基于树莓派RP2040单片机设计的三阶魔方还原机器人

三阶魔方还原机器人

- 开源分享 -

这是一款基于树莓派RP2040单片机设计的三阶魔方还原机器人，控制和魔方求解都使用单片机完成。对于随机打乱的三阶魔方，平均还原步骤数在21步左右。

当前V2.0版本，可实现7秒还原三阶魔方。

全部资料现已开源，含原理图和PCB、单片机源码（C语言）、结构图（openSCAD格式/STL格式）、主要器件BOM等。 

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项目实现原理

本项目无需摄像头，使用两个颜色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。

慢动作来看下：

注意：按照一定规律旋转魔方，使所有的面都经过颜色传感器至少一次。除了棱块和角块，还需要中心块的颜色信息，当前项目的结构扫描不到中心块，所以安装魔方时需要固定中心块方向。

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项目实现要点

硬件设计——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。

注意：霍尔传感器只能5V供电，RP2040单片机IO是3.3V，需要电平转换设计。FLASH是可选的，如果不使用FLASH，平均还原步骤数在32步左右。

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。

固件编译——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。相关源码及文件，参见最新开源资料链接。

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项目成本参考

不算加工成本，单纯物料成本，一台200元左右。

主板上的主要物料：

PCB量少有免费途径，量大了估计一两块钱；三个散热器1.5元左右，晶振0.3元左右，Type-C座0.38元，RP2040单片机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，但是没法只买少量，最后都会剩很多。总成本应该在30元之内。

整机物料：

三个步进电机72元，带磁力魔方20元左右，两个方形锅磁9.4元，4010风扇7元，三个霍尔一两块钱，两个颜色传感器模块27元，一个法兰联轴器2.8元，铝条几块钱（如果能自己加工很便宜，如果没条件定制加工的话可能会非常贵，不如多3D打印几个合算）。ABS耗材280g左右，耗材本身换算下来10元左右，如果没有3D打印机去定制的话0.2元/g左右。其他小件不好算，也不贵。总成本应该在170元之内。

配件：

电源随便找一个就行，12-20V之间，建议2A以上，玩电子的基本上都有。如果是支持PD的Type-C充电器，插上也可以直接用。其他的接线时须注意正负。

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最新开源资料

三阶魔方还原机器人项目全部资料开源——机械结构图、电路板原理图、电路板PCB、程序源代码、整机BOM，装配调试视频教程全都有。

审核编辑：刘清