23 / 06 / 13
在团队经过创新工坊魔方机器人项目组长达半年的研究后，我们提出，魔方机器人的三大劲敌是分层、滑动、对心。这三大问题是桎梏魔方机器人无法提高速度、降低魔方机器人还原完成率、导致运行失败的三大敌人。解决这三个问题，魔方机器人的还原完成率、速度上限等都能达到一个新的高峰。本文将对现有的三大问题出现的原因、与之相关的因素、现有的解决方案以及可能的解决方案进行详尽的分析与总结。
分层问题是困扰魔方机器人的最大恶魔、难解之谜题。分层问题指的是还原过程中，由于电机高速反复运转对魔方带来的冲量导致魔方受控层与非受控层中间出现滑动的情况，导致下一步解算时机械爪出现夹歪或者拧碎的问题。该问题主要出现在单爪夹持魔方、另一爪松开，并进行旋转的情况下。由于赛方提供的魔方较新且具有结构松散的情况（也许进行了松紧度调整），该情况尤为严重。若魔方非常紧，则该症状会得到减少。
在2023年浙江省省赛中，浙江大学使用的气动魔方机器人在首日调试时跑出了7秒的绝佳成绩。但是在比赛场上，该机器由于分层问题，在三次比赛机会内破坏了两次、甩飞了一次，导致该组直接失去继续比赛的资格。可见，分层问题对魔方机器人极速的威胁之大。
对比同场比赛的温州商学院。由于使用了创新性的防分层夹持结构，该组一反既往比赛颓势，以9秒的好成绩拿下比赛第一的宝座。从此看来，针对分层问题进行解决就是提升机器上限的尚方宝剑。
参考了目前流行（包括我方）的分层问题应对方案，包括以下几个思路：
1. 修正
在魔方出现分层问题时，通过夹持时的机械结构进行修正。比如温州商学院使用的平夹固定的方法，通过平夹的绝对水平运动面控制魔方的绝对水平面。当然了，在魔方分层角度超过45°、或者出现下滑等问题时，该方案就有失效的可能。
2. 保持
通过限位结构，将原本的非受控层变为受控层，从而减少分层问题。比如一侧手爪夹持两层，或者针对单一动作（分层动作）时进行控制。该方式较修正更加有效。但同时，技术难度也直线上升。
3. 调速
该方法不从机械结构主动解决分层问题。根据实践经验测试，轻微（约为5°~6°）的分层会被机械爪主动修正。通过电机动作曲线（如S型曲线）的速度控制的分层的角度的极限态。该方法被认为是一个中庸规避的方法。
滑动问题指的是在单爪平行夹持时，魔方下滑的问题。魔方下滑同样会导致夹持位置错误，导致魔方飞出或被拧碎。在实际运行过程中，该问题常常以积累的方式表现，并导致机器在运行一定长度的步骤后雪崩。
参考了目前流行（包括我方）的滑动问题应对方案，包括以下几个思路：
1. 修正
通过机械结构进行修正。主要使用手指下方的坡道导引结构，在夹持时挤压引导魔方回到正确位置。与分层问题一样，当魔方下滑超过坡道引导长度后，坡道顶端就会对魔方造成挤压，最终导致严重事故。
2. 特殊材质
在夹持位置使用特殊材料也是一种主流的解决方法。特殊材料主要为防滑材料，如鼠标垫、汽车防滑垫（轮胎）、硅胶等。使用特殊材质的优点在于获得渠道方便、更换简单。而同时也存在材料表面耗损、受温湿度影响大等问题。
以2023浙江省竞赛为例，我组使用的硅胶垫由于现场温度较高的原因，出现了融化变粘的问题。同样在对专家展示前期，我组发现调试环境的高湿度导致鼠标垫吸水性能变差。同时，特殊材料还在调试中出现粘在魔方表面或被弹出等问题。这些例子都说明了特殊材质的缺点。
3. 夹持力度
项目组在研究中发现，滑动问题与夹持力度也有关。在相同的摩擦系数下，我组使用的双电磁初号机与旧气动机器人相对与使用单电磁铁的零号机和原型机更少出现滑动问题。这证明了夹持力度也与滑动问题有关。通过增加力度或是传动机构（如减小空夹时两爪间距）来增加魔方受力也是一种方式。
4. 改变角度
改变夹持角度同样是有效的减少滑动方式。根据小组研究，我们认为对比目前的ZX面45°夹持方法，XY面夹持方法（旧气动）与ZX轴垂直夹持方法（未成形的13号机）都能够从受重力方向上减少滑动影响。
5. 调速
与分层不同。滑动问题在低速的情况下出现得尤为严重。爪子静止态持续时间越长，滑动问题就出现得越严重。要防止滑动问题，首先需要防止电机速度低于某个下限。
对心主要分为对轴问题和调平问题。
对轴问题指的是两爪对称轴是否对齐的问题。针对目前主流的ZX轴45°夹持方法，我们认为不使用额外对轴措施、仅依靠铝材、连接件等结构刚性进行对轴是无法保证性能的。以项目组原型机为例，在未使用额外措施的情况下其受到时间磨损与运送颠簸影响后，其中心轴相差距离超过6mm，需要依靠人力主动凭感觉暴力扭正才能进行正确对轴。在2023浙江省竞赛中，至少3组以上由于运送颠簸或是搬动问题导致结构扭曲、对轴错误，完全无法运行。对于该问题，目前主流的方法包括使用单侧（零号机）或者双侧（初号机）亚克力板等材料进行固定、通过多个三角结构件进行限位固定与平衡等方法。
调平问题指的是两爪运行前，电机必须保证其旋转开始位置绝对水平（按结构而分，垂直、平行皆可）。如果无法保证平行，机械爪夹持位置就会出现偏移，并将偏移量进行积累，最终导致失败。
该问题目前主要有以下解决方案：
1. 水平块
使用水平块进行修正，上电前将步进电机转到水平位置。
由于步进电机内部设计，电机初始位置需要和法兰盘（或者其他连接结构）在设计时进行高度同步，否则就会导致电机上电后产生位移，导致调平问题。况且就算设计进行同步，其对加工精度角度的偏移也要求较高，从机械方面解决该问题似乎比较难。
该方法的问题有：设计时同步问题较难定位电机初始位置、手动调整后，电机在两个初始位之间的上电偏移可能是随机的（实际上受到手动调整微小调整角度的影响）、机器需要依赖水平块才能运行。
2. 标记
该方法优化掉了水平块，而是令电机稳定偏向最正的位置进行画线。一定程度上能解决随机角度问题。但是仍然无法解决法兰同步问题，其偏移角度仍然取决于加工精度等无解问题。
3. 自动回正
该方法是最新的自动化方案。使用磁铁与霍尔接近开关进行水平位置标记。开机时令步进电机进行慢速矫正旋转，在霍尔接近开关在检测到磁铁标记时停止。此时，电机细分角度远高于初始位角度，无需担心角度调平问题（最高18000细分，也就是0.02°）。
我们认为，魔方机器人存在的三大劲敌：分层问题、滑动问题、对心问题分别对应了机器运行的速度上限、速度下限与稳定性的问题。其中分层问题是一直困扰魔方机器人的魔咒，且没有滑动与对心问题的一些较好解决方案。因此，我们认为目前魔方机器人的主要努力方向以解决分层问题为主，而不是忽略本身存在的问题去强行探索运行速度的极限或是依赖运气的好坏。
根据我们的结论，或许也可以对修正机构进行一定程度的探索，并可预期的有所效果，但最终我们可能还需要回到限位机构的方向上。
当然了，从总体上来说，影响魔方机器人的还有环境光线的问题。但由于项目组在该问题上已经提出了较为先进且有效的解决方案，故不进行大量的讨论。
2023.06.13
Crypto Bionic Hardware 代表
浙科院创新工坊 魔方机器人项目组