获奖等级：二等奖
设计者：丛禹塵，姜东，李炳君
指导教师：刘胜蓝，王飞龙
大连理工大学创新创业学院，大连，116024(www.xing528.com)
本项目设计的魔方机器人（图107）采用类人双指结构，能在30s之内自主实现对任意三阶魔方的解算还原，具体涉及颜色分类、魔方求解、电机驱动等技术。颜色分类使用机器学习相关算法。经过颜色空间转化将RGB色彩空间转化成HSV色彩空间，使得魔方颜色特征更加明显，有效地降低了光强的影响，但由于红色和橙色在色彩空间的三维空间相距较近，依旧存在误识别问题。本机器人在KNN分类算法上加以改进，有效改善了光照条件对颜色分类造成误识别的问题，能够达到应用水平。魔方求解主要采用开源的两阶段搜索算法，相比于常用的层先法算法，两阶段搜索算法能够将任意有解的魔方在21步之内求解成功，极大地缩短了后续机械操作的运行时间，使得机器人操作更加稳定、迅速。电机驱动部分采用STM32做下位机，实现对步进电机和舵机的控制，与上位机通过串口协议进行通信。在进行机械设计时，会出现在转动过程中机械手不能有效地夹稳魔方的问题，故我们对本机器人主要进行了电机选型优化、机械爪结构优化、电机运动控制优化。采用更高反应速度的舵机以加快机械手闭合和打开的时间；选用精度更高的金属滑轨来替代塑料滑轨，有效增强夹紧刚度。使用3D打印重新设计机械爪形状，保证其受力时的刚度和强度，优化电机控制方法，使其加速、减速更加平滑。经过上述几部分的有效配合，确保了本魔方机器人的稳定、高效以及便于操作。同时，本机器人也拥有良好的UI界面，可以在人机交互时看到魔方状态、最终求解步数等。
设计制作这款魔方机器人，综合运用了机械、电子、信息和自然科学知识，实现了比人计算更快、翻动更加灵活迅速的目标。经测试，本机器人解魔方时间稳定在30s内，符合设计要求。
图107 魔方机器人
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