三阶魔方还原机器人

三阶魔方还原机器人

https://gitee.com/hemn1990/rubiks-cube-robot

介绍

低成本魔方机器人设计。 含原理图、PCB、单片机源码（c语言）、结构图（openSCAD格式/STL格式）、主要器件BOM。 使用rp2040单片机控制，控制和魔方求解都使用单片机完成。 对于随机打乱的魔方，平均还原步骤数在21步左右，最坏情况22步。

V2.0版本更新内容：
1.提供原理图和PCB。
2.解决滑台卡扣寿命短、容易断裂或者松动的问题，改为磁力固定。
3.支持使用手机或者电脑的Type-C充电器供电。
4.解决魔方夹持结构在长时间使用后容易松动、以及异常条件下可能断裂的问题。
5.优化霍尔开关安装方式，简化安装步骤。
6.解决棘轮结构噪声特别大的问题。
7.提供详尽的装配教程，适合新手看的那种。
8.完善物料清单。
9.补充性能测试数据。

后续计划更新：
1.优化固件刷写速度。（待进行）

V1.0版本演示视频：video/VID_20220618_165444.mp4
V1.1版本（21步版本）的演示视频：http://www.bilibili.com/video/BV1Qt4y1476Y?share_medium=android&share_source=copy_link&bbid=XYF29BCF6DF22C72C26DED32037959465ED97&ts=1657889031274
V2.0版本的演示视频：https://b23.tv/s6q7KzU
装配与调试教程：
（1）控制板调试 https://b23.tv/Xj93aZk
（2）魔方的选购 https://b23.tv/2x8Be0n
（3）机械部分的组装 https://b23.tv/huJY1xt
（4）整机调试 https://b23.tv/o8LBCXT

关于硬件设计

2023-12-25更新：新增原理图与PCB设计文件
2022-07-07更新：SPEPPER_EN修改为GP2，添加SPI NAND FLASH 型号W25N01GVZEIG
2022-07-10更新：按键由GP0,GP1改为GP27,GP28)只修改了./src_21_step

将RP2040单片机的GPIO，任意连接到步进电机驱动器、颜色传感器、霍尔传感器即可。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。
参考GPIO分配方式如下：

步进电机使能信号

• SPEPPER_EN GP2

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

霍尔开关，用于寻找零点

• HALL_0 GP5
• HALL_1 GP3
• HALL_2 GP4

按键

• BUTTON_0 GP27
• BUTTON_1 GP28

颜色传感器信号

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

SPI NAND FLASH信号

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

关于结构设计

1、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(./src_21_step,平均还原步骤数在21步左右的版本)

推荐使用Linux系统进行开发，可按照RP2040官方文档中的脚本搭建开发环境。
完成后，可额外安装pypy3，用于计算查找表。（此步骤可省略，提供生成好的）
Windows也行，不过我没验证过。

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）

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................................................................

单片机固件编译(./src,平均还原步骤数在32步左右的版本，硬件上不需要外挂1Gbit FLASH)

此版本不再维护，慎用
推荐使用Linux系统进行开发，可按照官方文档中的脚本搭建开发环境。
Windows也行，不过我没验证过。

搭建好之后

cd src
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: FLDFUUUDBDLRURRFDLBFRDFBFLRDDURDBBUBLURBLRLBLFFUFBLDRU
stage=0, D' B U' L F' 
stage=1, B2 R2 U2 F2 D R' L' U L' 
stage=2, R2 D' F2 D2 R2 D R2 D' B2 D' 
stage=3, B2 R2 U2 B2 U2 L2 U2 L2 F2 R2 B2