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
原理图
PCB图 PCB可采用嘉立创EDA免费打板
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：
https://oshwhub.com/hemn/third-order-rubiks-cube-restore-robot— 完 —
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