三階魔方還原機(jī)器人

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這是一款基于樹莓派RP2040單片機(jī)設(shè)計(jì)的三階魔方還原機(jī)器人，控制和魔方求解都使用單片機(jī)完成。對(duì)于隨機(jī)打亂的三階魔方，平均還原步驟數(shù)在21步左右。

當(dāng)前V2.0版本，可實(shí)現(xiàn)7秒還原三階魔方。

全部資料現(xiàn)已開源，含原理圖和PCB、單片機(jī)源碼（C語言）、結(jié)構(gòu)圖（openSCAD格式/STL格式）、主要器件BOM等。

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項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)原理

本項(xiàng)目無需攝像頭，使用兩個(gè)顏色傳感器把所有棱塊和角塊的顏色掃一遍，用降群法尋找22步以內(nèi)的求解方式，然后按照解出的結(jié)果還原。

慢動(dòng)作來看下：

注意：按照一定規(guī)律旋轉(zhuǎn)魔方，使所有的面都經(jīng)過顏色傳感器至少一次。除了棱塊和角塊，還需要中心塊的顏色信息，當(dāng)前項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)掃描不到中心塊，所以安裝魔方時(shí)需要固定中心塊方向。

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項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)

硬件設(shè)計(jì)——將RP2040單片機(jī)的GPIO，任意連接到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、顏色傳感器、霍爾傳感器即可。除了SPI、UART，其他引腳只用了GPIO，未使用其他復(fù)用功能。

注意：霍爾傳感器只能5V供電，RP2040單片機(jī)IO是3.3V，需要電平轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)。FLASH是可選的，如果不使用FLASH，平均還原步驟數(shù)在32步左右。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)——推薦使用ABS材料3D打印，噴嘴0.4mm，層高0.2mm，頂層5層、底層5層、外殼4圈、填充20%-40%，生成支撐。

固件編譯——推薦使用Linux系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，可按照RP2040官方文檔中的腳本搭建開發(fā)環(huán)境。相關(guān)源碼及文件，參見最新開源資料鏈接。

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項(xiàng)目成本參考

不算加工成本，單純物料成本，一臺(tái)200元左右。

主板上的主要物料：

PCB量少有免費(fèi)途徑，量大了估計(jì)一兩塊錢；三個(gè)散熱器1.5元左右，晶振0.3元左右，Type-C座0.38元，RP2040單片機(jī)3.91元，三片HR4988 6.24元，W25Q16 0.9元，AMS1117 0.3元，CH224K 1.1元，W25N01 5.5元。其他料都很便宜，但是沒法只買少量，最后都會(huì)剩很多。總成本應(yīng)該在30元之內(nèi)。

整機(jī)物料：

三個(gè)步進(jìn)電機(jī)72元，帶磁力魔方20元左右，兩個(gè)方形鍋磁9.4元，4010風(fēng)扇7元，三個(gè)霍爾一兩塊錢，兩個(gè)顏色傳感器模塊27元，一個(gè)法蘭聯(lián)軸器2.8元，鋁條幾塊錢（如果能自己加工很便宜，如果沒條件定制加工的話可能會(huì)非常貴，不如多3D打印幾個(gè)合算）。ABS耗材280g左右，耗材本身換算下來10元左右，如果沒有3D打印機(jī)去定制的話0.2元/g左右。其他小件不好算，也不貴。總成本應(yīng)該在170元之內(nèi)。

配件：

電源隨便找一個(gè)就行，12-20V之間，建議2A以上，玩電子的基本上都有。如果是支持PD的Type-C充電器，插上也可以直接用。其他的接線時(shí)須注意正負(fù)。

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最新開源資料

三階魔方還原機(jī)器人項(xiàng)目全部資料開源——機(jī)械結(jié)構(gòu)圖、電路板原理圖、電路板PCB、程序源代碼、整機(jī)BOM，裝配調(diào)試視頻教程全都有。

審核編輯：劉清