获奖等级：三等奖
设计者：廖斐，牛敬华，杨德举
指导教师：马良荔
本项目设计了一种基于树莓派的双臂式魔方机器人（图118），其成本低、体积小、性能稳定、容错性强、易于控制、扩展性强，能将任意打乱的三阶魔方自动快速复原，并适应于不同光照环境的复杂场景。
通过综合分析，我们从硬件和软件两个方面对魔方机器人进行了模块组成设计及实现，主要包括颜色识别、还原求解、执行机构、交互显示和树莓派控制五个模块。
颜色识别模块：以三个摄像头为介质，从上、中、下三个不同角度获取魔方的状态图像信息。使用直方图均衡化法、中值滤波法预处理初始图像，在Python环境下利用OpenCV和Pillow库对魔方进行颜色识别，最后使用识别纠错机制纠正识别错误。(www.xing528.com)
还原求解模块：采用改进的Kociemba算法解得魔方的六面还原动作序列，通过姿态换算及优化映射得到相应的机械动作序列。将该序列送入执行机构模块做后续操作。
执行机构模块：该机器人采用双机械臂的类人化设计，利用UG建模和3D打印技术设计制作了其硬件结构，使用自行改装的最大旋转角度可变的数字舵机为动力驱动。在树莓派的控制下协作配合完成机械手末端手指的夹捏动作和对魔方的旋转还原动作。
交互显示模块：通过Flask框架和WebSocket技术进行魔方的三维虚拟重构，使3D魔方的旋转和机器人的实际旋转动作一致，并可演示魔方打乱后的复原全过程。用户可通过手动点击、拖动显示界面或使用键盘、手柄来实现各种操作。
树莓派控制模块：采用搭载Linux系统的树莓派为主控制器，其通过USB接口与CMOS摄像头通信并控制颜色识别模块。在还原求解模块执行完的基础上，利用其特有的GPIO接口通过脉宽调制（PWM）信号控制机械臂执行具体的还原步骤。最后采用B/S模式在前端实现部分事务逻辑，并显示在LCD屏幕上。
经多次测试，我们设计制造的魔方机器人可在20s之内完整还原一次魔方。通过树莓派在魔方机器人控制技术中的应用，改变了魔方机器人的控制结构和功能，提高了机器人控制的灵活性、开放性和扩展性。
图118 基于树莓派的双臂式魔方机器人
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