魔方机器人的心路历程连载(Part6-小结)

大家还记得刚开始的时候，作者指定的目标是15秒内完成，但随着对各方面深入的研究，成绩也逐步提高，逐渐看到希望能达到 3秒可以还原魔方的世界纪录级别速度。也促使下定决心，再大的投资和工作量，必须把机器做出来，树立在国内至少2年内的标杆产品。

我们综合小结一下前面的努力，让读者们有个比较全面的认识。设计过程中遇到很多艰难的了抉择，就像前面二叉树所述，每个抉择都会对后面的工作产生影响。有的决定解决了一个问题，但同时冒出两个新问题需要解决；而如果做另外一种决定，可能一箭双雕，甚至一次性解决好几个问题；我们分别称其为恶性循环与良性循环。我们设计过程中，尽可能让良性循环跑起来，可以达到事半功倍的效果。

连载文章的顺序是按每个组成部分拆分的，并不是按时间线铺叙的，所以有些部分看起来可能有疑惑，这回来给大家串一下时间线。

2015.12

预研滚珠丝杆滑台及电机，也同时购入舵机进行执行速度测量。

评估滚珠丝杆及滑台的体积，重量，装配方式等。（假如当时选择这个方案，那将是噩梦的开始）

2016.1

设计出第一个舵机架及装配滑台。

更新 Thistlethwaite 还原算法，缩短至30步还原。

2016.2

推翻伸缩方式，决定改为夹持式。

(一切良性循环的开端)

2016.3-4

完成机械爪3D转动显示原型。

完成机械控制算法的神经网络训练器构建。

2016.5-8

人工解魔方步骤实录，训练神经网络。

(雷军说过：有多少人工，就有多少智能)

2016.9-10

设计舵机控制电路，焊接，调试PID。

完成人脑版本机械控制算法的神经网络框架搭建。

机械结构雏形CNC加工打样测试。

推翻通过舵机实现伸缩，改为线性电机驱动。

(良性循环首次见效，夹持速度提升300%)

2016.11-12

完成机械控制算法的神经网络模型重构调优。

(良性循环再次见效，基于夹持设计更容易实现路径优化)

完成kociemba算法移植及多线程优化，步骤从30步降至20步。

至此已经作出估算，机械平均还原时间大约可以控制在2.8秒。

2.8秒与作者之初预计的15秒已经完成质的飞跃，也就是这个时候，作者决定无论如何都要把机器做出来，树立年轻人的榜样，争创国内乃至全球顶峰记录。

勤奋的我在KTV还在写代码

2017.2

程序都已经蓄势待发了，想着过个春节就能完工了。

现实是残酷的，装原型机时发现加工误差问题，多轮返工整改。

打垮程序员的往往不是逻辑Bug。。。

2017.3-2018.6

机械结构整改--没想到这一整就是一年多。。

完成摄像头驱动及图形滤波算法

摄像头两边侧置 -- 充分利用爪子设计中空特性

(爪子设计良性循环再次见效)

2018.4-5

设计线性电机驱动电路

完成3D魔方及机械结构演示

完成起落架结构设计

2018.7

首次实现整机装配

完成UI界面描绘等工作

完成初始化魔方翻转及色块识别功能

2018.8.7

首次实现完整全流程运行，第一次试运行就把魔方还原，这种畅快淋漓的感觉，实在是难以言表，因为中间任何一个细小的环节遇到问题，都会导致失败。

在此之前，因为各个部分没有完整实现，因此调试过程从来没有把整个流程串起来；都只能在仅有的资源情况下实现各个部分的单元测试，以及接口测试。只有确保所有软硬件接口及机械部分都不能出丝毫差错，才可能一次运行即成功。

这感觉就像是NASA的火星探索计划。

由于地球大气层太稠密，无法直接在地球上演习整个登陆过程，所有扰流板，超音速降落伞等设备都只能在JPL的风洞实验室里模拟火星稀疏的大气层来实验

由于火星大气层太稀疏，从火星轨道切入大气层的夹角一定要精准控制，夹角太大可能导致速度过快，距离太短，靠大气层来不及减速就坠毁；夹角太小，可能导致被大气层弹出来，与火星的邂逅擦肩而过，然后就出轨了。整个过程都需要精确计算且精确地自动执行，因为火星距离地球太远，信号来回需要10多分钟，而降落整个过程只要7分钟，我们不可能实时遥控整个着陆过程。等到火星车已经着陆，我们还没收到开始进入大气层的信号。

整个着陆装置只有一次自动执行完整流程的机会，而这次机会是在火星上。这也是为什么火星着陆过程让人握紧拳头，屏气敛息，捏一把汗。因为没有人敢100%保证这个过程一定能成功，只要丝毫计算误差，都可能带来灾难性的后果。

作者在做第一台机器人上吃过亏，因为不了解仿真手段，每次验证算法都只能上真机实测，魔方已经被彻底扭散无数次，舵机也已全数烧毁。演示时还因为光照环境与实验室有所差异，导致颜色识别失败。因此非常欣赏NASA勇气的我，学着做好每个阶段的仿真，以及细细拆分每个组成模块，并严格执行亿级单元测试，决不允许关键模块出任何一次差错。

结果是喜人的，这回虽然结构上花费大量资金，但从来没有因为器件或者电机烧毁导致更换备料的情况，节省了一大笔开销。最重要的是节省了大量排查和更换备料的时间成本。

很多放在网上的视频，往往是试10次只能成功两三次的，终究只是实验室作品。真正要做产品时，必须保证至少十万甚至百万次，不能轻易出现一次差错。因此在保证稳定性的同时，缩减执行时间，这两个矛盾体需要找到一个平衡点，难度就体现在这里了。制作过程需要做大量的决策，有些决策可能会顾此失彼，需要全盘考虑，才能做出最优判断。所以，作者也从这次经历中，学会了很多机械，硬件，与软件之间结合时，需要考虑的因素以及各自的瓶颈和极限所在，对日后的工作也受益匪浅。

有同学私信问到，到底是什么机缘巧合让作者加入魔方机器人的队伍当中，下期开始，给大家介绍一下这一切的起源～～