获奖等级：一等奖
设计者：郑嘉芳，叶龙杰，杨思强
指导教师：林华
福州大学物信学院，福州，350116
本项目设计了一款可以将任意打乱的三阶魔方复原的智能魔方复原机器人（图104）。该机器人使用NanoPi作为主控制器，运行Linux系统，以STM32单片机为辅助控制器，通过自主设计的机械结构实现魔方的翻转与复原。
识别与解算：我们通过霍夫变换找到魔方的矩形区域，取其中五个点滤波之后作为该方块的数据样本。通过改良KNN算法对采集的数据样本进行处理，由此得到魔方状态。求得魔方状态之后，我们通过加权搜索的Kociemba算法对魔方进行还原解算。
步骤优化：我们采用由下至上优化的策略，先将步骤解构，然后使用记忆动态规划对实际执行步骤进行优化。(www.xing528.com)
执行：我们使用STM32对舵机与步进直接进行控制，步进采用了霍尔传感器进行反馈，辅以PID控制，以达到防止失步的目的。
手臂解构：本魔方机器人采用了二指双手斜45°的方案。使用车胎橡胶覆盖在手指表面，增加了手指的动摩擦因数。手掌部分采用了平行式夹取的方案，平行式夹取可以在容错设计下将原有的微小误差修正。我们改造了原有的方方正正的手指，设计成外形类似于“螃蟹钳”的手指，原有的支撑魔方的平面改造成了曲面，以达到修正误差的目的。
光学结构：眼睛部分使用了双摄像头三面补光的设计，节约了魔方识别的时间。为了使眼睛的视野更加明亮，我们在魔方的左侧、右侧以及上侧安放了3条LED灯带，魔方在灯带的作用下受光均匀。为了提高系统的稳定性，我们选择了平时生活中随处可见的廉价的纸板箱进行遮光，略微改造后形成了一个鲁班锁，简单高效、容易固定且便于折叠。
在经过多次问题修正后，该魔方机器人逐渐成长为一个较为健壮稳定的系统。经统计，在室内环境下复原魔方的成功率接近100%，时间平均为20s，基本达到了预期要求。
图104 智能魔方复原机器人
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