魔方机器人Feliks：启示迭代设计发展

获奖等级：入围奖

设计者：段逸凡，毛逸，江山

指导教师：张辉

中国科学技术大学计算机学院，合肥，230026

以完整复原一个三阶魔方为目的，设计者经过两个月的调研、研究、实践，完成了对机器人的搭建（图157）。经过深入研究比赛的要求，并调研网络上可以找到的复原魔方机器人的样例，我们最终选择了双臂双指作为基本框架，并用Kociemba算法对魔方复原进行计算，完成比赛要求。(www.xing528.com)

我们的作品有三层结构。第一层，即最下面放置了Arduino mega2560单片机和两个电机驱动器。两个摄像头位于中间层两侧，以观察魔方颜色。中间层和上层还分别放置一只手及电机。两只手成90°夹角，分别固定魔方的底部和侧面。手与电机连接部分及指尖自行设计并以3D打印制作完成。每层的材料为亚克力板，整体用炭杆做骨架，以求整体框架既轻又稳固。机械臂采用42步进电机，使用TB6600驱动板进行驱动，以实现旋转迅速的目标。机械臂与机械手之间使用3D打印自制的连接件进行固定，实现了机械臂轴与机械手中心的精确对接。机械手采用网购的机械手作为基础，采用3D打印的零件改装手指部分，并于其上覆盖硅胶以增大摩擦力。每个机械手配以355数字耐烧舵机。摄像头型号为今贵s9 1200万像素摄像头，基本可以满足对颜色识别的需求。我们使用了两个摄像头，目的是可以同时获得两个面的颜色信息，节省了观察的时间。

首先，程序方面，我们使用了分类算法来进行图像识别，即采集每种颜色中心块的数据，然后将其他色块的颜色进行分类。这种算法既可以保证颜色识别的正确，又可以避免魔方颜色不同导致的未知错误和周围灯光对其的影响。其次，魔方的解法采用前人研究得出的Kociemba算法，又称两步法，可以在较短的时间内计算得出魔方的解法。对任意情况，平均长度为20步。

经过反复的实验，验证了我们的机器人可以稳定、快速地复原魔方，达到了预期的效果。

图157　Feliks——魔方机器人