畢業(yè)設(shè)計開題報告-基于STM32單片機(jī)的魔方機(jī)器人設(shè)計

青島理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告題目名稱：基于STM32單片機(jī)的魔方機(jī)器人的設(shè)計學(xué)院：機(jī)電學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動化學(xué)生姓名：XXX學(xué)號：XXX指導(dǎo)教師：XXX職稱：教授2019年12月17日畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告選題依據(jù)：隨著機(jī)器人技術(shù)，計算機(jī)科學(xué)、計算機(jī)視覺等領(lǐng)域的發(fā)展，智能機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用范圍和價值得到了廣泛的關(guān)注和改進(jìn)，已成為世界當(dāng)今高科技領(lǐng)域炙手可熱的熱門話題。近年來智能機(jī)器人逐漸走進(jìn)人類的日常生產(chǎn)和生活，而解魔方機(jī)器人因其無與倫比的趣味性和炫酷的交互性，成為人工智能的研究熱點。解魔方機(jī)器人因其結(jié)合計算機(jī)視覺識別技術(shù)、圖像預(yù)處理技術(shù)、機(jī)器人過程控制技術(shù)、虛擬現(xiàn)實交互、魔方快速復(fù)原算法等多學(xué)科知識，因此要想實現(xiàn)一個對解魔方機(jī)器人快速穩(wěn)定的解決方案，具有很大的挑戰(zhàn)性。本次魔方機(jī)器人的設(shè)計制作在魔方復(fù)原的原理方面采用前人從未采用過的彳亍法盲擰復(fù)原。顏色識別系統(tǒng)識別顏色后，按照一定順序，逐塊復(fù)原魔方棱塊角塊。如果日后在各個機(jī)器人編程魔方教育機(jī)構(gòu)普及，不僅僅是對青少年編程能力、動手制作能力的考驗，更是可以在學(xué)習(xí)過程中了解魔方盲擰復(fù)原原理，進(jìn)而實現(xiàn)三個維度同時發(fā)展。1.國內(nèi)外現(xiàn)狀（1）國外現(xiàn)狀自1977年首批魔方產(chǎn)品在匈牙利問世后，魔方的研究的隊伍便迅速擴(kuò)大，許多魔方熱愛人士甚至包括數(shù)學(xué)家們在內(nèi)都被魔方的魔力所吸引而加入其中。1978年，芬蘭首都赫爾辛基舉行的一次數(shù)學(xué)家國際代表會上，魔方正式出現(xiàn)在數(shù)學(xué)家眼中，英國隨后出現(xiàn)關(guān)于魔方復(fù)原理論的研究小組。截至目前為止，WCA(WorldCubeAssociation)公布的官方數(shù)據(jù)中，三階速擰世界紀(jì)錄是：單次3.47s，平均5.53s，前者由來自中國的杜宇生保持，后者由來自澳大利亞的FeliksZemdegs保持。盲擰世界紀(jì)錄是15.50s，由美國的MaxHilliard保持。魔方的解法還有很多種不同的玩法，例如入門級的層優(yōu)先法、角位置優(yōu)先法和利用計算機(jī)算法解魔方的ThistlethwaiteMethod。世界上許多專業(yè)玩家都將解魔方的各種方法作為研究方向，追求能夠?qū)崿F(xiàn)用最少的步驟把魔方復(fù)原，通過引進(jìn)現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)，研究開發(fā)智能機(jī)器人解魔方技術(shù)的解決方案。2010年10月，機(jī)器人Cubinator18.2秒內(nèi)成功還原魔方；澳大利亞墨爾本斯威本科技大學(xué)研制的機(jī)器人Ruby破解魔方僅10.18秒破紀(jì)錄；丹麥的樂高品牌開發(fā)的面向青少年教育的魔方機(jī)器人也可在40S左右完成三階魔方的六面復(fù)原。（2）國內(nèi)現(xiàn)狀目前，在中國國內(nèi)，中國科技大學(xué)開發(fā)的魔方機(jī)器人自動解決方案可以在80秒之內(nèi)完成任意混亂狀態(tài)魔方的復(fù)原；魔方品牌GAN在2019年發(fā)布了智能魔方以及與之匹配的魔方機(jī)器人，可以通過藍(lán)牙連接手機(jī)APP，并且實時的在APP內(nèi)查看到魔方的狀態(tài)。是全球第一款實現(xiàn)量產(chǎn)的消費(fèi)級魔方機(jī)器人與智能魔方。國產(chǎn)魔方的性能在世界范圍內(nèi)得到非常高的認(rèn)可，世界排名前100名的選手全部使用國產(chǎn)魔方。魔方機(jī)器人方面中國的研究水平也處于世界前列。2.發(fā)展趨勢近些年來，魔方機(jī)器人在世界范圍內(nèi)掀起不少熱搜，根據(jù)國內(nèi)外魔方機(jī)器人的研究現(xiàn)狀來分析，作為智能化技術(shù)代表的機(jī)器人已經(jīng)成為科普的必備展品。魔方機(jī)器人集感知與識別、交互與控制、人機(jī)協(xié)作等多種形式于一身，展示智能化的同時，將理論知識與實踐相結(jié)合，它以有趣的形式呈現(xiàn)給觀眾，寓教于樂生動地向觀眾呈現(xiàn)深刻的理論，它不僅反映了理論研究的價值，也實現(xiàn)了科學(xué)傳播的效果，對社會的發(fā)展與進(jìn)步有著深遠(yuǎn)的影響。魔方機(jī)器人在速度方面不斷提升，達(dá)到了并遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人類目前所能復(fù)原的極限。在價格以及制造成本方面正在朝著更加親民的方向發(fā)展，做到人人想買，人人可買的水平。魔方機(jī)器人與人之間的互動越來越多，越來越智能化，可以讓更多的普通人、零魔方基礎(chǔ)的人有興趣、低門檻的加入到這個行業(yè)內(nèi)。面向人群逐漸的從專業(yè)高學(xué)歷人群向著低齡的青少年邁進(jìn)。這使得行業(yè)內(nèi)的良性競爭增多，從而能夠開發(fā)生產(chǎn)出更好的產(chǎn)品。3.應(yīng)用價值伴隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的不斷上升，科普不僅是普及科學(xué)知識、公民科學(xué)素質(zhì)的提高等方面，還包括傳播科技行業(yè)知識、宣傳科技成果以及科學(xué)技術(shù)產(chǎn)業(yè)對文化的重要影響?，F(xiàn)代技術(shù)越來越轉(zhuǎn)向智能化發(fā)展。本設(shè)計主題結(jié)合魔方的科學(xué)性、趣味性和互動性等特點，以此滿足青少年的學(xué)習(xí)需要，通過在展示魔方機(jī)器人的恢復(fù)過程，滿足熱愛科學(xué)領(lǐng)域的青少年需求，并受到青少年的喜愛。同時，提出采用結(jié)合交互式和多形式的魔方操作演示系統(tǒng)，為滿足不同地域需求，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化和模塊化設(shè)計，方便在不同場所的安裝和調(diào)試。作為一款商教兩用的設(shè)計，其用途廣泛。既可以作為以機(jī)器人為主體展示的智能機(jī)器性展覽，也可以作為科教的熱門產(chǎn)品。本課題的研究與開發(fā)成果可以帶來很好的經(jīng)濟(jì)效益，有著可觀的市場前景。二、研究內(nèi)容1．主要研究內(nèi)容、目標(biāo)及擬解決的關(guān)鍵問題（1）研究內(nèi)容①功能設(shè)計：魔方機(jī)器人通過STM32單片機(jī)控制8個舵機(jī)，獨(dú)立完成魔方的抓取、轉(zhuǎn)體、以及單個面的旋轉(zhuǎn)等功能。通過顏色識別程序掃描魔方狀態(tài)，實時傳輸給單片機(jī)，了解魔方復(fù)原過程，控制舵機(jī)進(jìn)行對應(yīng)的轉(zhuǎn)動，從而復(fù)原魔方；②機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計：機(jī)械部分首先通過CAD軟件畫出機(jī)械抓手、支架等單個部件的雕刻圖，使用雕刻機(jī)雕刻。材料選擇亞克力有機(jī)玻璃作為主要材料。另外使用四組滑軌滑塊用來控制機(jī)械臂的前進(jìn)與后退，從而控制是否握持；③硬件設(shè)計：硬件電路設(shè)計部分包括STM32配置電路部分、電源部分、舵機(jī)控制部分等；④軟件設(shè)計：軟件部分包括STM32控制主程序、不同模塊的子程序和各個模塊的子程序等；⑤設(shè)計完成后用AltiumDesigner10軟件畫出系統(tǒng)電路的原理圖進(jìn)行實物制作調(diào)試；系統(tǒng)測試：利用測試環(huán)境對設(shè)計的終端進(jìn)行測試，統(tǒng)計測試結(jié)果改進(jìn)監(jiān)測終端。（2）研究目標(biāo)設(shè)計出一款可以將任何混亂程度的三階魔方還原的魔方機(jī)器人，相對于以往的魔方機(jī)器人，在多個方面做出優(yōu)化設(shè)計，使得機(jī)器人在穩(wěn)定性和復(fù)原魔方的快速性方面達(dá)到更好的效果，通過顏色識別程序掃描魔方狀態(tài)，實時傳輸給單片機(jī)，了解魔方復(fù)原過程。通過STM32單片機(jī)控制8個舵機(jī)，獨(dú)立的完成魔方的抓取、轉(zhuǎn)體、以及單個面的旋轉(zhuǎn)等功能。對于精度要求極高的機(jī)械部分，采用亞克力雕刻組裝來完成。最終可以成功的復(fù)原任意打亂的魔方。（3）擬解決的關(guān)鍵問題①使8個舵機(jī)的誤差控制在5°以內(nèi)，以及使機(jī)械部分精度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)；②魔方復(fù)原方法的程序設(shè)計。2．?dāng)M采取的研究方法、技術(shù)路線、實施方案及可行性分析（1）研究方法查閱相關(guān)文獻(xiàn)，了解國內(nèi)外魔方機(jī)器人的現(xiàn)狀，確定研究方案。（2）技術(shù)路線查閱相關(guān)文獻(xiàn)確定研究方向查閱相關(guān)文獻(xiàn)確定研究方向完成硬件電路設(shè)計及元器件的選型熟悉軟件，完成軟件程序設(shè)計進(jìn)行實物設(shè)計與制作對設(shè)計的終端進(jìn)行測試（3）實施方案先通過STM32與APP的協(xié)作，得到魔方的打亂狀態(tài)。然后讀取魔方的狀態(tài)分布，通過算法處理得到復(fù)原公式，然后通過STM32控制舵機(jī)執(zhí)行操作，從而復(fù)原魔方。（4）可行性分析在此之前國內(nèi)外研究魔方機(jī)器人已經(jīng)有一段的時間并且取得了相應(yīng)的成果，因此基于單片機(jī)的魔方機(jī)器人具有很大的現(xiàn)實可行性。我在教育機(jī)構(gòu)任職過程中學(xué)習(xí)到與魔方、編程、機(jī)械有關(guān)知識經(jīng)驗，我在學(xué)校單片機(jī)原理及控制技術(shù)、C語言、電力電子技術(shù)等專業(yè)課的課程設(shè)計中，積累了一定的實踐經(jīng)驗，為本次畢業(yè)設(shè)計的完成奠定了較好的基礎(chǔ)。三、研究計劃及進(jìn)度安排起止時間主要內(nèi)容預(yù)期目標(biāo)2019.11.25-2019.12.162019.12.17-2020.1.142020.3.2-2020.4.82020.4.9-2020.4.222020.4.23-2020.5.62020.5.7-2020.5.29在查閱文獻(xiàn)、深入企業(yè)現(xiàn)場考察、廣泛調(diào)研后，確定本設(shè)計的總體設(shè)計方案與結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)學(xué)習(xí)單片機(jī)及其他元器件配套使用的相關(guān)知識，完成機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計；完成魔方機(jī)器人硬件電路的設(shè)計，編寫出程序代碼，完成軟件設(shè)計，寫出論文初稿；完成論文終稿，完成論文重復(fù)率的自查；將論文及相關(guān)材料匯總提交，準(zhǔn)備答辯PPT；進(jìn)行論文答辯及后續(xù)的材料完善工作。確定研究路線，設(shè)計方案；熟悉相關(guān)知識，完成機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計；初步完成論文初稿，順利通過中期檢查；完成論文終稿；修改完善論文，準(zhǔn)備答辯；順利通過答辯。四、主要參考文獻(xiàn)[1]宋紅剛.基于STM32的桁架機(jī)械手控制器設(shè)計[D].沈陽:沈陽工業(yè)大學(xué).2017．

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