Thiet Ke Va Thi Cong Robot Xoay Rubik

THU ẬT TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬ KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY MÔN N CƠ CƠ ĐIỆ ĐIỆN TỬ BỘ MÔ

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐ n T NGHIỆP v . ĐỀ TÀI: m o c . trobot xoay rubik Thiết kế và thi công h k . Design and fabrication Rubik Solver Robot w of a Rubik w w

Giáo viên hướ ng ng dẫn : KS Nguyễn Minh Triết

Sinh viên th ực hiện

:

Đặng Trung Hiếu

07111020

Trần Quang Huy

07111028

Hoàng Ngọc Thuận

07111080

TP.HCM, THÁNG 12 12 NĂM 2011 1

CỘNG HÒA – XÃ HỘI – CHỦ NGHĨA – VIỆT NAM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc ---oOo---

Bộ Giáo Dục và Đào Tạ o Đại học Sư Phạ m Kỹ Thuật Tp.HCM ---oOo---

Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy Bộ môn Cơ Điện Tử Số:

Minh, ngày ……, tháng tháng …., năm năm …….. Tp. Hồ Chí Minh,

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1. Thông tin ngườ i thự c hiện: tên sinh sinh viên: viên: Đặng Trung Hi ếu Họ và tên Ngành: Cơ Điệ n Tử Điện thoại: 0922074509

MSSV: 07111020 Lớ p: p: 071111B Email Email:: h07111 h07111020 020@gm @gmail ail.co .com m

Giáo viên hướ ng ng dẫn: KS. Nguyễn Minh Triết Điện thoại: 09374 09347

Đơn vị : BM. BM. Cơ Điệ Điện Tử n v . m o c 2. Tên đồ án: . t h k Thiết kế và thi công . robot xoay rubik w 3. Nhiệm vụ đồ án: (yêu cầu về w nội dung và số liệu ban đầu) w Nhiệ m vụ :

-

thi công công cơ cấu kẹp rubik lập phương 3x3 (kích thướ c cạnh 57mm Thiết kế và thi 57mm))

-

Thiết kế và thi công khung robot vớ i 3 khớ p xoay rubik

4. Thờ i gian thự c hiện: Ngày giao nhi ệm vụ: 07 0 7/9/2011

Ngày hoàn thành: 31/12/2011

Nội dung nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp đã đư ợ c thông qua B ộ Môn Ngày tháng năm Ngày tháng năm mônn Cơ Cơ Điệ Điện Tử Người hướ ng Bộ mô ng dẫn (ký và ghi rõ họ tên)

(ký và ghi rõ họ tên)

i






1. Thông tin ngườ i thự c hiện: Họ và tên sinh viên: Tr ần Quang Huy Ngành: Cơ Điện Tử Điện thoại: 0985381269

MSSV: 07111028 Lớ p: p: 071111B Email: [email protected]



-

Nghiên cứu ứng dụng thu thập và xử lý ảnh để nhận dạng khối rubik.

-

Lập trình giao di ện xử lí ảnh.

4. Thờ i gian thự c hiện: Ngày giao nhi ệm vụ: 07/9/2011


Nội dung nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp đã đư ợ c thông qua B ộ Môn Ngày tháng năm Ngày tháng năm mônn Cơ Cơ Điệ Điện Tử Người hướ ng Bộ mô ng dẫn (ký và ghi rõ họ tên)


ii






1. Thông tin ngườ i thự c hiện: Họ và tên sinh viên: Hoàng Ng ọc Thuận Ngành: Cơ Điệ n Tử Điện thoại: 0989369362

MSSV: 07111080 Lớ p: p: 071111A Email: [email protected]



- Nghiên cứu giải thuật xoay rubik.

kh ớ p xoay. - Lập trì trình nh 1 gi giải thuật xoay rubik theo mô hình cơ khí 3 khớ

4. Thờ i gian thự c hiện: Ngày giao nhi ệm vụ: 07/9/2011


Nội ddun ungg nhi nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp đã đư ợ c thông qua B ộ Môn Ngày tháng năm Ngày tháng năm mônn Cơ Cơ Điệ Điện Tử Người hướ ng Bộ mô ng dẫn (ký và ghi rõ họ tên)


iii

ÐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VI ỆT NAM

Ðộc Lập - Tự D o - Hạnh Phúc

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

BỘ MÔN MÔN CƠ CƠ ĐIỆ ĐIỆN TỬ

PHIẾU NHẬN XÉT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP (Dùng cho giáo viên hướ ng ng dẫn LVTN) TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔ NG ROBOT ROBOT XOAY XOAY RUBIK RUBIK

Họ và tên sinh viên th ự c hiện: Đặng Trung Hiếu

tên ngườ ngườ i nhận xét: Họ và tên

MSSV: 07111020

Trần Quang Huy

MSSV: 07111028


MSSV: 07111080

Nguyễn Minh Triết Triết

MSCB: ………...

n v . m I. PHẦN NHẬN XÉT : o c . t 1. Về cuốn báo cáo h k . Về hình thứ c: w w ……………………………………………………………………………………………… w ……………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………

Về phần tổng quan: ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………

iv

Về nội dung và k ết quả nghiên cứ u ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………

2. Về sản phẩm/ chương tr ình demo ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… Về báo cáo và tr ả lờ i chất vấn: ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… n 3. Về tinh thần thái độ làm việc v . m ……………………………………………………………………………………………… o c ……………………………………………………………………………………………… . t

h k . w w w

v

II.

PHẦN CHẤM ĐIỂM: Nội dung đánh giá

Điểm tối đa

CUỐN BÁO CÁO

4

Về hình thứ c

0.5

Tóm tắt

0.5

Về phần tổng quan

1

Về nội dung

1

Về kết quả nghiên cứ u

1

ÌNH DEMO SẢN PHẨM/ CHƯƠNG TR ÌNH

3

đáp ứng yêu cầu đặt Chức năng của sản phẩm đáp ra

2

Báo cáo tốt

1

Trả lờ i chất vấn tốt

1

Điểm thự c chấm

n v . m o 1 Sản phẩm có khả năng ứng dụng trong thực c . t tiễn h k . w 2 BÁO CÁO VÀ TR Ả LỜ I CHẤT VẤN w w

TINH THẦN THÁI ĐỘ LÀM VIỆC

1

TỔNG CỘNG

10

Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng 12 năm 2011 NGƯỜI ĐÁNH GIÁ

vi

ÐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VI ỆT NAM

Ðộc Lập - Tự D o - Hạnh Phúc

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

BỘ MÔN MÔN CƠ CƠ ĐIỆ ĐIỆN TỬ

PHIẾU NHẬN XÉT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP (Dùng cho giáo viên ph ản biện LVTN) TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ROBOT XOAY RUBIK

Họ và tên sinh viên th ự c hiện: Đặng Trung Hiếu

tên ngườ ngườ i nhận xét: Họ và tên III. PHẦN NHẬN XÉT :

4. Về cuốn báo cáo Về hình thứ c:

MSSV: 07111020

Trần Quang Huy

MSSV: 07111028


MSSV: 07111080

n ……………….. v .

m o . c t h k . w w w

MSCB: ………...

……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………

Về phần tổng quan: ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………

vii

Về nội dung và k ết quả nghiên cứ u ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………………

5. Về sản phẩm/ chương tr ình demo ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… Về báo cáo và tr ả lờ i chất vấn: ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… n 6. Về tinh thần thái độ làm việc v . m ……………………………………………………………………………………………… o c ……………………………………………………………………………………………… . t

h k . w w w

viii

IV. PHẦN CHẤM ĐIỂM: Nội dung đánh giá

Điểm tối đa

CUỐN BÁO CÁO

4

Về hình thứ c

0.5

Tóm tắt

0.5

Về phần tổng quan

1

Về nội dung

1

Về kết quả nghiên cứ u

1

ÌNH DEMO SẢN PHẨM/ CHƯƠNG TR ÌNH

3

đáp ứng yêu cầu đặt ra Chức năng của sản phẩm đáp

2

Điểm thự c chấm

n1 v . m 2 BÁO CÁO VÀ TR Ả LỜ I CHẤT VẤN o c . t h Báo cáo tốt 1 k . w w Trả lờ i chất vấn tốt 1 w Sản phẩm có kh khả năng ứng dụng trong thực tiễn

TINH THẦN THÁI ĐỘ LÀM VIỆC

1

TỔNG CỘNG

10

Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng 12 năm 2011 NGƯỜI ĐÁNH GIÁ

ix

LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành thành báo cáo đồ án tốt nghiệp nghiệp robot xoay xoay rubik , chúng em đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của bộ môn cơ điện tử , khoa cơ khí chế tạo máy , trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Hồ Chí Minh . Chúng em xin xin bày tỏ lời lời cám ơn và kính kính trọng tới tới các cá nhân và tập thể đã tạo điều kiện giúp đỡ chúng em trong quá trình học tập và nghiên cứu . Trước hết, chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới KS. Nguyễn Minh Triết người đã hướng dẫn chúng em trong suốt quá trình nghiên nghiên cứu và hoàn thành đồ án . Chúng em trân trọng cám ơn các thầy cô trong bộ môn cơ điện tử , khoa cơ khí chế tạo máy, các đơn vị liên quan của trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh . Chúng em xin trân trọng cám ơn các giáo sư , tiến sĩ của trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh , những người đã trang bị cho chúng em những kiến thức quý báu để giúp chúng em hoàn thành đồ án này .

n

Chúng tôi xin xin chân thành thành cảm ơn gia đình đình , v thầy . cô, bạn bè đã động viên chia sẽ , mđể chúng em hoàn thành đồ án . giúp đỡ nhiệt tình và đóng góp nhiều ý kiến quý o báu

. c t h k . w w w

x

TÓM TẮT Đề tài nghiên c ứu thiết kế và thi công robot xoay rubik theo mô hình: 3 c ơ c ấu kẹp rubik lập phương 3x3 (kích thướ c cạnh 57mm), khung robot v ớ i 3 khớ p xoay các m ặt tương ương ứng c ủa khối rubik. Thi ết kế và thi công m ạch điều khiển robot xoay rubik v ớ i các động cơ bước, bước, điề điề u khiển v ị trí 3 động cơ servo, giao tiếp chức năng: Điề u khiển v ị trí 3 động máy tính. Nghiên c ứu các giải thuật xoay rubik. L ập trình 1 gi ải thuật xoay rubik theo mô kh ớ p xoay. Nghiên c ứu ứng d ụng thu thập và xử lý ảnh để nhận d ạng khối hình cơ khí 3 khớ rubik. Lập trình giao di ện điều khiển xoay rubik trên máy tính.

Kết quả đạt đượ c: c: Thi công hoàn thành mô hình c ơ khí đã thi ết kế, mạch điều khiển hoạt động tốt, ổn định. Chương tr ình gi ải thuật hoàn thành bài toán xoay rubik trung bình trong kho ảng 70 bước. Chương tr ình xử lí ảnh nhận diện màu sắc chính xác trong môi trườ ng ng ánh ánh sáng sáng tốt.

n v . m o c . t h k . w w w

xi

MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

i.ii,iii

PHIẾU NHẬN XÉT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

iv, v,

vi,vii,viii,ix

LỜ I CẢM ƠN

x

TÓM TẮT

xi

CHƯƠNG 1: GIỚ I THIỆU

1

1.1 Tổng quan v ề robot xoay rubik.

1

1.1.1 Rubik.

1

1.1. 1.1.22 Robo Robott xoa xoayy rub rubik ik..

n v . m 1.2 Nội dung và gi ớ i hạn đồ án o c . 1.2.1 Các yêu c ầu của một robot h x t oay rubik. k . w 1.2.2 Nội dung thự c hiện. w w 1.2.3 Giớ i hạn đề tài.

3

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ

4

2.1 Thiết kế cơ cấu kẹp.

4

1.1.3 Ứ ng ng dụng của robot xoay rubik.

3 3 3 3

2.2.1

Các kiểu cơ cấu kẹp đã có.

4

2.2.2

Lự a chọn phương án và tính toán thiế t kế.

6

2.2.3

Mô ph ỏng hoạt động của cánh tay k ẹp.

9

2.2.4

c ấu kẹp đã thi công. Hình ảnh mô hình cơ cấ

10

khun ungg cơ khí khí 2.2 Thiết kế kh

11

2.2.1

Các phương án đã có.

11

2.2.2

Lự a chọn phương án và tính toán thiế t kế.

12

2.2.3

thi ết kế và gia công. Hình ảnh mô hình cơ khí thiế

13

xii

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN.

14

3.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển.

14

3.1.1

Yêu cầu của mạch điều khiển.

14

3.1.2

Lự a chọn phương án giả i quyết các yêu c ầu.

14

3.1.3

Sơ đồ khối tổng quát c ủa mạch điều khiển.

18

3.1.4

Giải thích hoạt động của sơ đồ khối.

18

3.1.5

Hình ảnh mạch sau khi thi công.

18

3.2 Lưu đồ giải thuật điều khiển.

20

3.2.1

đ ồ giải thuật chương tr ình chính. Trình bày lưu đồ

20

3.2.2

đ ồ giải thuật chương tr ình con. Trình bày lưu đồ

20

n v . m ớc ký hiệu thông dụng v à hệ tọa độ khối rubik. 4.1 Quy ư ớc o . c 4.2Các 4.2 Các gi giải thuật xoay rubik. t h k . giả n. 4.2.1 Giải thuật theo cách đơn w 4.2.2 Giải thuật theo Rou w x. w

Chương 4: GIẢI THUẬT

22 24 24 26

4.2.3 Giải thuật theo Lars Petrus

27

4.2.4 Giải thuật theo Fridrich

29

4.3 Lưu đồ giải thuật.

38

Chương 5: XỬ LÝ ẢNH NHẬN DIỆN KHỐI RUBIK

40

5.1 Các phương pháp nhậ n diện màu sắc.

40

5.2 Giải thuật nhận diện màu đượ c sử dụng trong đồ án.

44

5.3 Thu th ập và x ử lý ảnh bằng Matlab.

44

xiii

NG PHÁT TRIỂN Chương 6: KẾT QUẢ VÀ HƯỚ NG

47

đạtt đượ đượ c 6.1 Kết quả đạ

47

6.1.1 Phần thiết kế và thi công mô hình c ơ khí.

47

6.1.2

Phần thiết kế và thi công m ạch điều khiển.

47

6.1.3

Phần giải thuật xoay rubik.

47

6.1.4 Kết quả xử lý ảnh nhận diện khối rubik.

49

6.1.5 Giao diện chương tr ình.

55

6.1.6 Tổng quan k ết quả hoạt động của robot.

57

6.2 Nhữ ng ng tồn tại và hạn chế cần khắc phục.

58

6.3 Hướ ng ng phát tri ển của đề tài.

58

n Chương 7: TÀI LIỆU THAM KHẢO v . m o PHỤ LỤC c . t h k . w w w

xiv

59 60


xv

CHƯƠNG 1: GIỚ I THIỆU 1.1Tổng quan về robot xoay Rubik. 1.1.1 Rubik. - Năm 1974, niềm đam mê h ình h ọc và nghiên c ứu những mẫu dạng ba chiều đã món đồ chơi Rubik nổ i thôi thúc ki ến trúc sư Erno Ruik (Hunggary) phát minh ra món tiếng [1]. rubikk 3x3x 3x3x33 có 9 ô vuông và được sơn phủ một trong sáu - Mỗi m ặt c ủa phiên bản rubi màu khác nhau, thông thườ ng n g là trắng, đỏ, vàng vàng,, cam, am, xanh anh lá lá cây và xanh dương. Bài toán xoay rubik b ắt đầu bằng việc xáo tr ộn tất cả vị trí các ô vuông ở mỗi mặt, sao cho các màu s ắc xen kẽ nhau. Muc tiêu: xoay m ỗi mặt của rubik có màu gi ống nhau. 1.1. 1.1.22 Robo Robott xoa xoayy rubi rubik: k: rubik là đề tài đượ c rất nhiều công công ty đồ chơi mô mô h ình và sinh viên các - Robot xoay rubik trường đạ i học quan tâm, phát tri ển. - Nhóm sinh viên Đạ i học Swinburne đã l ập k ỷ lục mớ i cho robot c ủa họ trong việc n (hình 1.1). hoàn thành 6 m ặt của rubik ch ỉ mất có 10,69 v giây

. m o c . t h k . w w w

Hình 1.1: Robot Ruby [2]

1

- Sản phẩm Tilted Twister 2.0 c ủa hãng LEGO (hình 1.2).

n v . m Hình 1.2: Robot Tilted Twister [3] o . c t - Robot của hãng Kawasaki (hình 1.3) h k . w w w

Hình 1.3: Robot của hãng Kawasaki [4] 2

1.1.3 Ứ ng ng dụng của robot xoay rubik. - Giải trí: trưng bày và triể n lãm. - Học t ập: Dùng làm mô hình h ọc t ập x ử lí ảnh, giải thuật xoay rubik và điề u khiển động cơ, lập trình ứng dụng. 1.2Nội dung và gi ớ i hạn đồ án. 1.2.1 Các yê yêu cầu của một robot xoay rubik: a. Cơ khí: - Cơ cấu kẹp để kẹp các mặt của khối rubik kích thướ c 57mm. - Khung cơ khí để lắp các cơ cấu kẹp. b. Mạch điện. yêu cầ u - Điều khiển được 3 động cơ bước , 3 động cơ rc servo quay đúng góc theo yêu

- Giao tiếp vớ i máy tính . - Hiển thị LCD và giao ti ếp ngườ i dùng . c. Giải thuật: đầu vào là các ma tr ận màu của khối rubik, gi ải thuật tính ra các bướ c quay khối rubik về vị trí yêu cầu. n d. Xử lí ảnh: nhận biết được màu đơn sắ c. v . 1.2.2 Nội dung thự c hiện. m o c thi công công cơ cấu kẹp rubik ập phương 3x3 (kích thướ c cạnh 57mm l 57mm). ). - Thiết kế và thi . t ớ h Thiết kế và thi công khung robot v k .i 3 khớ p xoay rubik. khiển robot xoay rubik v ớ i các ch ức năng: - Thiết kế và thi công m ạch điều w o

w w Điều khiển vị trí 3 động động cơ bướ bướ c. c.

Điều khiển vị trí 3 động cơ servo servo . o Giao tiếp máy tính. - Nghiên cứu các giải thuật xoay rubik. L ập trình 01 gi ải thuật xoay rubik theo mô kh ớ p xoay. hình cơ khí 03 khớ - Nghiên cứu ứng dụng thu th ập và xử lý ảnh để nhận dạng khối rubik. Lập trình giao diện điều khiển xoay rubik trên máy tính. 1.2.3 Giớ i hạn đề tài. Chưa giớ i hạn về thờ i gian xoay rubik. o

3

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ 2.1 Thiết kế cơ cấu kẹp 2.1.1 Các kiểu cơ cấu kẹp đã có. - Kiểu quay 6 m ặt: với cơ cấu xoay gồm 6 trục dài nối vào động cơ và 6 mặ t của rubik (hình 2.1).

n v . m o c . ủa Evan Gates (2004) [5] Hình 2.1: Robot h c t k robot, mỗ i cánh tay g ồm 2 thiế .t kế như 3 cánh tay robot, - Kiểu quay 3 mặt: Cơ cấu đượ c w wcần xoay, và 1 khớp xoay để quay mặt đã đượ đư ợ c cố thanh kẹp để giữ chặt mặt rubik w định (Hình 2.2).

Hình 2.2: Mô hình k ẹp 3 mặt rubik [6]

4

cánh tay tay robo robot, mỗi cánh tay - Kiểu quay 2 mặt rubik: Cơ cấu đượ c thiết kế như 2 cánh

gồm 2 thanh kẹp để giữ chặt m ặt rubik cần xoay, và 1 kh ớp xoay để quay mặt đ ã đượ c cố định (hình 1.1). - Kiểu xoay 1 mặt: Cơ cấu gồm 1 khớp để xoay và các kh ớ p cần thiết để giữ cục rubik cố định các mặt còn lại của rubik (Hình 1.2, hình 2.4).

n v . m Hình 2.3: Cánh tay gi ải rubik trong 15s [7] o . c t h k . w w w

5

2.1.2 Lự a chọn phương án và tính toán thiế t kế. a. Lự a chọn mô hình: Vớ i giải thuật đã l ựa chọn, nhóm quyết định thi công mô hình cơ cấu 3 cánh tay k ẹp, mỗi cánh tay g ồm 2 thanh kẹp và 1 kh ớp xoay để cố định 1 định đó đó.. mặt rubik, kh ớ p xoay còn l ại để quay mặt rubik đã c ố định


Hình 2.4: Mô hình c ơ cấu kẹp.

6

b. Thiết kế cơ cấu kẹp rubik: - Đế gắn thanh kẹp: Là chi ti ết để giữ trục nối động cơ và lắ p thanh k ẹp. Do phải lắp thêm bạc đạn đườ ng ng kính ngoài 12mm, và thanh k ẹp, nên đượ c thiết kế vớ i L = 27mm. - Thanh trượ t ren: Là chi ti ết chuyển động tinh ti ến khi trục nối động cơ servo quay, và trên thanh thanh trượt trượt ren có thanh thanh đẩy để tác độ ng vào thanh k ẹp, thiết kế vớ i l = 20mm nhằm đảm b ảo l ắp được thanh đẩ y, taro ren m8x1.25 và không b ị va chạm vớ i thanh k ẹp khi cơ cấ u kẹp chặt rubik. rubik là b = 57mm, khoảng cách gi ữa 2 cạnh rubik là b - Khoảng cách gi ữa 2 mặt rubik = 79mm nên thanh k ẹp được đẩ y ra vớ i khoảng cách gi ữa 2 cạnh kẹp là B = 85.

- Vớ i a1 ≈ 14.23mm th ì 2 chi ti ết thanh trượt ren và đế gắn thanh kẹp không bị va chạm khi cơ cấu kẹp rubik.

-

Cạnh nghiêng thanh k ẹp a3 = 42.014mm.

- Khi cơ cấu kẹp rubik (hình 2.6):

n v . đứng khi kẹp: Góc giữa cạnh nghiêng thanh k ẹp và trục m o c o . t x = arcsin(( 57/2-27/2)/42) ≈21 h k . Chiều cao thanh k ẹp a4 = a5 w + a3*cos(21) w w Vớ i a5 là chi ều cao c ạnh thẳng thanh kep, là ph ần kẹp cục rubik, ch ọn a5 = 12, có: o

o

a4 = 12 + 42*cos(21) ≈ 51mm. o

Góc tạo bởi thanh đẩ y và trục đứng:

z = arctg[(57/2-20/2)/ (a3*cos(x) – a1)] ≈ 36.5 o o

Chiều dài thanh đẩ y: a7 = (57/2-20/2)/sin(36.5) ≈ 31.2mm

- Khi cơ cấu kẹp mở (hình 2.6): o

Góc giữa cạnh nghiêng thanh k ẹp và trục đứng: y = acrsin((20/2+31.2-27/2)/42) ≈ 41.27 o

o

Chiều cao a2 = 42.014*cos (41.27) ≈ 31.6mm

o

Vậy chiều dài ren c ần gia công công là 31.6- 14.227 ≈17 .4mm. 7

Hình 2.5: Cơ c ấu kẹp khi hoạt động


cấu kẹp Hình 2.6 : Mô hình c ơ cấ 8

2.1.3 Mô ph ỏng hoạt động của cánh tay k ẹp.

n v . m o c đạo chuyển động và ọa độ của các điểm 14, 15 và 16. Hình 27 .: Qu ĩ đạ t . t h k . w w w

Hình 2.8: Vị trí của của điểm 14, 15 khi điể m 16 tớ i vị trí y = 24.227mm 9

c ấu kẹp đã thi công 2.1.4 Hình ảnh mô hình cơ cấ

n v . ẹp thực tế Hình 2.9: Cơ c ấu k m o c . t h k . w w w

10

khun ungg cơ khí khí 2.2 Thiết kế kh 2.2.1 Các phương án đã có: - Để các cánh tay nghiêng 1 góc alpha.

n v . m o c . t h k . w w w Hình 2.10: 2.10: Mô hình các cánh tay nghiên nghiêngg

11

- Các cánh tay vuông góc nhau (hình 2.) .

n v . m o Hình 2.11: Mô hình các t cánh ta y vuông góc nhau . c tay h k . 2.2.2 Lự a chọn phương án và tính toán wthiế t kế w w - Với cơ cấu 3 cánh tay kẹp, khung cơ khí đuợ c vớ i các cánh tay vuông góc v ớ i nhau. - Khung dướ i:i: Khoảng cách gi ữa 2 cánh tay k ẹp trên: Mỗi cánh tay k ẹp gồm ph ần meka dài 126.94mm, rubik c ạnh dài 56.5 mm, ph ần kẹp của cánh tay 4.88mm. Do đó, phần khung dướ i có chiều dài 126.94*2 + 56.5 – 4.88*2 ≈ 299mm. Thi ết kế khung dưới dài dài 304mm 304mm để điề u ch ỉnh cánh tay trong trườ ng ng h ợ p cánh tay b ị lệch. Phần cánh tay dướ i lắp giữa phần khung dướ i.i. - Khung bên cạnh: Khung dướ i cao 87mm, chi ều cao phần meka cánh tay k ẹp cao 126.94mm, ph ần kẹp dướ i 4.88mm, 1 n ửa c ục rubik 56.5/2. Do đó, cánh tay kẹ p 2 bên được đặt ở chiều cao 87 + 126.94 – 4.88 + 56.5/2 ≈ 237.31mm. Thi ết kế để dễ điều chỉnh các sai s ố khi lắp ghép. khung vớ i cánh tay k ẹp cao ≈243mm để 340mm 0mm để gắn webcam. - Chiều cao 3 khung bên c ạnh, thiết kế cao 34

12

c ấu kẹp thiết kế và gia công. 2.2.3 Hình ảnh mô hình cơ cấ

n v . m Hình 2.12: Mô hình khung cơ khí o . c t h k . w w w

Hình 2.13: Khung cơ khí thự c tế

13

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN 3.1. Sơ đồ khối mạch điều khiển. 3.1. 3.1.1. 1. Yêu Yêu cầu của mạch điều khiển. a. Mạch điều khiển : - Điều khiển được 3 động cơ bước quay đúng góc theo yêu c ầu , 3 động cơ RC Servo kẹp nhả theo yêu c ầu. - Giao tiếp vớ i máy tính. - Chạy liên t ục ổn định trong thờ i gia giann dài dài . - Yêu cầu cách cách ly ly gi giữa mạch điều khiển và mạch công công suất. - Có đèn báo nguồ n.

n v . đúng góc 900. - Điều khiển động cơ bước lưỡ ng ng cực 2A, 2A, có m khả năng qua đúng o c . - Có đèn báo nguồn. t h k . ết các yêu c ầu. 3.1.2. Lự a chọn phương án giả i quy w w w b. Mạch công công su suất:

a. Lự a chọn linh kiện :

- Sử dụng vi điề u khiển PIC 16F887. - Giao tiếp vớ i máy tính: s ử dụng mạch FT2 FT232RL 32RL . - Sử dụng cặp IC điều khiển động cơ bướ c chuyên d ụng L297 L297 +l29 +l2988 vì: điều khiển đượ c động cơ bướ c ở chế đ ộ “nửa bướ c“ khi kết hợ p vớ i IC công su ất L298 (cho động cơ có dòng hơn 2A) 2A). dòng nhỏ hơn

b. Cơ sở thiết kế và tính toán: - Mạch điều khiển: o

năng cấp và rút dòng kho ảng 25mA.Tuy nhiên, Tất cả các chân c ủa PIC có kh ả năng 90mA. Do đó, đó, khi thiế thiế t kế cần tính toán giớ i hạn của mỗi PORT (8 chân) ch ỉ là 90mA.

tránh quá t ải cho từng chân (vượ t quá 25mA) và tránh quá t ải cho toàn PORT (90mA). 14

o

Tính toán cho opto opto dẫn ở chế độ bão bão hòa hòa (h 3.1) 3.1) : IC max =

100.10-6 = 1,16.10-3 A

Vậy nên nên ta ta ch ch ọn IF 5 đến 10 mA R= (5-V (5-Vled+Vopto) /IF = (5-0.7-0.7) /0,005= 720 Ω => Chọn điện trở 470 Ω


Sơ đồ đồ đặc tuyến của opto. Hình 3.1: Sơ

- Mạch công công suất: o

o

“nửa bước bước “. Chọn chế độ “nửa nhau để để tăng tăng dòng khi dùng v ới động cơ bướ c lớn hơn Ghép 2 con IC l298 v ớ i nhau 2A (như h ình 3.2).

15

o

Hình 3.2: sơ đồ nguyên lý mạch tăng dòng cho L298. D1 ->D8 là diode xung (V F < 1,2 V Kết hợ p L297+l298 , v ớ i RS1= RS2 = 0,5Ω , n

, Trr < 200ns).

v . m o c . t h k . w w w

Hình 3.3:Sơ đ ồ nguyên lý mạch điều khiển động cơ bước lưỡ ng ng cực dùng c ặp L297+L298. o

Giá trị điện áp so sánh sánh Vref (h3.3): Vref = VRS1=Iđộng cơ .RS1= 2.0.5 =1 (V)

o

Công suất của điện trở cảm ứng dòng (h3.3): 16

PRS1= PRS1= UI = 2W => ch ọn điện trở 5 W o

Giá trị của VS nhỏ nhất để dòng qua đ ộng cơ đạt 2A (h3.4): VS = VRS1+ VSAT( L ) + VSAT(H)+ Vđộng cơ = 1 + 1.2 1.2 + 1. 1.4 + 2,53 ,53 = 6,63 6,63 V


Hình 3.4: Đường đặc tuyến của L298.

17

3.1.3 Sơ đồ khối tổng quát c ủa mạch điều khiển: Khối nguồn.

Giao tiếp máy tí tính nh chu chuẩn RS232.

Khối điều khiển PIC PIC 16F8 16F887 87..

Khối cách ly.

Khối công suất lái độ ng cơ.

n v ạch .điều khiển. Hình 3.5: Sơ đồ khối m m o c . ố t 3.1.4 Giải thích hoạt động của sơ đồ kh h i (hình hình 3.5) 3.5).. k . w - Khối nguồn: DC 5V 30A. w w - Khối điều khiển: x ử lý m ọi hoạt động thao tác, x ử lý các tín hi ệu t ừ máy tính, điều khiển động cơ . - Khối công suất lái động cơ : điện áp một chiều lớ n nhất 46V, 46V, dòn dòngg một chiều liên liên tục 2A. - Giao tiếp máy tính chu ẩn RS2 RS232 32:: gia giaoo tiếp giữa máy tính ính và vi điề u khiển theo chuẩn RS232.

18

3.1.5 Hình ảnh mạch điều khiển sau khi khi thi thi công. công.

n v . m Hình Hình 3.6: 3.6: Mạch o điều khiển. c . t h k . w w w

Hình Hình 3.7 3.7:: Mạch công su ất. 19

3.2.1 Lưu đồ giải thuật điều khiển. a. Trìn Trìnhh bày lưu đ ồ giải thuật chương tr ình chính :

Bắt đầu

Nhận lệnh từ máy tính?

N

Y N Gặp kí tự kết thúc?

n v . m o c Y . t h k . kiemtra() w w w

Gửi tín hiệu phản hồi về máy tính

20

đ ồ giải thuật chương tr ình con: con : b. Trìn Trìnhh bà bày lưu đồ kiemtra()

Cánh tay k ẹp?

Y

Xuất tín hiệu điều khiển động cơ RC Servo quay thuậ n

N Y

Xuất tín hi ệu điều khiển động cơ RC Servo quay nghị ch

Cánh tay nh ả? N

Xoay cánh tay sang trái?

Y

Xuất tín hi ệu điều khiển động cơ bướ c quay trái

n v . m o N c . t h k .Y Xuất tín tín hiệu điều khiển Xoay cánh tay w w động cơ bướ c quay phải sang phải? w N Quay lại

21

Chương 4: GIẢI THUẬT ớc ký hiệu thông dụng v à hệ tọa độ khối rubik : 4.1 Quy ư ớc  Up : trên(U), Down : dướ i (D), Left : trái (L), Right : ph ải (R), Front : trướ c (F) và Back : sau (B)

Hình 4.1: Quy ước 1  Chữ hoa tức là quay m ặt đó theo chiều kim n đồ ng hồ 1 góc góc 90 90 độ

v . m o c . t h k . w Hình w 4.2: Quy ước 2 w

 Chữ hoa cộng thêm d ấu tick ( ' ) ngh ĩa là quay ngư ợ c theo chi ều kim đồ ng hồ 1

góc 90 độ

Hình 4.3: Quy ước 3  Chữ hoa đi kèm kèm theo theo số 2 ngh ĩa là quay m ặt đó 180 độ , và chi ều nào cũng như

nhau cả

22

Hình 4.4: Quy ước 4  Quay trục giữa bao g ồm E (Equat (Equatoror- ngang ngang bằng), ng), M (Mid (Middl dlee - giữa) và S

(Sta (Stand ndin ingg - thẳng đứng ) cũng tuân theo 3 quy lu ật như trên

Hình 4.5: Quy ước 5  Quay đôi 2 lớ p: đượ c ký p: tức là ngoài l ớ p ở ngoài cùng ra còn có l ớ p kề nó, đượ

thườ ng hiệu bằng chữ cái thườ ng tuân theo 3 quy t ắc cơ bản trên



n v . 6 Hình 4.6: Quy ước m o c . t h Cuối cùng là bướ c lật c ả khối rubik k . theo tr ục X,Y hoặc Z tương đương vớ i các mặt R,U và F( ph ải, trên và trướ c) làm tr ục quay w c) w w

Hình 4.7: Quy ước 7 23

4.2Các 4.2 Các gi giải thuật xoay rubik : 4.2.1 Giải thuật theo cách đơn giả n : [1] a. Bướ c 1 : Tạo hình ch ữ thập ở mặt màu tr ắng, ta tìm các viên c ạnh màu trắng và đưa nó nó về đúng đúng vị trí

n Hình 4.8: Bước 1 theo v . cách cơ bả n m

ắng để hoàn thành t ầng 1 b. Bướ c 2 : gi ải 4 viên góc ở mặt màu c tr o

. t h k . w w w

Hình 4.9: Bước 2 theo cách cơ bả n c. Bướ c 3 : gi ải 4 viên c ạnh ở tầng 2 để hoàn thành hai t ầng

24

Hình 4.10: Bư ớc 3 theo cách cơ bả n d. Bướ c 4 : tạo chữ thập ở mặt màu vàng

Hình 4.11: Bư ớc 4 theo cách cơ bả n vào đúng vị trí nhưng chưa đúng màu e. Bước 5 : đưa 4 viên góc ở mặt màu vàng vào

n v . m o c . t h k . w w Bư ớc 5 theo cách cơ bả n Hình w 4.12: f. Bướ c 6 : hoán v ị các góc ở mặt màu vàng sao cho các góc đều đúng màu

Hình 4.13: Bư ớc 6 theo cách cơ bả n g. Nhận xét: đây là giả i thuật đơn giản dành cho ngườ i m ớ i bi ết chơi rubik, có ít thuật toán nên d ễ học nhưng hạ n chế về thờ i gian .

25

4.2.2 Giải thuật theo Roux : [2] a. Bướ c 1 : tạo khối 1x2x3 ở mặt màu trắng

n v . m ư o ớ c 1 theo Roux Hình 4.14: B c . t h đố b. Bướ c 2 : tạo khối 1x2x3 ở mặt k . i diện (mặt màu vàng) w w w

Hình 4.15: Bư ớ c 2 theo Roux

26

c. Bướ c 3 : gi ải 4 góc còn l ại ở mặt trên cùng

Hình 4.16: Bư ớ c 3 theo Roux d. Bướ c 4 : gi ải 6 viên c ạnh và 4 viên trung tâm còn l ại là xong

n v . m o c . t h Hình 4.17: k . Bướ c 4 theo Roux w w độ nhanh nhanh hơn hơn giả giả i thuật cơ bản nhưng giả i e. Nhận xét: giải thuật này tuy có t ốc độ w thuật này còn khá m ới và hơi khó hiể u.

4.2.3 Giải thuật theo Lars Petrus : [3] a. Bước 1 : trướ c tiên tạo một khối 2x2x2

27

Hình 4.18: Bư ớ c 1 theo Lars

b. Bướ c 2 : ti ếp theo t ạo một khối 2x2x3

Hình 4.19: Bư ớ c 2 theo Lars đúnng mặ mặt c. Bướ c 3 : lật c ạnh, tức là đưa các cạ nh của m ặt màu tr ắng và vàng v ề đú n v của chúng hoặc ở mặt đối diện. Hình sau . đây là chưa l ật, sẽ lật khi ta xoay FUF o m

. c t h k . w w w

Hình 4.20: Bư ớ c 3 theo Lars d. Bướ c 4 : hoàn thành hai t ầng và và tạo chữ thập ở mặt trên

28

Hình 4.21: Bư ớ c 4 theo Lars e. Bước 5 : định hướ ng ng và hoán v ị 4 góc còn l ại

n v . m o c . t h Hình Hình 4.22 4. k 22 . : Bướ c 5 theo Lars w wph ức tạp nhưng bù lạ i tốc độ cũng r ất nhanh f. Nhận xét : gi ải thuật này w khá 4.2.4 Giải thuật theo Fridrich : [4] giải thuật đượ c chọn để lập trình a. Bướ c 1 : CROSS, t ạo chữ thập ở mặt đầu tiên(mặt màu trắng)

Hình Hình 4.23 4.23: Bướ c 1 theo Fridrich Bao gồm 24 trườ ng ng hợ p của cạnh màu tr ắng b. Bướ c 2 : F2L (First 2 Layers), đây là bướ c kết hợ p vừa giải quyết 4 góc c ủa tầng một và 4 c ạnh của tầng hai cùng cùng một lúc 29

Hình Hình 4.24 4.24: Bướ c 2 theo Fridrich

Có 41 trườ ng ng hợp cho bướ c này

1

U' R' UR2 U' R2UR' F R F'

2

U' R' U R U' R2 U R U' R' U

3

8

n v . 9 m o . c t h k . F R F' R' F R2 F' R' F R F w ' 10 w w

U2 R' U2 R' U2 R2 U2

R U' R' U R' F R F'

R' F R F' R U' R' U

4

U' R U' R' B' R B U2

11

U' R U F R2 F'

5

F R' F R D R' D' F2

12

F R' F' R F R' F'

6

R U' R U R2 U' R U 13

7

R' F R' F' R2 F R' F' 30

U' R U R ' U ' R U

14

U' R' U R U' R' U

15

F R F' R' F R F'

16

17

18

19

20

21

22

23

R' F R' F' R F R F'

24

F R' F' R2 U' R' U

25

U' R U R2 F R F'

26

R2 U2 R2 U R U' R U2

R F R' F' R' U' R U

R' U' R U R F R' F'

R F R' F'

R' U' R U'

n v . m o c . t 27 h k . w w w

R2 F2 R2 F' R' F R' F2

28

F R2 F' R' F R F'

29

U' R2 U R U' R' U

30

R' F R2 F' R2 F R' F'

31

R U' R2 U R2 U' R U

R' F R2 F' R U' R' U

R U' R2 U R' F R F'

R U' R U R' U' R' U

31

32

U' R' U

38

U' R U R2 U' R' U

33

F R F'

39

R' U' R2 U R' U' R U

34

R' F R F' R2 F R' F'

35

R U' R' U R2 U' R U

36

37

40

n41 v . m o c . t h k R' F R' F' R U' R' U . w w w

R F R2 F' R F R' F'

F R' F' R2 F R F'

R U' R U R' F R F'

c. Bướ c 3 : OLL(Orientation of the Last Lay er), đưa tấ t cả các cạnh và góc c ủa đúng ng mặt của nó màu vàng v ề đú

Hình Hình 4.25 4.25: Bướ c 3 theo Fridrich Bước này có 57 trườ ng ng hợ p 32

1

D R D R D R2 D

10

F D R D R F

2

D R2 D R D R D

11

F R D R DF

3

D B U B D B U B

12

B R D R D B

4

D B U B D B U B

13

D R D R D F D F

6

n v . m 14 o D2 L D R2 D L D R2 D c . t h k . w w 15 D R2 D2 R D2 R D2 R2 D w

7

D R D R D R D R D R2 D

16

U B D B D B2 U

8

F D F D U R D R D U

17

U F2 D F D F U

9

U D R D R U D F D F

18

U B2 D B D B U

5

33

F D F D R D R D

U F D F D F2 U

19

D R B R D R D B D

28

U F U D R D R U F U

20

D R F R D R D F D

29

U B U D R D R U B U

21

D F D R D R F R D

30

U D2 B D B D B2 D B D U

22

D B D R D R B R D

31

U D2 F D F D F2 D F D U

n v . m 32 o c . t h k . w w w 33

23

D R2 D2 F D F D R2 D

24

D R D F D F R F D F

25

D R D R D F D F D R2 D

34

U F D F D F D F D F2 U

26

D F D R D F D F R R F

35

U B D B D B D B D B2 U

27

F R D R2 D R D R D F

36

D B D2 F D2 B D2 F D

34

F D R D R D R D R F

F U R U R U R U R F

37

D F D2 B D2 F D2 B D

44

D R D F D F R D

38

B R U R U R U R U B

45

D R D R B D F D F B

39

FDRDRDRDRFBRURUB

46

F D F D2 R D R D R D F2

40

D R F R F U F U F D

47

B D B D2 R D R D R D B2

41

42

43

n v . m 48 D R2 D2 R D R D R2 B D B o c . t h k . w w 49 D R D R2 D R F R F R D w

D R D R2 R2 D R B R B R D

D R D R D R D R D B D B

D R D R D R D R D F D F

50

F D R D R F B R U R U B

51

D R2 D2 F D F R2 D F D F

53

U D2 F D F U R2 U F D U

52

U D2 B D B U R2 U B D U

54

U D B D B D B U D2 F D F

35

55

DR2D2FDFR2UDFDFU

57

56

D R D R D F D F R2 D F D F

UD B D B D B U U D2 F D F U

d. Bướ c 4 : PLL (Permutati (Permutation on of the Last Last Layer ), đây là bướ c xoay chuyển v ị trí các viên để hoàn thành t ầng cuối sao cho m ặt vàng ko b ị xáo trộn


Hình Hình 4.26 4.26: Bướ c 4 theo Fridrich

Bước này có 21 trườ ng ng hợ p

1

URUB2LDRDRDLB2

4

B2LURURULB2DRD

2

B2LDRDRDLB2URU

5

D B D F2 D B D F2 D2

3

DRDB2LURURULB2

6

D F D B2 D F D B2 D2

36

7

D R D R D R D R D R D2

8

D2R D R DR D R DR D

11

FDFUFDFU2BDBUBDB

9

D BDBF D F BDB DF2 R

12

DRDRDFD2RDRDRDF

13

10

FD RDRDR DFDRDRDF D F

15

n v . m DRDRB D B2 R B R B D B D o . c t h k . w w w URURU2BRB RU B U B U2 R

16

DR2DR2DF D R DRDFD2R

17

D R2 DR2 D B DR D R D B D2 R

18

D R2 D R D R2 U R D R U

14

37

D U R2 D U F B R2 F B

19

U R D R U R2 D R D R2 D

20

R DR UR2 D RU DR DR UR2DRU UR2DRU

21

RDRUR2DRUDRUR2


38

e. Nhận xét: đây là giả i thuật có tốc độ, không quá ph ức tạp, đượ c chia thành nhiều trườ ng ng hợ p cụ thể nên nhóm quy ết định lập trình theo gi ải thuật này. 4.3 Lưu đồ giải thuật : 3x3 tươn tươngg ứ ng 6 mặt Sau khi xử lý ảnh s ẽ mô hình hóa kh ối rubik thành 6 ma tr ận 3x3 của khối rubik

n v . m o c . t h k . w w w Hình Hình 4.27: 4.27: ma trtrận của khối rubik

39

Solve

Cross Giải quyết chữ thập ở mặt màu tr ắng

F2l Giải quyết hai t ầng

n v . m Đưa các viên viên màu vàng ovề đúng mặt của nó . c t h k . w w Pll w Oll

Định hướng hướng các viên màu vàng vào vào đúng vị trí và đúng đúng màu

Gọn Rút gọn công thức và đếm bướ c xoay (Trung bình 80 b ư ớ c xoay)

Drive Chuyển công thức của giải thuật thành công th ức điều khiển động cơ

40

Chương 5: XỬ LÝ ẢNH NHẬN DIỆN KHỐI RUBIK 5.1 Các phương pháp nhậ n diện màu s ắc. a) Các phương pháp n hận diện màu sắc . Có 2 phương pháp nhậ n diện màu sắc là:  Dùng cảm biến màu sắc. Một số loại cảm biến như h ình 5.1



n v . m o c . t h Hình5.1 : M k .ột số loại cảm biến[18]. w w ặc webcam. M ột số loại webcam và camera như h ình Dùng các lo ại camera ho w 5.2

Hình Hình5. 5.22 : Một số loại camera và webcam[19]. 41

b) Một số không gian màu.  Không gian màu RGB: là không gian màu mà đa số camera, webcam và c ảm

biến màu sắc s ử dụng. Không gian màu RGB đượ c thể hiện như h ình 5.3 và có bảng màu như h ình 5.4

n v . m Hình5.3 : Không gian màu RGB[20]. o . c t h k . w w w

Hình5.4 : B ảng màu RGB[20].  Vớ i 3 thông s ố R, G và B ta s ẽ dễ dàng phân bi ệt đượ c các màu v ớ i nhau. Ví d ụ

muồn phân biệt màu đỏ và màu xanh lá:

if (R>threshold)&&(Gthreshold)&&(G
Color = ‘Red’; elseif elseif (Rth (G>threshol reshold)&&( d)&&(B
Color = ‘Green’; end

threshold: là m ột ngưỡ ng ng tùy chon cho thích h ợ p 42

 Không gian màu HSV: là m ột trong những không gian màu đượ c sử dụng nhiều

trong việc phân biệt màu. Có 3 thành ph ần chính: H(Hue): đặc trưng cho màu sắ c. o o S(Saturation): đặc trưng cho độ bão hòa. V(Value): đặc trưng cho cường độ sáng o  Không gian màu HSV đượ c thể hiện như mô h ình trong hình 5.5 và có b ảng màu như h ình 5.6

n v . m o màu HSV[20]. Hình5.5 : Không c gian . t h k . w w w

Hình5.6 : Bảng màu HSV[20].  Để phân biệt màu trong trong không gian gian HSV ta có th ể sử dụng thông số H.

dương ta có thể thể làm như sau: sau: Ví dụ để phân biệt màu vàng và màu xanh dương if (H<50)&&(H>50)

Color = ‘Yellow’; Elseif(H<230)&&(H>250)

Color = ‘Blue’; end 43

 Không gian màu Ycbcr: Không gian màu YCbCr đượ c thể hiện như mô h ình

trong hình 5.7 và có b ảng màu như h ình 5.8

n v . YCbCr[20] Hình5.7 : Không gian màu m o c . t h k . w w w

Hình5.8: Bảng màu YCbCr.  Để phân biệt màu trong không gian YCbCr ta có th ể sử dụng thông s ố Y, Cb

và Cr với các ngưỡ ng ng thích h ợ p.Ví p.Ví dụ để phân biệt màu đỏ và màu xanh lá ta sau: có thể làm như sau: If(Cr>threshold1)

Color = ‘Red’; Elseif(Cr< threshold2)

Color = ‘Green’; end 44

5.2 Giải thuật nhận diện màu đượ c sử dụng trong đồ án.  Sử dụng webcam để thu thập hình ảnh: vì webcam có thể nhận diện màu ở nhiều

điểm khác nhau t ại cùng một thời điểm.  Nhận hình ảnh và xử lý bằng Matlab: vì Matlab có nh ững thư việ n chuyên v ề xử lý ảnh.  Nhận biết màu trong không gian YCbCr: vì YCbCr là không gian màu ít b ị ảnh hưở ng thay đổi của ánh sáng. ng do sự thay

5.3 Thu th ập và x ử lý ảnh bằng Matlab  Dùng lưu đồ thu thập ảnh như h ình 5.11

Webcam

Video source ob e c t

n v . m o c . t h k . w w w Frames

N

Available? Y

Image filter

Display Image in guide

đ ồ thu thập ảnh. Hình5.11 : Lưu đồ 45

Hình5.9 : Bảng màu YCbCr trong matlab.  Dựa vào bảng trong hình 5.9 có gi ải thuật như sau: o

o

o

o

o

o



có Cr c ủa màu đỏ và cam là l ớ n nh ất. Dùng kênh Cr và threshold1 để tách màu đỏ và màu cam ra. Kênh Y của màu cam l ớn hơn kênh Y của màu đỏ nên Dùng kênh Y và threshold2 để phân biệt màu đỏ và màu cam. Trong 4 màu còn l ại có màu vàng và màu xanh lá có kênh Cb nh ỏ nên dùng kênh Cb và threshold3 để tách màu vàng và màu xanh lá. kênh Cr Cr của màu vàng nên dùng kênh Cr Kênh Cr c ủa màu xanh lá nh ỏ hơn kênh và threshold6 để tách màu vàng và màu xanh lá. ndùng kênh Cb và threshold5 để tách nên Kênh Cb của màu xanh dương lớn v . màu xanh d ương. m o dùng kênh Y và threshold4 để tách màu Kênh Y của màu tr ắng lớn nên c . t xanh dương. h

k . w Lưu đồ giải thuật sử dụng w trong trong đồ án như như h ình 5.10 và hình 5.11 w

đồ giải thuật xử lý ảnh trong đồ án. Hình5.10 : Lưu đồ 46

n v . m o c . t h k . w w w Hình5.11 : Lưu đồ giải thuật xử lý ảnh trong đồ án.

47

NG PHÁT TRIỂN Chương 6: KẾT QUẢ VÀ HƯỚ NG đạtt đượ đượ c: 6.1 Kết quả đạ c:

6.1.1 Ph ẩn thiết kế và thi công mô hình c ơ khí. - Thiết kế và thi công hoàn ch ỉnh mô hình cơ khí robot rubik 3 cơ c ấu kẹp.

6.1.2 Ph ần thiết kế và thi công m ạch điều khiển. Đi ều khiển được 3 động cơ - Thiết kế và thi công hoàn ch ỉnh các mạch điện của mô hình. Điề bước quay đúng vị trí, 3 động cơ RC Servo kẹ p nhả theo yêu c ầu.

6.1. 6.1.33 Phần giải thuật xoay rubik.  Đưa đầu vào là các ma tr ận màu c ủa khối rubik



n v . m o c . t h k . w w Giải thuật tính ra các bướ wc quay khối rubik về vị trí yêu cầu

lULfbuLLfLLDbrBRuRRUrFRfRRdRDRRdrDbRRBRRDDRRdrDrDDRRURRu RbrBBRRbRRBubrBRBUBBR RbrBBRRbRRBubrBRBUBB R (77 bướ bư ớ c)  Thử vớ i 30 lần kiểm tra, giải thuật đều cho ra k ết quả xoay về khối rubik hoàn

chỉnh, sau đó in số bướ c xoay ra màn hình giao di ện

48

Bảng 1: Kết quả thực nghiệm giải thuật xoay rubik Tổng số bướ c xoay

Kết quả

77

Xoay về gốc

35

81

Xoay về gốc

39

22

69

Xoay về gốc

10

28

41

79

Xoay về gốc

5

13

23

39

75

Xoay về gốc

6

9

30

35

74

Xoay về gốc

7

14

29

27

70

Xoay về gốc

8

12

31

25

68

Xoay về gốc

9

15

79

Xoay về gốc

10

9

83

Xoay về gốc

11

11

85

Xoay về gốc

12

10

68

Xoay về gốc

13

14

42

28

84

Xoay về gốc

14

13

27

35

75

Xoay về gốc

15

8

35

36

79

Xoay về gốc

16

10

26

41

77

Xoay về gốc

17

13

41

20

74

Xoay về gốc

18

15

27

28

70

Xoay về gốc

19

10

39

33

82

Xoay về gốc

20

17

24

27

68

Xoay về gốc

Cross

F2L

Oll và Pll

1

(bướ c xoay) 7

(bướ c xoay) 38

(bướ c xoay) 32

2

11

35

3

8

4

TT

n v . 26 38 m o 33 t . c 41 h k .29 45 w w w 21 37

49

o

Kết luận: vớ i 2 0 lần thử giải thuật đều cho ra k ết quả khối rubik hoàn ch ỉnh điều này chứng tỏ tính ổn định của giải thuật. Trung bình các bư ớ c xoay của giải thuật là 80 chuy ển động.

6.1.4 Kết quả xử lý ảnh nhận diện khối rubik  Kết quả xử lý ảnh nhận diện khối rubik

Bảng 2: Kết quả xử lý ảnh nhận diện khối rubik

Thực tế Green

Webcam

Kết Quả

Green Yellow

G

G

Y

Yellow Blue

White

Y

B

W

Yellow

Green

Y

R

G

Red

n v Chú thí thích: ch: R: màu đỏ G: xanh xanh lá B:xanh B:xanh dương dương .W: màu trắ ng O: màu cam m Y: màu vàng F: không xác đị nh o . c t h k . w w w Bảng 3: Kết quả thực nghiệm vớ i ánh sáng ngoài tr ờ i

Số màu đúng

Số màu sai

9

0

G B W G R O R R Y

8

1

B G W Y B O O G Y

9

0

Thực Tế R Y O R G Y R Y B

Kết Quả R Y O R G Y R Y B

2

G B W G R O O R Y

3

B G W Y B O O G Y

STT 1

50

STT

Thực Tế

Kết Quả

màu đú đúng ng Số màu

Số màu sai

4

G W W W O W G O Y

G F W F O W F O Y

6

3

5

R Y O R G W R Y B

R Y O R G W R Y B

9

0

6

R W W R G W G O Y

R W W R G W F O Y

8

1

7

WO Y R G W B Y O

WO Y R G W B Y O

9

0

8

R Y O R G W R Y B

R Y O n . R G W v m R Y cB o

9

0

9

0

9

. t hO Y W O Y W k . G B G wG B G w B Y O w B Y O

10

R Y O R G W R Y B

R Y O R G W R Y B

9

0

11

B G W G R O O G Y

B G W G R O O G W

8

1

12

G B W R G W O R Y

G B W R G W O R Y

9

0

13

R Y O W O W R Y B

F Y O W O W R Y B

8

1

51

Số màu đúng

Số màu sai

9

0

R O O R G W R O B

7

2

16

G B W G R O O R Y

G B W G R O O R Y

9

0

17

R Y O R G W R Y B

R Y O R G W R Y B

9

0

18

G B W R G W O R O

G B W R G W O R Y

8

1

9

0

9

0

Thực Tế R Y O W O W R Y B

Kết Quả R Y O W O W R Y B

15

R Y O R G W R Y B

STT 14

19

B G W R G W O R Y

20

G W W R G W G O Y

n v B G W m . o R G c W . t O h R Y k . G W W w w w R G W G O Y

21

R O W R G W G O Y

R O W R G W G O W

8

1

22

R O W R G W W G B

R O W R G W W G B

9

0

23

Y O O B Y W B G R

Y O O B Y W B G O

8

1

24

Y O O B Y W W B G

Y O O B Y W W B G

9

0

52

Số màu đúng

Số màu sai

9

0

W O Y G B G B Y O

9

0

27

W O Y G B G R R W

W O Y G B G R R W

9

0

28

W O Y B R B R R W

W O Y B R B O O W

7

2

29

W O Y G B G B Y O

W O Y G B G n B Y O v .

9

0

30

R O Y G B G B Y O

o R O cY . t G h B G k B . Y O

9

0

Thực Tế R Y O R G W R Y B

Kết Quả R Y O R G W R Y B

2

R Y O R G W R Y B

3

W O Y G B G B Y O


Kết Quả R Y O R G W R Y B

26

W O Y G B G B Y O

STT 25

m

w w Bản g 4 : kết quả w thực nghiệm vớ i ánh sáng trong phòng kín

STT 1

Số màu đúng

Số màu sai

9

0

R Y O R G W R Y B

9

0

W O Y G B G B Y O

9

0

53

Số màu đúng

Số màu sai

9

0

G B W R G W O R Y

9

0

6

R Y O W O W R Y B

R Y O W O W R Y B

9

0

7

R Y O R G W R Y B

R O O W O W R O B

7

2

8

G B W G R O O R Y

G B W G R O O R Y

9

0

9

0

9

0

Thực Tế G B W R G W O R Y

Kết Quả G B W R G W O R Y

5

G B W R G W O R Y

STT 4

9

10

n v R Y O R Y O m . o R G W R G c W . t R Y B R h Y B k . G B W G B W w w R G W R G W w O R Y

O R Y

11

B G W R G W O G Y

B G W R G W O G Y

9

0

12

G W W R G W G O Y

G W W R G W G O O

8

1

13

B G W R G W G G Y

B G W R G W G G Y

9

0

14

G W W G R W G O Y

G W W G R W G O Y

9

0

54

STT

Thực Tế

Kết Quả

màu đú đúng ng Số màu

Số màu sai

15

R Y O Y B O R Y B

F Y O Y B O R Y W

7

2

16

G B W W O W O R Y

G B W W O W O R Y

9

0

17

B G W R G W O G Y

B G W R G W O G Y

9

0

18

G B W R G W O R Y

G B W R G W O R Y

9

0

19

R Y O R G W R Y B

9

0

20

G W W R G W G O Y

9

0

21

O Y R R G W G O Y

R Y O R G W R Y B v n . m G W W o c R G W . t h G k . O Y

9

0

w w O Y R w R G W G O Y

22

Y W R O B B R G G

Y W R O B B R G G

9

0

23

Y W R O B B O W B

Y W R O B B O W B

9

0

24

R Y O O B B O W B

R Y O O B B O W B

9

0

25

B G W R G W O G Y

B G W R G W O G Y

9

0

55

Số màu đúng

Số màu sai

7

2

G OB R G W R Y B

9

0

28

G OB R G W W R R

O YB B R W B W B

9

0

29

O YB B R W B W B

G OB R G W W R R

9

0

30

W O Y G B G B Y O

W O Y G B G B Y O

9

0


Kết Quả R W O R G W R W B

27

G OB R G W R Y B

STT 26

n v . m  Kết luận: theo kết quả bảng trên vớ i o ánh sáng ổn định thì chương tr ình x ử lý c .đổ i thì chương tr ình xử lý đúng đúng 87%, chạ y với ánh sáng thay đúng 70% . t h k . w 6.1. 6.1.55 Giao Giao diện chương tr ình. w w hình 6.3  Giao diện chương tr ình: như h ình 6.1, 6.2 và hình

Hình6.1 : Giao di ện chương tr ình 1. 56

Video Screen

Hình6.2 : Giao diện chương tr ình 2.

Moves Panel


Hình6.3 : Giao di ện chương tr ình 3.

57

 Hoạt động của chương tr ình:

ban đầ đầu. 1. Nhấn nút Start up: cài đặ t các thông số ban 2. Nhấn nút Preview: hi ển thị hình ảnh từ webcam lên giao diện. 3. Nhấn nút Capture: Mã hóa các màu c ủa khối rubik vào các ma tr ận để giải. 4. Nhấn nút Slove: đưa ra giả i thuật xoay khối rubik. 5. Nhấn nút Start: bắt đầu xoay khối rubik.

 Chức năng của các thành ph ần trong chương tr ình: o

o o

o

Camera info: hi ển thị các thông số của webcam, và báo l ỗi khi không có webcam. Video screen: hiển thị hình ảnh từ webcam. Panel Moves: hiển thị số chuyển động phải xoay, chuyển động đang thực hiện, số chuyển động còn lại. Manual Panel: chức năng điề u khiển bằng tay. Quay trái, quay ph ải 3 cánh tay và quay các m ặt

6.1.6 Tổng quan k ết quả hoạt động của robot  Tổng quan ho ạt động của robot: robot: Robot Robot hoạt nđộng ổn định, xoay hoàn thành kh ối

v . m o Bảng kết quả thự t c nghi . c ệm hoạt động robot rubik h k . w w w

rubik vớ i xác su ất 60% .

58

6.2 Nhữ ng ng tồn tại và hạn chế cần khắc phục: định, còn sai s ố về cơ khí khí,, cơ cấ cấu kẹp chậm.  Phần cơ khí: Hoạt độ ng chưa ổn đị  Phần xử lí ảnh: Còn sai s ố khi nguồn sáng bị nhiễu.  Phần giải thuật: Giải thuật xoay rubik còn ch ậm, chưa tối ưu.  Chưa xét đế n thờ i gian gi ải rubik.

6.3 Hướ ng ng phát tri ển của đề tài: 

Tối ưu tốc độ xoay rubik c ủa robot vớ i các giải pháp:

cấu kẹp nhanh hơn.  Thiết kế cơ cấ  Xử lí ảnh nhận diện đượ c nhiều khối rubik, chương tr ình x ử lí ảnh hoạt động ổn

định và ít nhiễu hơn.

n nhanh hơn.  Nghiên cứu giải thuật mớ i vớ i tốc độ giải rubik v . m o . c t h k . w w w

59

TÀI LIỆU TH THAM KHẢO [1] Thắng Nguyễn, ‘RUBIK - NIỀM ĐAM MÊ TRÍ TUỆ, http://www.khoahocviet.org/chu-de/37053-rubik-niem-dam-me-tri-tue/ [2] Lea Kivivali, ‘ Robot Ruby breaks Rubik’s Rubik’s record, http://www.swinburne.edu.au/chancellery/media http://www.swinburne.edu.au /chancellery/mediacentre/alumni/ centre/alumni/news/2011/05/robot-rubynews/2011/05/robot-rubybreaks-rubiks-record

[3] Tilted Tilted Twiste Twisterr 2.0, ‘Hans Andersson, http://tiltedtwister.com/tiltedtwister2.html [4] Staff, 'Feature: Kawasaki Robot Solves Solves Rubik's Cube in 6 Seconds(Video) , http://www.techeblog.com/elephant/phot http://www.techeblog.com/elephant/photo.phtml?post_key=146347&phot o.phtml?post_key=146347&photo_key=7387 o_key=7387 [5] Stefan Stefan Pochmann Pochmann, ‘Budapest 2005 , http://www.stefanpochmann.info/spocc/other_stuff/events/budapest2005/ [6] University students solves Rubiks Rubiks cube in 15 [7] Christoph Christopher er Wink, ‘ Robot from Rowan University n v http://technicallyphilly.com/2011/03/14/robot 03/14/robot seconds, http://technicallyphilly.com/2011/ . -from-rowan-university-students m solves-rubiks-cube-in-15-seconds o c . tL298 [8] STMicr STMicroel oelect ectron ronics ics (2000) (2000):: Datash Datasheet eet L298.. Trang Trang web web htt http:/ p://ww /www.s w.st.c t.com. om. h

k . weet L297 . Trang [9] STMicroe STMicroelect lectronics ronics (2001): (2001): Datash Datasheet Trang web web http://www. http://www.st.co st.com m. w w Trang web htt [10] Good-A Good-Ark rk : Datash Datasheet eet FR204 FR204 . Trang http:/ p://ww /www.d w.data atashe sheetc etcata atalog log.co .com m.

[11] Sharp Sharp : Datasheet Datasheet PC817 PC817 . Trang Trang wed http://www http://www.data .datasheet sheetcata catalog.c log.com om . [12] Nguyễn Văn Nhờ (200 (2002) 2) : Giáo Giáo trì trình nh Điện tử công suất 1 . Nhà xuất bản ĐHQG . [13] http://www.go.vn/diendan/showthread.php?342448-Huong-dan-choi-rubik-3x3x3cho-ng-chua-bit-choi-tong-hop[14] Gilles Gilles Roux, Roux, http://gr http://grrroux rroux.free. .free.fr/me fr/method/I thod/Intro ntro.html .html [15] Lars Petrus Petrus , http://www http://www.lar5 .lar5.com .com/cube /cube/blox /blox.html .html [16] Jessica Jessica Fridrich, Fridrich, http://ww http://www.ws.bi w.ws.bingham nghamton.e ton.edu/fr du/fridri idrich/sy ch/system.h stem.html tml [17] http://www.philohome.com/sensors/colorsensor.htm http://www.philohome.com/sensors/colorsensor.htm [18] http://baoan.vn/product/linh-kien/webcam--tb-xem http://baoan.vn/product/linh-kien/webcam--tb-xem-tivi -tivi [19] http://compression.ru/download/articles/col http://compression.ru/download/articles/color_space/ch03.pdf or_space/ch03.pdf 60

PHỤ LỤC A. Phụ lục hình vẽ Hình 1.1: Robot Ruby Hình 1.2: Robot Tilted Twister Hình 1.3: Robot c ủa hãng Kawasaki Hình 2.1: Robot c ủa Evan Gates (2004) Hình 2.2: Mô hình k ẹp 3 mặt rubik Hình 2.3: Cánh tay gi ải rubik trong 15s c ấu kẹp. Hình 2.4: Mô hình cơ cấ

Hình 2.5: Cơ cấu kẹp khi hoạt động

n v . Hình 2.6 : Mô hình c ơ cấu kẹp m o . ccác điểm 14, 15 và 16. Hình 2.7: Qu ĩ đạo chuyển động và tọa độ t của h k . khi điể m 16 tớ i vị trí y = 24.227mm Hình 2.8: Vị trí của của điểm 14, 15 w w w cấu kẹp thực tế Hình 2.9: Cơ cấ Hình 2.10: Mô hình các cánh tay nghiêng Hình 2.11: Mô hình các cánh tay vuông góc nhau Hình 2.12: Mô hình khung c ơ khí Hình 2.13: Khung cơ khí th ực tế đ ồ đặc tuyến của opto. Hình 3.1 : Sơ đồ đ ồ nguyên lý mạch tăng dòng cho L298. Hình 3.2 : sơ đồ Hình 3.3:Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động cơ bước lưỡ ng ng cực dùng cặp

L297+L298. Hình 3.4 :Đư ờng đặc tuyến của L298. 61

đ ồ khối mạch điều khiển . Hình 3.5 : Sơ đồ

Hình 3.6 : M ạch điều khiển . Hình 3.7 :Mạch công su ất Hình 4.1: Quy ước 1 Hình 4.2: Quy ước 2 Hình 4.3: Quy ước 3 Hình 4.4: Quy ước 4 Hình 4.5: Quy ư ớc 5 Hình 4.6: Quy ước 6 Hình 4.7: Quy ước 7

n v . m Hình 4.9: B ước 2 theo cách cơ bả n o c . t h Hình 4.10: Bư ớc 3 theo cách cơ bả n k . w bả w Hình 4.11: Bư ớc 4 theo cách cơ w n Hình 4.8: B ước 1 theo cách cơ bả n

Hình 4.12: Bư ớc 5 theo cách cơ bả n Hình 4.13: Bư ớc 6 theo cách cơ bản Hình 4.14: Bư ớ c 1 theo Roux Hình 4.15: Bư ớ c 2 theo Roux Hình 4.16: Bướ c 3 theo Roux Hình 4.17: Bư ớ c 4 theo Roux Hình 4.18: Bư ớ c 1 theo Lars Hình 4.19: Bư ớ c 2 theo Lars Hình 4.20: Bư ớ c 3 theo Lars 62

Hình 4.21: Bư ớ c 4 theo Lars Hình 4.22: Bư ớ c 5 theo Lars Hình 4.23: Bư ớ c 1 theo Fridrich Hình 4.24: Bư ớ c 2 theo Fridrich Hình 4.25: Bư ớ c 3 theo Fridrich Hình 4.26: Bư ớ c 4 theo Fridrich Hình 4.37: ma tr ận của khối rubik Hình5.1 : Một số loại cảm biến[18]. Hình5.2 : Một số loại camera và webcam[19]. Hình5.3 : Không gian màu RGB[20].

n v . m Hình5.5 : Không gian màu HSV[20]. o c . t h Hình5.6 : B ảng màu HSV[20]. k . w w Hình5.7 : Không gian màu YCbCr[20] w Hình5.4 : B ảng màu RGB[20].

Hình5.8: Bảng màu YCbCr. đồ thu thập ảnh. Hình5.11 : Lưu đồ

Hình5.9 : B ảng màu YCbCr trong matlab. Hình5.10 : Lưu đồ giải thuật xử lý ảnh trong đồ án. Hình5.11 : Lưu đồ giải thuật xử lý ảnh trong đồ án. Hình6.1 : Giao di ện chương tr ình 1. Hình6.2 : Giao di ện chương tr ình 2. Hình6.3 : Giao di ện chương tr ình 3.

63

Bảng 1: Kết quả thực nghiệm giải thuật xoay rubik Bảng 2: Kết quả xử lý ảnh nhận diện khối rubik Bảng 3: Kết quả thực nghiệm vớ i ánh sáng ngoài tr ờ i Bảng 4: kết quả thực nghiệm vớ i ánh sáng trong phòng kín Bảng 5: kết quả thực nghiệm hoạt động robot rubik


64

khí í B. Bản vẽ cơ kh  Bản vẽ cơ cấu kẹp


65


66


67


68


69


70


71


72

 Bản vẽ các chi tiết khung cơ khí.


73


74


75


76


77


78

C. Sơ đồ mạch nguyên lý mạch điện . Mạch điều khiển :

Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn .


79

n v . m o c . t h k . w w w Sơ đồ nguyên lý ngõ ra.

Sơ đồ nút nhấn . 80


Sơ đồ nguyên lý khối cách ly

81


Sơ đồ nguyên lý mạch khối điều khiển .

82

Mạch công suất


Sơ đồ nguyên lý kh ối công suất lái động cơ . 83

Thiet Ke Va Thi Cong Robot Xoay Rubik

Recommend Documents