获奖等级：入围奖
设计者：王楠，陈冬冬，冯远洋
指导教师：孙锐，何瑜
本项目设计了一款两指解魔方机器人（图136）。设计者设计了一种新颖的机械结构来进行快速地旋转与还原魔方，并且利用Kmeans算法对色块进行聚类，分析与实现了主流的解魔方算法——Kociemba算法，用它来对魔方进行还原。
该两指解魔方机器人的设计有机械系统、控制系统与视觉系统三个部分。经团队合作首先成功设计了机械系统。机械系统主要由手腕、手指、机架三部分组成。
手腕：由57步进电机提供旋转动力，输出轴与电机固定件为CNC制成的金属铝件。轴通过一个外部轴承，减小其径向受力，提高稳定性。外接一个继电滑环，让手腕可以自由转动，提高效率。
手指：手指部分由3D打印制成，手指之间依靠不完全齿轮配合，从而实现同步反向运动，能更好地夹持魔方。选取气动装置，安装在二维雕刻加工出的玻纤板零件上，提供手指转动动力，大力矩使魔方姿态更为稳定，保证成功率。另外，手指末端加装了防滑材料，弥补了魔方表面光滑而引发的滑动问题。(www.xing528.com)
机架：机架采用2020铝型材搭建，连接方式为角码和螺栓，整体较重，底部接触面也较大，稳定性得到了很好的保证。
控制系统采用STM32芯片作为主控芯片。其内核为ARM公司为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用而专门设计的Cortex-M内核。
板载多路PWM信号，通过光耦隔离实现舵机和步进控制。采用光耦隔离是为了防止MCU在电机短路时过大的瞬间电流使线圈产生感应电势而被击穿。
主控板利用STM32的串口与视觉处理部分通信，得到对魔方的转动信息，进而控制电机转动。板载一路带隔离CAN总线，可用于对电机的控制。
视觉系统使用普通USB摄像头采集魔方图像信息，同时观测魔方的三个面来获取魔方的颜色信息。通过仿射变换将同时观测到的三个面还原，并将每个块的颜色投射为三维坐标的坐标点，使用Kmeans算法对颜色进行聚类，从而避免了繁杂而不鲁棒的颜色空间转换条件判断，同时保证了在三面均匀光照的情况下，无论光照强度如何都能准确识别。
在摄像头同时观测到六个面的信息后，调用Kociemba算法来得到还原步骤，并以一定的协议通过串口传输给单片机，从而转动魔方。Kociemba算法是一种用于机器解魔方的高效算法。
图136 两指解魔方机器人
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