还原一个魔方需要多久？
咔咔咔魔方机器人团队将告诉你：
最快仅需4秒！
“咔咔咔”是魔方机器人转动魔方的声音
也是成电学子青春舞动的声音
日前，由马文迪、付昱文、李鲁瑜组成的咔咔咔魔方机器人队在航空航天学院方黎勇、刘磊老师指导下，荣获第六届中国高校智能机器人创意大赛全国总决赛“挑战更快魔方机器人”主题竞技赛道全国一等奖。
↑↑戳视频，看咔咔咔魔方机器人灵活的“小手指”
未雨绸缪，事半功倍
中国高校智能机器人创意大赛校内选拔、指导和组织工作由航空航天学院学科竞赛中心负责，而马文迪是该学院无人驾驶航空器系统工程专业的一名学生，正值大三的他，在学院的组织下准备参加本次比赛。
由于魔方机器人的制作涉及到机械结构，考虑到学校机电学院同学更加熟悉机械设计相关内容知识，马文迪很快便确定了组队人选——来自机械与电气工程学院机械设计制造及其自动化专业的李鲁瑜。
两人一拍即合，校内选拔赛正式报名前便开始分工着手准备，由李鲁瑜负责结构设计，马文迪负责算法、视觉和电控算法等。两人虽专业不同，但在班内都名列前茅。
校内选拔赛正式开始前，李鲁瑜已完成魔方机器人结构的建模，与此同时，马文迪完成了电控部分的调试，正努力自学比赛所需的图像视觉相关知识。
在此期间，马文迪询问了上一届队伍的队员，结合自己队伍的机械结构，提前破解了“魔方机器人”机械步骤算法的难题。目前，互联网上虽然已有“解魔方”的最优算法Kociemba，但将其转化为机械步骤，则是对选手个人能力的最大考验。
机械步骤与魔方机器人“解魔方”的时间息息相关，直接与比赛成绩挂钩。团队经过对机械步骤的优化，提高了复原魔方的时间效率，在执行效率上占据了一定的优势。
校内选拔赛主要评估选手的参赛方案和机械结构整体的预算，通过校内赛便可自由组队，因此，来自和马文迪同一专业的研一学生付昱文应邀加入两人队伍，承担硬件、电控、代码、视觉等设计上的部分工作。
至此，咔咔咔魔方机器人正式组建完成，三位成员摩拳擦掌、跃跃欲试，决定冲刺全国总决赛。
攻坚克难，精益求精
在设计方案敲定后，学院的3D打印设备也发挥了重要的作用，同学的3D模型跃然纸上。接下来是模型的拼装环节，在马文迪、李鲁瑜、付昱文的默契配合下，一台承载着希望的咔咔咔魔方机器人顺利诞生了。
在机器人中，上下左右的四个摄像头将魔方状态通过视觉信号投射到计算机；计算机先使用Kociemba算法计算出魔方解算步骤；再使用深度优先搜索算法将其转换为机械步骤；随即，由CNC金属制成的一左一右的机械臂配合PLA材料制成的手指开始灵活地转动魔方。
这是由于手指与魔方接触部分所用材料摩擦力大小不合适的缘故。在逐一尝试了橡胶、A4纸等材料后，团队的研究陷入了瓶颈：有些材料起初不合适，经过几次“磨合”试验后，终于适配成功了。但随着材料使用过程中的磨损，两者的平衡状态再次被打破。
该如何找寻到合适的材料呢？正所谓“远在天边，近在眼前”，三人另辟蹊径，将目光转向了魔方购买时的包裹材料。他们立刻更换材料进行试验，终于得到了令人惊喜的结果，开心的滋味不言而喻。
另外，在实验中团队发现机械手指夹持魔方的“倒角”同样会对魔方握持的稳定性产生影响。盲目的探索试验会浪费太多时间，于是他们虚心向上一届国奖的获奖团队请教。
在参考去年倒角参数的基础上进行微调，设置好自己的魔方机器人最为适合的倒角度数，提高魔方握持的稳定性。站在前人的肩膀上前行，这也是他们一开始就将目标瞄准国赛一等奖的底气。
握持的稳定性解决后，他们随之面对的关键问题在于如何提高机械手臂的运转速度。马文迪介绍说，他们在此创新性的使用了“时间复用”的方法，即一条手臂动作后另一条手臂在适当时间后也进行运转。
他们用视频记录下两条机械手臂运作的过程，随后逐帧调整、反复试验，最终攻克了这一难关。最后，单就还原魔方的速度来看，机器人复原魔方的最快时间达到了“4秒”。
↑↑戳视频，看咔咔咔魔方机器人比赛现场
现场比赛包括三个环节，一是将主办方提供的魔方放在魔方机器人的操纵位置，二是机器人还原魔方，三是将还原好的魔方取出、放置在指定位置。为了缩短放、取魔方的时间，三人就魔方机器人手指设计产生了分歧。
二指还是五指？马文迪、付昱文认为五指能够更好地固定魔方，但李鲁瑜持有不同意见，认为五指的较难实现。在方黎勇老师的指导下，双方就各自的优势展开详细地讨论，最终还以试验的“速度”一定胜负，确定了“二指”的方案。
一台魔方机器人从无到有，从有到精，三人团队和衷共济，共同实现了魔方机器人稳定性与速度的统一。最终，马文迪、李鲁瑜、付昱文凭借“三次零失误、平均时长不超过10秒”的成绩光荣地站在了领奖台上。
以赛促培，指导有方
在本届大赛的舞台上，由张子恩、黄冠霖、李嘉仪组成的PLANCK魔方机器人队设计的魔方机器人同样大放光彩，与咔咔咔魔方机器人共同摘下主题二竞技赛道“挑战更快魔方机器人”全国一等奖的桂冠。我校获得的一等奖数量蝉联全国第一。
自2018年以来，航空航天学院已经连续五届指导学生参与此项大赛，积累了丰富的经验。为了吸引更多学生报名和系统性学习相关知识，2022年至2023年第二学期，航空航天学院面向全校学生开设了《双臂解魔方机器人设计与实现》素质选修课程，并选派了赛事培训组织经验丰富的方黎勇老师和周娴老师担任授课教师，为本次赛事提供参赛指导和技术培训。
负责该项赛事指导工作的学科竞赛中心主任方黎勇老师分享道：”我们学院一直以来都非常鼓励和支持学生参与到国内外的学科竞赛中，专门成立了学科竞赛指导中心，负责学生赛事的指导和组织工作。”
方黎勇老师介绍，成立指导中心一方面是通过以赛促培，将课程与赛事任务结合起来，将理论知识应用到赛事实践中，激发学生自主学习和科学探索精神，培养学生解决实际工程问题的能力；另一方面，通过团队合作，相互学习，发挥各自专长，在竞赛压力下，培养学生的团队精神、沟通协调能力和领导力。
团队参加学校“新工科”课外优秀作品展
本次大赛既是航空航天学院“以赛促培”创新型人才培养模式的成果，也是我校“新工科”教育改革成果的生动体现。
我校一直以来鼓励和支持学生通过比赛巩固和检验所学知识，重视培养学生创新意识和工程实践能力，从这一培养体系下成长起来的学生也受益良多。
目前，马文迪保送至我校航空航天学院
李鲁瑜保送至西安交通大学
在追求卓越的道路上，他们脚步不停
青春因磨砺而出彩
这样的奋斗故事
正有越来越多的他们
在成电校园续写
来源：电子科技大学
