一种双臂解魔方机器人及其还原方法技术

本发明专利技术提供了一种双臂解魔方机器人及其还原方法,主要由解魔方机械臂、机身机构、末端执行器、附着在机身上的控制箱体组成。机械臂主体部分主要由闭环步进电机、联轴器、气滑环、调零码盘、U型光电开关组成,通过基于Python编制的上位机控制程序，采用多个摄像头和机械臂规律的转动魔方进行颜色采集，采用欧式距离、边缘检测，精准对魔方六个面的六种颜色进行识别，利用伽马非线性矫正来做到降曝，提高亮度。解魔方机器人技术能够通过成套的机械结构设计、电路设计制造、程序设计控制以此培养一名高素质的初步嵌入式人才。其中的各类技术，尤其是是颜色识别更是能够应用到零件检测、食品质量检测、农作物采摘各类工农业活动当中去。农作物采摘各类工农业活动当中去。农作物采摘各类工农业活动当中去。

【技术实现步骤摘要】
一种双臂解魔方机器人及其还原方法


[0001]本专利技术涉及机器人
，尤其涉及一种双臂解魔方机器人及其还原方法。

技术介绍

[0002]魔方作为一种益智玩具，深受广大人民的喜爱。现有的魔方机器人由机械手臂、颜色传感器、摄像头、机座、回转气缸(气动式)等部件组成，利用计算机或者其他微处理器来自动还原魔方，融合了图像处理技术、计算机视觉、魔方还原算法、机械自动控制、模拟实现交互等技术，在控制系统和机械结构上存在不同。广泛应用于教学示例、博物馆展览等方面，其中所涵盖的技术也很大程度应用到基础工业和农业科技上面去。现有的魔方机器人虽然技术比较全面，但市场上有很多东西在技术处理上不是很完善，缺乏源代码和模板。其次，机械手臂结构刚度不够强，在机器运动过程中，会产生一些微量变形，质量偏重，使得自身运行速度受到影响，增加了对电机的负载，并且运行精度低会产生卡顿现象，机械手臂的运动速度加快，产生很大的惯性力，使得机器运行不平稳，旋转精度也会降低；还有就是单片机在运行过程中容易遇到故障或异常造成死机；针对现有的魔方机器人，控制系统耗能过大，制作机器的材料没有选好，导致机器体型大、成本高且工作性能不稳定。

技术实现思路

[0003]本专利技术解决的技术问题是提供一种双臂解魔方机器人及其还原方法，能迅速稳定地识别魔方并在短时间内快速还原，控制机械手臂的运行以提高还原成功率和还原速度，优化结构设计减少体积。
[0004]为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0005]提供一种双臂解魔方机器人，包括控制箱，控制箱的上表面两端分别对称设置有一对用于夹持和旋转魔方的机械臂；
[0006]每个机械臂包括旋转装置和夹持装置；旋转装置包括步进电机，步进电机的输出轴上设置有传动轴；夹持装置包括气缸，气缸的上表面设置有两个用于夹持魔方的末端执行器，两个末端执行器同时相对或相离运动，每个末端执行器均呈“L”形结构，气缸的下表面设置有气缸联轴器，气缸通过气缸联轴器与传动轴的端部连接；
[0007]控制箱的上表面设置有支撑架，支撑架上设置有多个用于采集魔方6个面的图像的摄像头；
[0008]控制箱内设置有电机驱动系统、气压驱动系统和用于控制电机驱动系统和气压驱动系统的控制器，多个摄像头均与控制器电性连接。
[0009]进一步地，为了调整步进电机的安装位置，控制箱的上表面设置有水平滑轨，水平滑轨两端上分别活动设置有一个用于安装步进电机的角件，每个角件的上顶面与水平面之间的夹角为45
°
，两个步进电机通过步进电机支架与两个角件的上顶面固定连接。
[0010]进一步地，控制器包括相互电性连接的上位机和下位机，多个摄像头均与上位机电信连接；电机驱动系统和气压驱动系统均与下位机电性连接。
[0011]进一步地，支撑架包括门字形结构的第一支撑架和滑动设置在水平滑轨中部的第二支撑架，第一支撑架的两侧安装脚位于水平滑轨两侧，第一支撑架的左右两侧面内壁以及顶面内壁上均设有一个摄像头，第二支撑架的顶面有一个摄像头。
[0012]进一步地，电机驱动系统包括与下位机电性连接的步进电机驱动器，下位机通过步进电机驱动器用于控制步进电机的旋转角度及方向；
[0013]气压驱动系统包括设置于控制箱侧壁上的空压机气泵接头和与空压机气泵接头连通的电磁阀，电磁阀通过管道与气缸的进气口和出气口连通；电磁阀与下位机电性连接。
[0014]进一步地，传动轴外壁上套设有一个气滑环，气滑环的顶部端面与气缸联轴器的底部端面相接，电磁阀通过气滑环与气缸的出气口和进气口连通；气缸联轴器和步进电机之间设置有初始位置调零机构，初始位置调零机构包括调零码盘和与下位机电性连接的U性光电开关，调零码盘套设在传动轴外壁上，调零码盘上设置有一条细缝，U性光电开关通过固定支架设置在角件的上表面，调零码盘位于U性光电开关内。
[0015]本专利技术还提供一种双臂解魔方机器人的还原方法，其包括以下步骤：
[0016]步骤1，系统初始化，机械臂调零找正；
[0017]步骤2，将魔方放置在两个机械臂上，末端执行器夹紧魔方；
[0018]步骤3，多个摄像头采集魔方6个面的图像信息，并将图像信息传递给上位机；
[0019]步骤4，上位机处理魔方6个面的图像信息，并根据处理后魔方6个面的图像信息，完成还原魔方的解算指令；
[0020]步骤5，判断解算指令是否正确，如果解算指令正确，进入步骤6，否则进入步骤1；
[0021]步骤6，上位机将正确的解算指令传递给下位机；
[0022]步骤7，下位机根据正确的解算指令控制步进电机转动魔方，机械臂完成对魔方的还原。
[0023]上位机将魔方还原解算指令转换为字符串的形式发送给下位机，通过解算字符串得到所需旋转面、旋转角度和旋转方向，因为每次旋转魔方后都会实时更新各个面的位置，所以只需要搜索所需旋转的面的位置并计算该面旋转至末端执行器抓取面的最少步骤，通过比较步骤的步数大小自动选择由哪个机械臂进行旋转，以此类推，最终还原好魔方，张开爪子；初始化上位机继续还原下一个魔方，以此来实现一个能够高效、稳定还原一个任意打乱的三阶魔方的自动解魔方机器人。
[0024]进一步地，上位机处理魔方6个面的图像信息的方法包括以下步骤：
[0025]步骤4.1，对魔方6个面的图像信息进行方6个面的图像信息进行伽马非线性矫正降曝处理，以提高图像信息的亮度和色彩分块；
[0026]步骤4.2，采用canny算子对降曝处理后的图像进行边缘检测，提取出魔方六个面的所有色块，并提取出每个色块的中心色块；
[0027]步骤4.3，采用欧式距离算法对降每个色块的中心色块进行颜色识别视觉处理，通过对每个中心色块和其他非中心色块的相似度计算，把相似度最接近的9个色块划分到同一类中，循环6次后，完成分类。
[0028]进一步地，步骤4中欧式距离算法为：
[0029][0030]式中，|C1‑
C2|表示两点的欧式距离，C
ix
(i＝1，2，x＝[R，G，B])表示每个像素点对应的值，C1C2表示颜色1和颜色2，C
1R
表示颜色1的R通道；
[0031]两个颜色之间的色差为：
[0032]ΔE
*
＝[(ΔL
*
)2+(ΔA
*
)2+(ΔB
*
)2]1/2
[0033]式中，ΔE表示色差，L表示明度，A表示红绿色差，B表示蓝黄色差，ΔL、ΔA、ΔB分别表示两个颜色之间在不同分量的差值；
[0034]加权欧式距离算法为：
[0035][0036]ΔR＝C
1R
‑
C
2R
[0037]ΔG＝C
1G
‑
C
2G
[0038]ΔB＝C
1B
‑
C
2B
[0039]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双臂解魔方机器人，其特征在于，包括控制箱，所述控制箱的上表面两端分别对称设置有一对用于夹持和旋转魔方的机械臂；每个所述机械臂包括旋转装置和夹持装置；旋转装置包括步进电机，所述步进电机的输出轴上设置有传动轴；夹持装置包括气缸，所述气缸的上表面设置有两个用于夹持魔方的末端执行器，两个所述末端执行器同时相对或相离运动，每个末端执行器均呈“L”形结构，气缸的下表面设置有气缸联轴器，气缸通过所述气缸联轴器与所述传动轴的端部连接；控制箱的上表面设置有支撑架，所述支撑架上设置有多个用于采集魔方6个面的图像的摄像头；控制箱内设置有电机驱动系统、气压驱动系统和用于控制电机驱动系统和气压驱动系统的控制器，多个所述摄像头均与控制器电性连接。2.根据权利要求1所述的一种双臂解魔方机器人，其特征在于，所述控制箱的上表面设置有水平滑轨，所述水平滑轨两端上分别活动设置有一个用于安装所述步进电机的角件，每个所述角件的上顶面与水平面之间的夹角为45
°
，两个步进电机通过步进电机支架与两个角件的上顶面固定连接。3.根据权利要求1所述的一种双臂解魔方机器人，其特征在于，控制器包括相互电性连接的上位机和下位机，多个所述摄像头均与所述上位机电性连接；电机驱动系统和气压驱动系统均与所述下位机电性连接。4.根据权利要求3所述的一种双臂解魔方机器人，其特征在于，所述支撑架包括门字形结构的第一支撑架和滑动设置在所述水平滑轨中部的第二支撑架，所述第一支撑架的两侧安装脚位于水平滑轨两侧，第一支撑架的左右两侧面内壁以及顶面内壁上均活动设有一个所述摄像头，所述第二支撑架的顶面有一个摄像头。5.根据权利要求3所述的一种双臂解魔方机器人，其特征在于，电机驱动系统包括与所述下位机电性连接的步进电机驱动器，下位机通过所述步进电机驱动器用于控制所述步进电机的旋转角度和方向；气压驱动系统包括设置于控制箱侧壁上的空压机气泵接头和与所述空压机气泵接头连通的电磁阀，所述电磁阀通过管道与所述气缸的进气口和出气口连通；电磁阀与下位机电性连接。6.根据权利要求5所述的一种双臂解魔方机器人，其特征在于，所述传动轴外壁上套设有一个气滑环，所述气滑环的顶部端面与所述气缸联轴器的底部端面相接，所述电磁阀通过气滑环与所述气缸的出气口和进气口连通；气缸联轴器和步进电机之间设置有初始位置调零机构，初始位置调零机构包括调零码盘和与下位机电性连接的U性光电开关，所述调零码盘套设在传动轴外壁上，调零码盘上设置有一条细缝，U性光电开关通过固定支架设置在所述角件的上表面，调零码盘位于U性光电开关内。7...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄波，黄定芳，杨伟，张俊辉，唐炜，王丹，唐博，何平勇，王椰洲，肖海洋，马月，李睿昀，龙丹，陈超，岳信平，邹松，
申请(专利权)人：四川轻化工大学，
类型：发明
国别省市：