一种多杆系机构“推拉式”解魔方机器人设计与研究

2017-03-27姚宇菲

科技创新与应用 2017年7期

关键词：结构设计机器人

姚宇菲

摘要：文章提出一种解魔方机器人方案，包含齿轮，电机，多杆系机构，旋转机构和颜色扫描机构以及电子设备组成，可实现打乱后的魔方按照既定的算法进行自动复位。另外文章对当前解魔方机器人关键技术进行探讨，指出了机器人技术是未来技术发展的方向。

关键词：机器人；结构设计；解魔方

1 概述

近年来，随着三维数字化设计和计算机技术的飞速发展，机器人设计和制造技术得到了迅猛发展[1，2]，广泛应用在工业机械、日用品和科学研究当中。同时，社会对机器人研发也越来越重视，各类机器人的研制方兴未艾。

魔方是重要的益智玩具，近年来一直受到社会魔方爱好者以及科研工作者关注，然而依靠人工求解和翻转魔方步骤繁多，难度极大，于是用于解魔方的机器人的研制逐步得到社会重视。现有市场上的普通解魔方机器人翻转，运动笨拙，显示度低。或者颜色扫描机构与魔方旋转机构未能集成，智能化程度低，对轻巧型解魔方机器人进行设计研究逐渐成为科技界研究热点。

2 方法原理

为了实现机器人轻质化和简洁化的目标，我们根据电机和魔方的尺寸，设计了一种齿轮驱动摇臂式双连杆机构。机构原理图见图1。具体实现方式为：通过电机1的驱动带动齿轮，再通过摇臂带动连杆拉动魔方，当魔方转动到一定角度的时候再反方向驱动电机1将魔方推入托盘，实现魔方绕X向转动。然后通过电机2驱动托盘带动魔方绕Y轴转动。以此类推，实现所有面的翻转。转动间隙驱动电机3帶动颜色扫描结构随时检查魔方颜色状态，最终通过计算机程序识别魔方翻转正确性。

3 详细方案

3.1 详细结构设计

本文详细方案的详细组成包括整体底座（1），设备安装盒（2），从动齿轮（3），驱动齿轮（4），驱动鹅颈（5），翻转长杆（6），从动鹅颈（7），连接杆（8），魔方支座（9），旋转电机转接法兰盘（10），驱动电机转接法兰盘（11），异形螺母（12），驱动轴（13），从动长轴（14），从动短轴（15），圆形螺母（16），颜色扫描元件（17），颜色扫描元件支架（18），翻转机构驱动电机（19），旋转机构驱动电机（20），颜色扫描机构驱动电机（21），综合控制单元（22），测控控制单元（23），电源单元（24），通讯单元（25）。

典型结构详图见图3-图5。

3.2 装配设计

本方案的装配方式为：

（a）将所有结构零件、电气元件准备；

（b）将翻转机构驱动电机（19），旋转机构驱动电机（20），颜色扫描机构驱动电机（21）用螺钉装入整体底座（1）；

（c）将综合控制单元（22），测控控制单元（23），电源单元（24），通讯单元（25）装入设备安装盒（2），螺钉固定；

（d）将颜色扫描元件（17），颜色扫描元件支架（18）装入整体底座（1），螺钉固定；

（e）将电机转接法兰盘（11）中心孔插入翻转机构驱动电机（19）和旋转机构驱动电机（20）；将驱动齿轮（4），驱动轴（13），驱动鹅颈（5）异形螺母（12）装入；

（f）将从动齿轮（3）用铆钉与驱动电机转接法兰盘（11）连接并与驱动齿轮（4）咬合；

（g）将旋转电机转接法兰盘（10）插入旋转机构驱动电机（20），连接将魔方支座（9）；

（h）安装翻转长杆（6），从动鹅颈（7），连接杆（8），从动长轴（14），从动短轴（15），圆形螺母（16）；

（i）用铆钉连接整体底座（1）与设备安装盒（2）。