三阶魔方还原机器人

基于 python 和 Arduino，实现能够还原三阶魔方的机械结构

系统流程

1. 通过摄像头识别魔方颜色
2. 将识别结果转化成魔方求解算法的输入
3. 执行魔方求解算法，得出还原操作序列
4. 指令优化与碰撞规避处理
5. 通过wifi将序列发给硬件控制器
6. 硬件控制器按照序列，控制机械结构执行还原
7. over

依赖

python 版本: 3.x

• pywifi
• pillow
• numpy
• opencv-python

$ pip install -r requirements.txt
$ python3 guiconfig.py

开发

软件部分

• tkinter gui 组件的设计与开发

  • Camera：基于cv2.VideoCapture 构造的摄像头管理类

  • HoverButton：基于 tk.Button 提供可带参数事件绑定接口，并做了些许美化

  • ViewCanvas：颜色数据采集与调试工具中的面板，用于展示视频与图片

  • CubeFloorPlan：用于绘制并管理魔方平面展开图，存储并管理整个魔方的色块分布，并生成魔方色块序列

  • HSVAdjuster：颜色数据采集与调试工具中的面板，实时调整颜色识别中使用的 hsv 范围并保存

  • SampleAdjuster：颜色数据采集与调试工具中的面板，实时调整用于颜色识别的采样范围并保存

  • Console：控制台模块，用于主控程序运行时的状态输出

  • Window：Tk 窗口的封装，提供了 update_func 接口

  • CameraCanvas：摄像头视频展示面板，用于主控程序

• 颜色数据采集与调试工具的开发

  • 数据设置与加载模块

  • 计算机视觉模块：魔方定位与颜色块的识别

    • 全局二值化色块定位

    • 形态学处理与魔方定位

    • 手动定位，固定点采样

    • 颜色识别

  

• 魔方模拟器的开发

  • 虚拟魔方的实现

• 执行还原序列

  • 获取魔方状态

• twophase 求解接口的后台服务器

• 主控程序的开发

  • 计算机视觉模块：魔方定位与颜色块的识别

  • 魔方求解模块：twophase算法

  • 指令调整与优化

    • 机器动作指令集的设计

    • 标准还原序列到机器动作指令序列的转化

    • 碰撞规避处理

  • wifi模块

    • wifi检测与连接
    • 自动获取 esp8266 模块在 ap 模式下的 ip 地址
    • 发送数据和接收数据

  软件架构如下：

  

  界面如下：

  

硬件部分

• esp8266

  • ap 模式

  • 提供路由处理来自客户端的请求，并返回处理结果

• 操作序列的解析

• 电机控制逻辑

  • 单个电机动作控制

  • 多个电机同步运行

  • 单个电机角度微调

单个电机的基本连接如下：

机械结构建模

模型及装配体如下图所示，所有原文件在sldprt目录下

导出的3D打印模型在stl目录下

动图演示

凹槽凸轮	魔方翻转

装配爆炸视图

实物照片

翻转魔方	魔鬼接线

识别魔方色块分布	旋转魔方面