Desenvolvimento de um robô solucionador do cubo de Rubik com uso de motores de passo e sensores de cor

Abstract

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um robô solucionador do cubo de Rubik, focando em velocidade de resolução e simplicidade da leitura das cores do cubo. Sendo assim, o robô foi projetado com o objetivo de identificar as cores das peças do cubo usando sensores de cor e, com base nesses dados, aplicar um algoritmo eficiente para calcular e executar a sequência de movimentos necessária, com uso de motores de passo, para solucionar o quebra-cabeça. Para esse fim, foram abordados aspectos específicos de projeto mecânico, eletrônica, programação e algoritmos. Com isso, o robô desenvolvido utiliza seis motores de passo conectados aos eixos centrais do cubo, permitindo a rotação ordenada das faces, para realização da leitura e da resolução do cubo. Por outro lado, a leitura das cores é realizada com dois sensores de cor, a partir de um método próprio que realiza a leitura dos 48 quadrados com 60 movimentos das faces. Além disso, se implementou o algoritmo k-ésimo vizinho mais próximo (KNN, do inglês k-nearest neighbors) para classificar em cores os valores capturados pelos sensores e também umcódigo para calcular a precisão das leituras automaticamente a partir de um embaralhamento aleatório empregado pelo robô no cubo. Ademais, utilizou-se uma implementação em código do algoritmo de Kociemba para encontrar a solução do cubo com no máximo 20 movimentos. Além da construção do robô, foram explorados conceitos importantes no uso de microcontroladores e de transferências de dados para integrar os sensores e os motores com um computador e viabilizar a leitura e a resolução do cubo. O projeto foi validado em testes para diferentes padrões do cubo e demonstrou sua capacidade de operar de forma eficaz. Nessas avaliações, o robô alcançou uma mediana de 39 leituras corretas de 48 e acertou, ao todo, 1375 das 1776 leituras (77,42%) de cores. Acerca da velocidade, foi alcançado um tempo mínimo de resolução de 3,3 segundos e umtempo médio de 3,6 segundos, um desempenho comparável a projetos de referência na área.