获奖等级：二等奖
设计者：王捷，程相昊，丁建滨
指导教师：林华
福州大学物理与信息工程学院，福州，350116
设计者充分调研了解魔方机器人的研究现状，发现目前市面上的解魔方机器人大概分为两种，一种是乐高（Lego）公司开发的EV3解魔方机器人，另一种是以工业级别机械臂为基础的解魔方机器人，在此基础上分析解魔方机器人的功能组成。本项目的目标是针对现有解魔方机器人在原理设计、结构设计与成本设计上的不足，采用新的设计思路，设计一种基于Cortex-A53+STM32F103C8T6内核的解魔方机器人（图109）。
该解魔方机器人主要由机械系统、硬件电路系统与软件算法系统三部分组成。(www.xing528.com)
其中，机械系统部分的主体框架由工业铝型材搭建而成，具有极高的准确度、稳定性与轻便性，铝型材之间由三角铝连接，从而保证了整个系统的稳定性。另外，电机的支座、放置摄像头的可旋转全自由度支架、电机与机械手之间的连接件、整只机械手以及指尖部分都完全由团队自行设计并3D打印而成，具有极高的自主性与原创性，并且不受尺寸与需求的限制，更节约了成本。
解魔方机器人的电路设计难点在于步进驱动电路与系统的供电。对于步进驱动电路，设计者使用了在GitHub上开源的Nano Zero Stepper驱动电路，该电路的优势是闭环控制。对于系统供电，我们使用了三块12V航模电池，通过LM2596-5.0、AMS1117-3.3、BUCK开关电源等电路为MCU、外设和舵机供电。
机械系统与硬件电路系统搭建完毕后，我们主要展开了对软件算法的研究。图像方面我们采用了用JAVA语言编写的APP对手机的相机进行调用，从而采集魔方六个面的图像。下一步通过调用Cortex-A53处理器，使用KNN分类算法对所采集到的色块进行颜色分类，进一步使用二叉树算法对解魔方所需要的步骤进行计算与优化，从而计算出一个较优解。最后，通过蓝牙将转化后的解算结果发送到STM32单片机上，从而控制动力系统对魔方进行解算。
经过一个月的设计制造，生产了第一台样机，并对其进行了试验，验证了系统的可行性和实用性，并在接下来的半个月对机器人进行了优化，制作出了现在的第二代产品。
图109 M-Cube魔方机器人
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