小笨手魔方机器人：利用树莓派和Arduino实现三阶魔方还原

获奖等级：入围奖

设计者：庞树博，辛文，刘旭

指导教师：李丹

吉林农业科技学院电气与信息工程学院，吉林，132001

本项目设计的小笨手魔方机器人（图143）利用树莓派、Arduino、PCA9685与4个mg955舵机共同来实现三阶魔方操作的还原。(www.xing528.com)

树莓派是一个微型电脑，体积小，1.4GHz 64位4核ARM Cortex-A53 CPU，具有摄像头、HDMI、USB、以太网口，可以运行Linux系统，对图像识别和颜色识别具有很好的效果。

Arduino是一个单片机，具有13个数字IO接口和6个模拟IO接口，拥有很多库，可以很好地和树莓派兼容，而且程序是烧录的，可以立即运行某段代码。而树莓派具有操作系统，对需要实时控制的舵机不是很好的选择。由于需要四个舵机同时操作，而Arduino只有两个PWM输出接口，所以选用了由PCA9685芯片组成的舵机驱动板，PCA9685舵机驱动板通过I2C总线控制，可以同时驱动16个舵机并且PWM输出稳定，而且由于MG995舵机的驱动电流和堵转较大，PCA驱动板可以采用外接电源，很好地解决了供电不足产生不规则抖动的问题。

把树莓派作为上位机，利用树莓派Python3+OpenCV+摄像头分别识别出魔方6个面的颜色块，然后通过两阶段算法并开启6个线程共同计算出三阶魔方还原步骤的最优解（基本保持在20个步骤左右），通过USB串口通信将步骤数据传输给下位机Arduino，Arduino把串口接收到的数据转变为舵机的控制信号，并且通过I2C总线发送给PCA9685芯片，进而控制由4个舵机组成的两个机械臂，两个机械臂相互垂直放置，夹持魔方两个相邻的面，实现对魔方的旋转、换面、拧等功能，进而还原魔方。

图143　小笨手魔方机器人