解三阶魔方智能机器人系统的设计与研究

发布时间：2022-04-27 21:38

　　智能机器人技术的发展是现阶段世界各国高科技研究领域十分关注的热点课题。智能机器人现在各行各业有着广泛的应用,发挥着极其重要的作用。解三阶魔方智能机器人是一个机械、电子、信息和计算机等多学科知识综合运用的智能机器人系统,制作一个解算魔方更快、翻转动作更加灵活迅速、稳定性更好的智能魔方机器人系统具有极大的挑战性。本文设计一款可以将任意打乱三阶魔方进行复原的两臂二指智能魔方机器人。本课题的研究工作主要有三个部分,一是对三阶魔方的基本结构,转动性质,以及复原三阶魔方的算法进行详细的分析与研究,将魔方的转动以数学的形式描述与表达;二是对三阶魔方的颜色特征分析与识别;三是设计一个类似人手的机械结构实现魔方自动复原。本课题魔方的颜色识别是基于RGB彩色模型获取魔方表面的颜色特征,为有效减少外部环境的光照强度对魔方颜色识别的干扰,提高颜色识别的正确率,本课题采用KNN分类算法对颜色特征进行分类。在魔方解算方面,本文采用现阶段世界上解算魔方步数最少的Kociemba算法,目前是计算机求解魔方复原路径最主流的算法,解算三阶魔方的时间为ms级。另外,对Kociemba算法得到的复原指系统的基础上进行优化,比... 

【文章页数】：104 页

【学位级别】：硕士

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致谢
摘要
ABSTRACT
1 绪论
    1.1 引言
    1.2 课题研究目的和意义
    1.3 机器人与魔方的研究现状与发趋势
        1.3.1 智能机器人的研究现状
        1.3.2 魔方的研究现状
        1.3.3 魔方机器人的研究现状
    1.4 本课题的主要创新点
    1.5 本文主要内容
2 魔方与数学建模
    2.1 魔方研究基本情况构造
        2.1.1 魔方的物理结构
        2.1.2 魔方的数学构造
    2.2 魔方的数学描述
        2.2.1 魔方复原的转动描述
        2.2.2 魔方状态的描述
        2.2.3 块位坐标和色位坐标
    2.3 魔方的数学建模
        2.3.1 魔方的转动矩阵
        2.3.2 魔方的转动方程
        2.3.3 转动方程举例
    2.4 魔方的镜像处理与右手化处理
        2.4.1 镜像处理与镜像还原
        2.4.2 右手化处理与例程
    2.5 本章小结
3 魔方初始状态视觉识别
    3.1 魔方图像采集
        3.1.1 摄像头及采集卡
        3.1.2 魔方图像采集的实现
    3.2 魔方图像预处理
    3.3 彩色模型
        3.3.1 RGB彩色模型
        3.3.2 HSI彩色模型
        3.3.3 RGB与 HSI相互转化
        3.3.4 颜色特征采集与彩色模型选用
    3.4 基于KNN算法颜色识别
        3.4.1 KNN算法概述
        3.4.2 关于距离的选择
        3.4.3 数据集分类
    3.5 本章小结
4 魔方的复原算法设计
    4.1 复原魔方的经典算法分析
        4.1.1 CFOP算法
        4.1.2 角先法
        4.1.3 层先法
    4.2 计算机复原魔方的算法分析
        4.2.1 Thistlethwaite算法
        4.2.2 Kociemba算法
    4.3 魔方复原算法的设计与计算机实现
    4.4 本章小结
5 魔方机器人机械结构及控制系统设计
    5.1 魔方机器人机械手臂的运动学分析
        5.1.1 空间刚体的位置描述
        5.1.2 物体的姿态变换表示
        5.1.3 机械手运动学分析
    5.2 机器人机械结构设计与分析
        5.2.1 机器人执行机构设计
        5.2.2 机械臂驱动方式选择
        5.2.3 机械臂的主要驱动分析
    5.3 上位机控制系统设计
        5.3.1 控制系统的组成
        5.3.2 魔方视觉识别系统
        5.3.3 魔方复原算法与复原指令系统的优化
    5.4 下位机控制系统设计
        5.4.1 执行控制程序设计
        5.4.2 电机启动与停止加减速控制设计
        5.4.3 S型加减速曲线的离散化方法
        5.4.4 S型加减速控制程序实现
        5.4.5 系统测评实验
    5.5 本章小结
总结与展望
    总结
    展望
参考文献
附录1 下位机控制程序(部分)
附录2 上位机算法程序
作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]步进电机加减速控制新方法的研究[J]. 樊留强,惠延波,王莉.  电机与控制应用. 2017(03)
[2]魔方中的数学[J]. 孙峰.  初中生世界. 2015(05)
[3]服务机器人技术研究现状与发展趋势[J]. 王田苗,陶永,陈阳.  中国科学:信息科学. 2012(09)
[4]基于肤色HSV彩色模型下的人脸检测[J]. 刘萌.  商洛学院学报. 2012(02)
[5]RGB颜色空间新的色差公式[J]. 顿绍坤,魏海平,孙明柱.  科学技术与工程. 2011(08)
[6]S曲线加减速控制新算法的研究[J]. 张碧陶,高伟强,沈列,阎秋生.  机床与液压. 2009(10)
[7]S曲线加减速控制新方法的研究[J]. 李晓辉,邬义杰,冷洪滨.  组合机床与自动化加工技术. 2007(10)
[8]步进电机速度控制的研究与实现[J]. 徐煜明.  工矿自动化. 2007(02)
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硕士论文
[1]魔方机器人控制系统的设计与实现[D]. 向腊.湖南大学 2016
[2]基于激光三角法的物料体积计量方法研究[D]. 李汉超.合肥工业大学 2015
[3]基于LEGO平台的智能解魔方机器人系统研究与实现[D]. 李海龙.东北大学 2015
[4]解魔方算法的研究和系统实现[D]. 梁小龙.东北大学 2013
[5]基于机器视觉的马铃薯自动检测分级研究[D]. 王泽京.甘肃农业大学 2011
[6]智能魔方机器人的视觉感知与复原算法研究[D]. 张雪娇.东北大学 2011
[7]魔方原理及其应用[D]. 郑瑜.浙江大学 2009
[8]车辆牌照自动识别系统[D]. 郭娟.东北大学 2005



本文编号：3649200