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《五邑大学》 2020年
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解三阶魔方智能机器人系统的设计与研究

谭水生  
【摘要】:智能机器人技术的发展是现阶段世界各国高科技研究领域十分关注的热点课题。智能机器人现在各行各业有着广泛的应用,发挥着极其重要的作用。解三阶魔方智能机器人是一个机械、电子、信息和计算机等多学科知识综合运用的智能机器人系统,制作一个解算魔方更快、翻转动作更加灵活迅速、稳定性更好的智能魔方机器人系统具有极大的挑战性。本文设计一款可以将任意打乱三阶魔方进行复原的两臂二指智能魔方机器人。本课题的研究工作主要有三个部分,一是对三阶魔方的基本结构,转动性质,以及复原三阶魔方的算法进行详细的分析与研究,将魔方的转动以数学的形式描述与表达;二是对三阶魔方的颜色特征分析与识别;三是设计一个类似人手的机械结构实现魔方自动复原。本课题魔方的颜色识别是基于RGB彩色模型获取魔方表面的颜色特征,为有效减少外部环境的光照强度对魔方颜色识别的干扰,提高颜色识别的正确率,本课题采用KNN分类算法对颜色特征进行分类。在魔方解算方面,本文采用现阶段世界上解算魔方步数最少的Kociemba算法,目前是计算机求解魔方复原路径最主流的算法,解算三阶魔方的时间为ms级。另外,对Kociemba算法得到的复原指系统的基础上进行优化,比较了优化前后指令对应的机械执行步数,测试结果显示优化效果较为显著。在机械结构方面,采用闭环步进电机、平行滑轨气缸作为魔方机器人主要执行部,为使得魔方机器人在启动与停止的时候不会产生刚性冲击,而导致未被夹紧的魔方层在步进电机启动或停止的时刻产生的惯性发生错位,对闭环步进电机的启动与停止进行加减速控制。本课题以PC机为主控制单元,STM32单片机作为辅助控制器,对整个系统的测试,测试结果显示:颜色识别的正确率高,魔方机器人的机械结构控制平稳,能快速平稳复原魔方,可以在15s以内的时间内复原绝大部分魔方,对Kociemba算法得到的复原指令系统进行优化,优化后的指令系统在机械执行步数减少了20%以上。
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