双臂二指魔方机器人基于人工智能算法优化

获奖等级：一等奖

设计者：兴雷，李郑，李寿杰

指导教师：宋华军

中国石油大学（华东）信息与控制工程学院，青岛，266555

本项目设计了集摄像头、运行识别控制算法的计算机、机械爪等为一体的双臂二指魔方机器人（图105）。该魔方机器人采用人工智能算法，并通过大量的数据训练来提高算法的可靠性。魔方机器人的机械结构为自行设计，并通过不断优化来提高魔方机器人的稳定性。

魔方机器人的设计包括颜色识别、解魔方算法和机械机构三个部分。(www.xing528.com)

颜色识别部分采用三摄像头与单摄像头两种图像采集方案，并根据环境条件选择方案。通过外加偏振片来减少环境光的影响，同时自制全光谱光源，提高获取颜色的饱和度。在完成图像采集后，将得到的图像通过透视变换、旋转、拼接得到魔方的平面展开图。在颜色分类方面，采用LAB的颜色分类方式，其相对于RGB来说具有更广的色域，分类效果更好。在对Nearest Neighbors、Decision Tree、Random Forest、Neural Net、Naive Bayes 5种分类器进行10万组数据训练之后，发现Neural Net具有更好的颜色分类效果，颜色识别的准确率更高。

解魔方算法同时采用Kociemba算法与Korf算法，比较后取两个解法器所得解的最短路径。在算法优化方面，我们首先通过改变神经元的数量，调节Dropout的比例对已有的神经网络进行优化。之后通过类比图片识别、语音识别的神经网络结构，构建了新的神经网络程序，在进行2700代、数据规模达260万组的训练后，解魔方的时间平均减少了45.425ms，最多可以减少2.4s，进一步缩短了系统复原魔方的时间。

机械机构主要采用3D打印的方式，经过V-rep结构仿真、Simulation-Xpress应力分析后得到基本的机械结构模型，经过3个月的机械结构优化，最终得到了由57步进电机作为手臂和42步进电机作为手指的结构。机械爪采用平行连杆双爪结构，最大限度地提高了爪子的张合速度和咬合力。

经过团队三个月的不懈努力，成功地克服了颜色识别不准确、机械结构不稳定等问题，魔方机器人的稳定性可以保持在90%以上，并将解魔方的时间控制到了10s以内，最快可达到8s。

图105　基于人工智能算法的双臂二指魔方机器人