三、竞赛任务 1、竞赛任务设置 小学组和中学组任务相同。 2、竞赛中每轮比赛终止说明 （1）机器人到达终点区域，该轮比赛结束； （2）竞赛中机器人脱离场地约束区，该轮比赛结束；

EV3魔方程序下载方法

EV3魔方机器人软件下载方法 重要提示：软件下载前确认EV3的固件版本在1.04M以上！！ 1.MindCub3r 软件包括三个主要部分： 1.项目文件： MindCub3r-Ed-v1p7.ev3 2.可执行程序： mc3solver-v1p7.rtf 3.应用程序："MC3 solverv1p7" 2.1安装颜色传感器 RGB 块 1. ColorSensorRGB-v1.00.ev3b，到您的计算机。(请注意，此文件可能对 ColorSensorRGB v1.00.zip 下载过程中重命名。如果发生这种情况，文件重命名回ColorSensorRGB v1.00.ev3b) 2.启动乐高 EV3 软件并创建一个新的空项目。 3.选择工具菜单，然后模块导入向导. 4.在对话框中，选择浏览. 5.找到文件 ColorSensorRGB v1.00.ev3b 并打开它。

6.选择 ColorSensorRGB v1.00.ev3b ，然后选择导入. 7.若要完成安装，请关闭该对话框，并退出乐高 EV3 软件。 2.2 下载 MindCub3r 程序 1.启动乐高 EV3 软件，请选择文件菜单然后打开项目.

2.找到 MindCub3r Ed v1p7.ev3 文件并打开它。 3.下载MindCub3r 程序到 EV3 （但不要现在就运行）。 4.选择工具菜单，然后内存浏览器.

5.选择程序块查找和选择文件夹中的MindCub3r Ed v1p7，然后选择下载. 6.找到计算机上的 mc3solver v1p 7.rtf 并下载到 EV3。 7.再次从内存浏览器对话框中选择下载。

NXT魔方机器人-8527

NXT魔方机器人 一套LEGO Mindstorms NXT 1.0 (8527)即可组装。 基础内容 运行校正程序。 运行主程序。第一次你需要使用一个摆好的魔方，然后运行程序。程序将会计算一个零步骤的解决方案。如果不这样做，程序中止，仍然需要执行上面的步骤。 打乱魔方，让机器人自己摆好。 搭建说明 剪一张70 x 70 mm的薄纸板，剪出8 x 15 mm的圆角。 它它放到转盘上，保证魔方在一个平的表面上。这样当倾斜魔方时它就可以滑动自如了。 导线连接方式： 1 –触动传感器 2 –光电传感器或HiTechnic颜色传感器 3 –超声波传感器 A –转盘电机 B –倾斜臂电机 C –光电/颜色传感器电机 魔方

不幸的是，标准魔方上的黄色和白色被光电传感器检测到的数据是相同的。如果你没有颜色传感器，你就需要更换魔方上的一些颜色（替换全部白色或黄色）。 我用的魔方，我用深黄色替换下了本来的黄色，用浅蓝替换下了蓝色，用金色薄膜替换下了橙色，我也把魔方上印有图标的白色标签用一张平的白色标签替换。 当然你也可以使用其它颜色，只要保证光电传感器检测到的读数是可区分就可以。 使用colortest程序试验不同的颜色。使用cubetester程序检测魔方。 重要提示 光电/颜色传感器的位置非常关键，如果它距离魔方的表面太近，读数可能会不准，位置可以通过轻轻弯曲传感器臂来调整高度。最好把高度控制在：检测头距离魔方顶部大约3mm 的位置。 夹手的空隙不能太小，否则它会夹住魔方，失去原定的作用的。 如果你的魔方操作不灵活，你需要使用硅脂对它进行润滑。在润滑后，你需要用手向各个方向转几分钟。 在启动程序前保证转盘位置正确。 在启动程序前保证倾斜臂完全收回。 在机器人的上方不能有强光源。 校正 在你让机器人摆魔方前你需要校正它。校正程序校正扫描臂的位置，运行校正程序并读取NXT显示屏上的提示。当程序要求你把传感器放在魔方的中心时，你需要把传感器放到正确

人工智能的基本内容(教学设计新部编版)

教师学科教案[ 20 – 20 学年度第__学期] 任教学科：_____________ 任教年级：_____________ 任教老师：_____________ xx市实验学校

人工智能的基本内容 合肥市第一中学许燕【教学内容分析】 本课所学习的内容是广东教育出版社出版的《人工智能初步》信息技术（选修5）中的第1章第2节，主要任务是让学生了解人工智能的基本内容，激发学生对人工智能技术进一步探索求知的欲望。本节通过一个对魔方机器人实物的剖析，让学生通过与人类比的方式了解人工智能的基本内容，让学生感受到人工智能神奇魅力。为了更好的激发学生学习人工智能的兴趣，我又让学生分组探究科技教育机器人，亲身体验机器智能，并通过引导学生畅想，让学生对人工智能的学习更加憧憬。 【学生情况分析】 对于高二的学生，人工智能对他们来说并不陌生，不论是从影视作品中，还是科技展览中，他们多多少少都有一定的了解；而且在高一时候已经有了一些智能软件的体验，如：在线翻译、与网络机器人聊天。另外，我校每年都有机器人特长生，这部分学生在小学初中都参加过教育部或科协举办的电脑机器人大赛，并获得较优异的成绩，他们都是机器人社团的成员，起着带头引领的作用。而且通过前一段时间的学习，学生已经具备了一定的自学能力和信息表达能力，所以在教学中要尽量把舞台让给学生，让学生在自主学习中提升对人工智能的兴趣。 【教学目标】 【重点难点】 教学重点：人工智能的基本内容。 教学难点：如何激发学生学习人工智能的兴趣。 【教学策略设计】 1．教学方法设计 （1）为了便于捕捉学生面对问题时的真实想法，采用师生互动探讨式教学，引导学生分析问题、观察讨论、得出结论等。 （2）开展课堂实践活动，让学生参与到课堂教学中来，培养学生的团队合作和自主探究

(完整word版)机器人应用行业占比

随着工业机器人发展的深度和广度以及机器人智能水平的提高，工业机器人已在众多领域得到了应用。具体看来，中国则保持着35%的高增长率，远高于德国的9%、韩国的8%和日本的6%。其中，汽车、电子产品、冶金、化工塑料、橡胶等行业是中国使用机器人最多的几个行业，未来几年，随着行业的需要和劳动力成本的不断提高，中国机器人市场增长潜力会非常巨大。 1、汽车产业61% 在中国，60%的工业机器人应用于汽车制造业，其中50%以上为焊接机器人；在发达国家，汽车工业机器人占机器人总保有量的53%以上。据统计，世界各大汽车制造厂，年产每万辆汽车所拥有的机器人数量为10台以上。随着机器人技术的不断发展和日臻完善，工业机器人必将对汽车制造业的发展起到极大的促进作用。而中国正由制造大国向制造强国迈进，需要提升加工手段，提高产品质量，增加企业竞争力，这一切都预示机器人的发展前景巨大。 据统计，60%以上的工业机器人应用于汽车制造领域，主要应该在弧焊、点焊、装配、搬运、喷漆、检测、码垛、研磨抛光和激光加工等复杂作业。随着现代汽车工业的发展，对机器人的需求也会越来越大，机器人在汽车制造业中所起到的作用也会更加重要。 据预测我国正在进入汽车拥有率上升时期，在未来几年里，汽车仍将每年15％左右的速度增长。所以未来几年工业机器人的需求将会呈现出高速增长趋势，年增幅达到50％左右，工业机器人在我国汽车行业的应用将得到快速发展。 2、电子电气行业7% 电子类的IC、贴片元器件，工业机器人在这些领域的应用均较普遍。目前世界工业界装机最多的工业机器人是SCARA型四轴机器人。第二位的是串联关节型垂直6轴机器人。罗百辉指出，超过全球工业机器人装机量一半的这两种工业机器人是我们关注的重点。 在手机生产领域，视觉机器人，例如分拣装箱、撕膜系统、激光塑料焊接、高速四轴码垛机器人等适用于触摸屏检测、擦洗、贴膜等一系列流程的自动化系统的应用。 专区内机器人均由国内生产商根据电子生产行业需求所特制，小型化、简单化的特性实现了电子组装高精度、高效的生产，满足了电子组装加工设备日益精细化的需求，而自动化加工更是大大提升生产效益。 据有关数据表明，产品通过机器人抛光，成品率可从87%提高到93%，因此无论“机器手臂”还是更高端的机器人，投入使用后都会使生产效率大幅提高。

好奇解魔方机器人

好奇解魔方机器人 版本信息： 1.1 在1.0的基础上增加了自动颜色校正，优化了执行程序，增加模拟魔方变化配置 1、技术背景 看了网上的各种乐高的解魔方机器人，参照着做了，但是结果总是不尽如意，分析起来存在如下问题： 1.在进行魔方旋转时，没有通过软件或者硬件手段对旋转的角度进行校正。 如果采用分层复原算法，对于一般的魔方，大概有100多步，再转换成魔方机器人能够操作的步骤，大概有300多步，要完成300多步的准确操作，在没有人工干预的情况下，对于NXT控制的电机来说基本是不可能的。 至于其它求解魔方的更优算法，目前网上我还没有找到公开的资料，如果哪位大神，能够有更好的算法，希望不吝赐教。 2.在复原魔方时只是单纯的通过蓝牙驱动电机，关于蓝牙驱动电机的每个命 令，我都进行了测试，效果都不太理想，很难将电机控制到比较精确的位置。特别是在同时驱动两个电机协调运行的时候，我采用过定时器和和多线程的方式。但是都没有达到 MINDSTORMS控制电机的效果。这样的结果只会导致软件对硬件的依赖性强，系统的可重复性差。 3.在进行复原操作时没有图形模拟，对于300多步的操作，如果没有仿真模 拟，用户等了20多分钟，只是看着机器人对魔方翻来覆去的操作，感觉心里还真没有底，因为中间如果错了一步，则最终结果就完全不一样。 针对上面的问题，我们对David Gilday搭建MindCuber的解魔法的机器人进行了改进，并且开发了相应的软件，好奇解魔法机器人解决了如下问题： 1.在进行魔方的旋转操作时，通过机械的手段进行了位置矫正，使得魔方总 是能够精确地停留在0°、90°、180°、270°的位置。 2.操作魔方时，采用了两种方式，一种方式是通过蓝牙直接驱动，一种是通 过驱动NXT中的程序进行间接驱动。这两种方式用户可通过配置文件进行配置。建议的驱动方式是：驱动颜色传感器时通过蓝牙直接驱动，而驱

解魔方机器人及魔方教学系统与方法与设计方案

本技术公开了一种解魔方机器人及魔方教学系统与方法。所述解魔方机器人包括第一机械臂机构、第二机械臂机构、转盘位置检测传感器、散热风扇、板卡、魔方限位转盘、摄像头安装机构、摄像头、补光灯、无线通信模块、魔方限位转盘电机、联轴器。所述系统包括云端服务器、智能手机和解魔方机器人；通过智能手机发送识别魔方色块的指令给解魔方机器人，解魔方机器人识别魔方色块数据并将其发送至智能手机；智能手机将魔方色块数据发送子云端服务器，云端服务器进行还原逻辑运算并转化为机械步骤通过智能手机发送至解魔方机器人，解魔方机器人完成解魔方的操作。本技术通过解魔方机器人的辅助初学者学习，提高初学者学习魔方的效率。 技术要求 1.一种解魔方机器人，其特征在于，包括第一机械臂机构（5）、第二机械臂机构（6）、转盘位置检测传感器（7）、散热风扇（8）、板卡（9）、魔方限位转盘（10）、摄像头安装机构（11）、摄像头（12）、补光灯（13）、无线通信模块（14）、魔方限位转盘 电机（15）、联轴器（16）；

其中，魔方限位转盘（10）放置在底座上的中心处，板卡（9）设置在底座内魔方限位转盘（10）的正下方，魔方限位转盘电机（15）跟魔方限位转盘（10）通过联轴器（16）连接一起，板卡（9）控制魔方限位转盘电机（15）旋转，魔方限位转盘电机（15）带动魔方限位转盘（10）旋转，板卡（9）上连接有无线通信模块（14）；底座内设置有散热风扇（8）；魔方限位转盘（10）的一侧设置有第一机械臂结构（5），用于从下方将魔方（4）顶起一个角度；魔方限位转盘另一侧设置有第二机械臂结构（6），用于从魔方（4）一侧的上方将其向下压；转盘位置检测传感器（7）安装在第二机械臂结构（6）下方；第二机械臂结构（6）以及魔方限位转盘（10）之间安装有一个摄像头安装机构（11），摄像头安装机构（11）顶部向魔方限位转盘（10）正上方延伸出一部分用于安装摄像头（12）和补光灯（13），摄像头（12）用于拍摄魔方（4）各个面中的色块颜色的照片； 第一机械臂结构（5）末端为圆弧结构，使第一机械臂结构（5）顶起魔方时不卡住魔方色块之间的缝隙，第二机械臂结构（6）最上方和左右都有一块限位块，用于卡住魔方以及起到校正魔方的作用。 2.根据权利要求1所述的一种解魔方机器人，其特征在于，魔方限位转盘（10）用于带动魔方360度转动，魔方限位转盘（10）上设置有高5mm~15mm的限位转盘护栏，用于限制魔方（4）的位置。 3.根据权利要求1所述的一种解魔方机器人，其特征在于，第一机械臂结构（5）在魔方（4）一侧从下往上顶起魔方（4），第二机械臂结构（6）在另一侧从上往下下压魔方（4），然后第一机械臂返回原来的位置实现魔方（4）在第一机械臂结构和第二机械臂结构所在方向翻转90度；第二机械臂结构（6）具有纠正对齐魔方块和定位魔方（4）的作用，当第二机械臂结构（6）从上往下下压到一定位置时，可卡住魔方（4）的上面两层色块，此时魔方限位转盘（10）转动，实现只有底层的魔方块转动。 4.根据权利要求1所述的一种解魔方机器人，其特征在于，第二机械臂机构（6）和第一机械臂机构（5）不进行操作，只旋转魔方限位转盘（10）完成空转。

毕业设计开题报告 基于STM32单片机的魔方机器人设计

青岛理工大学毕业设计（论文）开题报告 题目名称：基于STM32单片机的魔方机器人的设计学院：机电学院 专业：电气工程及其自动化 学生姓名：XXX 学号：XXX 指导教师：XXX 职称：教授 2019年12月17日 毕业设计（论文）开题报告

二、研究内容 1．主要研究内容、目标及拟解决的关键问题 （1）研究内容 ①功能设计：魔方机器人通过STM32单片机控制8个舵机，独立完成魔方的抓取、转体、以及单个面的旋转等功能。通过颜色识别程序扫描魔方状态，实时传输给单片机，了解魔方复原过程，控制舵机进行对应的转动，从而复原魔方； ②机械结构设计：机械部分首先通过CAD软件画出机械抓手、支架等单个部件的雕刻图，使用雕刻机雕刻。材料选择亚克力有机玻璃作为主要材料。另外使用四组滑轨滑块用来控制机械臂的前进与后退，从而控制是否握持； ③硬件设计：硬件电路设计部分包括STM32配置电路部分、电源部分、舵机控制部分等； ④软件设计：软件部分包括STM32控制主程序、不同模块的子程序和各个模块的子程序等； ⑤设计完成后用AltiumDesigner10软件画出系统电路的原理图进行实物制作调试；系统测试：利用测试环境对设计的终端进行测试，统计测试结果改进监测终端。 （2）研究目标 设计出一款可以将任何混乱程度的三阶魔方还原的魔方机器人，相对于以往的魔方机器人，在多个方面做出优化设计，使得机器人在稳定性和复原魔方的快速性方面达到更好的效果，通过颜色识别程序扫描魔方状态，实时传输给单片机，了解魔方复原过程。通过STM32单片机控制8个舵机，独立的完成魔方的抓取、转体、以及单个面的旋转等功能。对于精度要求极高的机械部分，采用亚克力雕刻组装来完成。最终可以成功的复原任意打乱的魔方。 （3）拟解决的关键问题 ①使8个舵机的误差控制在5°以内，以及使机械部分精度达到标准； ②魔方复原方法的程序设计。 2．拟采取的研究方法、技术路线、实施方案及可行性分析 （1）研究方法 查阅相关文献，了解国内外魔方机器人的现状，确定研究方案。 （2）技术路线 查阅相关文献确定研究方向完成硬件电路设计 及元器件的选型 熟悉软件，完成 软件程序设计 进行实物设计 与制作 对设计的终端进行 测试