立方体机器人DIY资料怎么找？

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第一部分：核心原理与方案选择

在开始动手之前,首先要理解你的机器人是如何工作的，目前主流的DIY方案主要有以下几种：

（图片来源网络，侵删）

舵机驱动（最经典、最推荐新手入门）

工作原理：使用多个舵机来转动魔方的各个层，每个舵机负责一个特定面的转动。
优点：
- 结构简单：原理直观，容易理解和实现。
- 成本较低：舵机价格便宜，容易购买。
- 社区成熟：网上有大量开源的教程、图纸和代码可供参考。
缺点：
- 速度慢：舵机转动有物理限制，速度不如步进电机。
- 精度要求高：需要精确控制舵机的角度，否则容易打乱魔方或损坏结构。
- 噪音较大：舵机工作时会有明显的“嗡嗡”声。
适用人群：强烈推荐给DIY新手，这是最容易成功走通的一条路。

3D打印步进电机驱动（更专业、性能更强）

工作原理：使用3D打印的机械爪，通过步进电机来夹住并转动魔方的层，通常需要一个中央底座和多个可以移动的机械臂。
优点：
- 速度快、精度高：步进电机可以快速、精确地定位。
- 结构酷炫：3D打印的结构可以设计得非常精美和个性化。
- 扩展性强：可以轻松升级为更复杂的机器人。
缺点：
- 技术门槛高：需要理解步进电机驱动、3D建模和打印，机械结构更复杂。
- 成本较高：步进电机、驱动器和3D打印机的成本更高。
- 需要3D打印机：这是必备的工具。
适用人群：有一定3D打印和电子基础，追求更高性能和酷炫外观的进阶玩家。

伺服电机+3D打印（舵机与步进机的折中）

工作原理：使用3D打印的机械爪，但驱动部分使用高扭矩的数字舵机（如MG996R或更高规格的舵机）。
优点：
- 性能优于普通舵机方案：扭矩和速度都有提升。
- 比步进机方案简单：不需要复杂的步进电机驱动电路。
缺点：
- 仍然需要3D打印机。
- 舵机寿命和精度可能不如步进电机。
适用人群：有3D打印能力，但不想处理步进机复杂电路的玩家。

第二部分：所需物料清单（以方案一为例）

这是最基础的物料清单,你可以根据自己的设计进行调整。

结构部分

舵机：SG90 或 MG996R 舵机，MG996R扭矩更大，更可靠，通常需要 4个或 6个。
框架/支架：
- 方案A（简单）：亚克力板、洞洞板或 3D打印件，亚克力板容易切割和钻孔。
- 方案B（推荐）：直接在网上搜索“魔方机器人 stl 文件”，找到喜欢的开源设计，然后用3D打印机打印出来，这是最方便且效果最好的方法。
连接件：M3螺丝、螺母、垫片、铜柱等。
固定件：热熔胶、AB胶或 502胶水，用于固定魔方。

电子部分

主控板：
- Arduino UNO R3：最经典、最容易上手的入门级开发板，社区支持极好。
- ESP32 / ESP8266：功能更强大，自带Wi-Fi和蓝牙，可以方便地连接手机或网页进行控制。
舵机驱动板：
- PCA9685：非常重要！ Arduino的IO口无法直接提供足够的电流来驱动多个舵机，PCA9685是一个16路PWM（脉冲宽度调制）驱动板，可以通过I2C总线用2根线控制16个舵机，是舵机机器人的标准配置。
电源：
- 5V电源适配器：最稳定的选择，直接为整个系统供电。
- 18650锂电池组：可以制作成便携电源，但需要充电管理模块。
杜邦线：公对母、母对母、公对公若干，用于连接各个模块。
其他：面包板（用于原型测试）、开关、电位器（可选，用于手动调试舵机角度）。

软件与算法部分

魔方状态识别：
- 摄像头：一个USB摄像头或树莓派摄像头模块。
- 颜色传感器：如TCS3200，通过魔方六个面的颜色来判断状态。
解算算法：
- Kociemba算法：目前最流行、效率最高的两阶段解法算法，可以在20步内找到最优解，Python库 pycuber 可以方便地调用它。
- Thistlethwaite's Algorithm：另一种经典算法。

第三部分：详细制作步骤（以方案一为例）

步骤1：设计与准备

确定设计：在GitHub、Thingiverse等网站上搜索 "DIY Rubik's Cube Robot" 或 "魔方机器人图纸"，找到你喜欢的开源设计，推荐在 GitHub 上搜索，通常能找到完整的代码和图纸。
打印/制作框架：如果你选择3D打印，下载STL文件并切片后打印，如果用亚克力板，根据设计图切割和钻孔。
准备魔方：选择一个尺寸标准、转动顺滑的磁力魔方，用AB胶或热熔胶将魔方牢固地固定在机器人的中央底座上，确保它不会在转动时松动。

步骤2：组装机械结构

安装舵机：根据设计图，将舵机安装到框架的指定位置，确保舵机的输出轴（摇臂）能够正确地接触到魔方的各个层。
安装摇臂/拨片：在舵机的输出轴上安装用来拨动魔方的塑料或3D打印的拨片，这个拨片的形状和角度非常关键，需要反复调试才能确保它能顺利拨动魔方而不会卡住。
整体组装：将所有部件用螺丝组装起来，形成一个完整的机械臂结构。

步骤3：连接电路

连接舵机驱动板：
- 将PCA9685驱动板插在面包板上。
- 将驱动板的 VCC 接到 5V 电源正极，GND 接到电源负极。
- 将驱动板的 SCL 和 SDA 引脚分别接到主控板（如Arduino UNO）的 A5 和 A4 引脚（这是I2C的标准引脚）。
连接舵机：
- 将4个（或6个）舵机的信号线（通常是橙色或黄色线）依次接到PCA9685的PWM输出引脚上（如0, 1, 2, 3通道）。
- 将所有舵机的 VCC 和 GND 并联起来，接到外部5V电源的正负极上。注意： 不要从Arduino的5V引脚为多个舵机供电，会烧毁Arduino！
连接主控板：将Arduino UNO通过USB线连接到电脑，或者用外部电源供电。

步骤4：编程与调试

安装库：
- 在Arduino IDE中，安装 Adafruit PWM Servo Driver Library 和 Adafruit BusIO 库，这是驱动PCA9685所必需的。
测试单个舵机：
- 编写一个简单的Arduino程序,让单个舵机在0-180度之间缓慢转动，检查机械结构是否干涉，舵机转动是否顺畅，拨片是否能正确拨动魔方。这是最关键的一步，务必耐心调试！
编写控制逻辑：
- 定义每个舵机对应的魔方转动动作（如U, U', F, F'等）。
- 编写一个函数,void do_U() {}，在这个函数里精确控制1号和2号舵机按顺序转动，完成U面的顺时针转动。
- 为所有基本转动动作编写类似的函数。
集成解算算法：
- 硬件连接：将摄像头连接到电脑或主控板。
- 编写识别程序：使用OpenCV等库编写程序，通过摄像头捕获魔方六个面的颜色，并将其转换成一个字符串（如 "UUUUUUUUURRRRRRRRRFFFFFFFFFDDDDDDDDDLLLLLLLLLBBBBBBBBB"），代表魔方的当前状态。
- 调用解算库：将这个状态字符串输入到 pycuber 库中，它会返回一个最优解的转动序列（如 "R U R' U'"）。
- 执行动作：将解算出的转动序列，分解成你之前定义的 do_U(), do_R() 等函数，并按顺序执行，最终还原魔方。

第四部分：推荐开源项目与资源

直接看别人的成功案例是最好的学习方式。

GitHub - Allinone-Cube-Robot (强烈推荐)
- 链接：https://github.com/muodov/Allinone-Cube-Robot
- 简介：一个非常经典和完整的Arduino魔方机器人项目，包含了详细的3D打印图纸、Arduino代码和搭建教程，非常适合新手直接参考和复制。
GitHub - OpenCV-Cube-Solver
（图片来源网络，侵删）
- 链接：https://github.com/nickgolding/opencv-cube-solver
- 简介：这个项目专注于用OpenCV进行魔方状态识别，可以为你编写识别部分提供很好的思路。
YouTube - "How to Build a Rubik's Cube Robot"

在YouTube上搜索这个关键词,有大量视频教程，可以让你直观地了解整个组装和调试过程。
Thingiverse
- 链接：https://www.thingiverse.com/
- 简介：全球最大的3D模型分享网站，搜索 "Rubik's Cube Robot" 可以找到无数免费的3D打印设计文件。