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目前魔方机器人的机械结构主要有类人双臂式和四轴旋转式2种类型，相比较之下，类人双臂式的魔方放机器人结构更为简单，控制系统协调度更高，成本更低。该魔方机器人复原过程需要2只机械手同时工作，相互配合运动来完成相应复原转动的动作。为使机械手能够互相独立工作，做回转运动时互不干扰，机械手需满足手臂的中心线在同一平面且垂直，故机械臂采用双臂交叉正交结构，分别在魔方的两侧斜45°向上，从两侧支撑魔方。两机械手通过“M”形框架装夹固定在与水平桌面形成45°夹角的平面上，完成机械手臂以及夹爪的相应动作。

1.“M”形框架设计

框架决定了机械手配合的平稳性和协调性，因此在设计的过程中应用三角形的稳定性，决定将机械手对位斜45°放置。安置机械手、步进电机、舵机的框架呈“M”形。这样的框架既能合理分担承重，又不会因机械手动作的振动而产生位移，相对稳定。

“M”形框架效果图与实物图

2.机械手结构设计

对于抓取魔方的机械手设计，传统的魔方还原机器人多选用五指结构，但其结构复杂，稳定性差，本文设计的魔方还原机器人采用二指结构，力量调节更方便，结构更简单，自身转动惯量较小，质量分布较均匀，更适合一边转动一边抓取。

如下图为本文设计的二指机械手。由于两个指尖的形状和材质会严重影响魔方还原速度，我们对机械手指采用ug软件进行了多版设计和3D打印，并确定了最终方案，机械手指内侧设还计了防滑纹，从两侧支撑魔方，从而减小因魔方自重在转动过程中产生的误差，保证机械手在夹取和松开时，魔方的准确位置。

机械手设计过程

3器件的选型

根据设计要求，步进电机经联轴器连接机械手使其随输出轴顺、逆时针°旋转；舵机顺、逆时针°旋转带动一字摆臂使机械手手指松开或夹紧；具体的器件选型如下：

3.1步进电机的选型

步进电机相对于其它控制用途电机的最大区别是，它接收数字控制信号（电脉冲信号）并转化成与之相对应的角位移或直线位移，它本身就是一个完成数字模式转化的执行元件。机器人采用步进电机链接联轴器驱动机械手旋转。步进电机参数的选择主要考虑该机构框架尺寸以及步距角的大小。

步进电机步进电机主视图

步进电机参数表

3.2舵机的选型

舵机的主要参数

舵机

3.4整体框架的零件

本文设计的魔方机器人框架搭建所需的零件主要采用探索者Rob-01提供的零件，然后根据所设计的结构进行组装搭建。

零件明细表框架效果图

3.5单片机控制板

单片机控制板、扩展板如图所示：

Basra控制板Bigfish扩展板SH-ST扩展板

3.6结构制作过程

前后的整体结构共设计了两版。如下左图为第一版，右图为第二版。由于第一版结构对两只机械手的平衡配合产生了较大影响，所选取的探索者配套摄像头精度也有瑕疵。最终采用了辅助方案第二版。两只机械手配合灵活，执行力较强。

前后两版的整机造型

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