外面卖的魔方还原机器人少说也要200+

不如自己做一个！能7秒还原魔方！成本还能压缩至140元左右。

还能学习rp2040单片机控制和魔方求解算法！

魔方机器人工作原理

用两个颜色的传感器把所有棱块和角块的颜色扫一遍，用降群法寻找22步以内的求解方式，然后按照解出的结果还原。

这个过程我使用rp2040单片机控制。

关于硬件设计

1.电路设计注意事项

• 将RP2040单片机的GPIO，任意连接到步进电机驱动器、颜色传感器、霍尔传感器。
• 除了SPI、UART，其他引脚只用了GPIO，未使用其他复用功能。
• 霍尔传感器只能5V供电，RP2040单片机IO是3.3V，注意电平转换设计。
• FLASH是可选的，如果不使用FLASH，平均还原步骤数在32步左右。

2.GPIO分配方式

①步进电机使能信号

• SPEPPER_EN GP2

②步进电机控制信号

• SPEPPER_STEP0 GP11
• SPEPPER_DIR0 GP10
• SPEPPER_STEP1 GP9
• SPEPPER_DIR1 GP8
• SPEPPER_STEP2 GP7
• SPEPPER_DIR2 GP6

③霍尔开关，用于寻找零点

• HALL_0 GP5
• HALL_1 GP3
• HALL_2 GP4

④按键

• BUTTON_0 GP27
• BUTTON_1 GP28

⑤颜色传感器信号

• SDA0 GP14
• SCL0 GP15
• SDA1 GP12
• SCL1 GP13`

⑥SPI NAND FLASH信号

• CS(1) GP17
• DO(2) GP16
• DI(5) GP19
• CLK(6) GP18

关于结构设计

推荐使用ABS材料3D打印，喷嘴0.4mm，层高0.2mm，顶层5层、底层5层、外壳4圈、填充20%-40%，生成支撑。

单片机固件编译

推荐使用Linux系统进行开发。

①按照RP2040官方文档中的脚本搭建开发环境。

②完成后，可额外安装pypy3，用于计算查找表。

③生成查找表，并且进行验证（可选步骤,prog_flash目录下提供生成好的）。

④运行完成后，得到lookup.dat，文件大小大约70MB。

cd ./src_21_step/verify_on_pc
pypy3 prun.py
make
./solve

编译单片机固件

cd ./src_21_step/mcu
mkdir build
cd build
export PICO_SDK_PATH=xxxxxxxx
cmake ..
make

然后找到cube_robot.uf2。

刷写到RP2040单片机即可。

可以连接USB，使用minicom -D /dev/ttyACM0指令查看调试信息，例如：

color_detect: URUFUBDDUFRRFRDDFURLLLFUDLLLUBRDLRBFLDBDLBFFFBUBRBBRUD
Find 21 step solution in 139ms: B F' D' L' B F R B' U2 R B U2 B2 R2 U F2 D' B2 L2 U F2 
Totel time cost 7.772s: 
color_detect: UFFFURURRBDRRRDDLFBUDBFFBDFLBLLDBUBDFURLLRBUDUDLLBFRUL
Find 19 step solution in 95ms: F L2 B' R' L2 B L' B' F' D B2 D F2 D U B2 F2 L2 B2 
Totel time cost 7.575s:

刷写SPI NAND FLASH

连接电脑和RP2040的串口，注意线一定要短，波特率高达1Mbps。

按住BUTTON_0的同时给魔方机器人上电，程序会计算NAND FLASH的CRC32校验和。

如果失败，自动进入刷写模式。

cd ./src_21_step/prog_flash
make
./prog /dev/ttyS0 # /dev/ttyS0改为电脑的串口号

运行prog的电脑终端出现如下调试信息，说明刷写成功。

mcu in SPI FLASH programming mode
Check lookup.dat CRC32 = A8093698
0, size=131072
Erase Block 0
Program Block 0 ................................................................
Verify Block CRC32 0................................................................
此处省略若干行...
Erase Block 565
Program Block 565 ................................................................
Verify Block CRC32 565................................................................

装配与调试参考参考资料。

参考资料：

[1]https://oshwhub.com/hemn/third-order-rubiks-cube-restore-robot

— 完 —

嘉立创EDA·头条号

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