Thiet Ke Va Thi Cong Robot Xoay Rubik

1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT TP.HCM

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

Thiết kế và thi công robot xoay rubik

Design and fabrication of a Rubik Solver Robot

Giáo viên hướng dẫn : KS Nguyễn Minh Triết

Sinh viên thực hiện :

Đặng Trung Hiếu 07111020

Trần Quang Huy 07111028

Hoàng Ngọc Thuận 07111080

TP.HCM, THÁNG 12 NĂM 2011

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

i

Bộ Giáo Dục và Đào Tạo

Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM

---oOo---

CỘNG HÒA – XÃ HỘI – CHỦ NGHĨA – VIỆTNAM

Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

---oOo---

Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy

Bộ môn Cơ Điện TửSố:

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

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

1. Thông tin người thực hiện:

Họ và tên sinh viên: Đặng Trung Hiếu

Ngành: Cơ Điện TửĐiện thoại: 0922074509

MSSV: 07111020

Lớp: 071111B

Email: [email protected]

Giáo viên hướng dẫn: KS. Nguyễn Minh Triết

Điện thoại: 09374 09347

Đơn vị : BM. Cơ Điện Tử

2. Tên đồ án:


3. Nhiệm vụ đồ án: (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu)

Nhiệm vụ:

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

- Thiết kế và thi công khung robot với 3 khớp xoay rubik

4. Thời gian thực hiện:

Ngày giao nhiệm vụ: 07/9/2011 Ngày hoàn thành: 31/12/2011

Nội dung nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp đã được thông qua Bộ Môn

Ngày tháng nămBộ môn Cơ Điện Tử(ký và ghi rõ họ tên)

Ngày tháng nămNgười hướng dẫn

(ký và ghi rõ họ tên)

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

ii



---oOo---



---oOo---






Họ và tên sinh viên: Trần Quang Huy


MSSV: 07111028

Lớp: 071111B



Điện thoại: 09374 09347


2. Tên đồ án:



Nhiệm vụ:

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

- Lập trình giao diện xử lí ảnh.







CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

iii



---oOo---



---oOo---






Họ và tên sinh viên: Hoàng Ngọc Thuận


MSSV: 07111080

Lớp: 071111A



Điện thoại: 09374 09347


2. Tên đồ án:



Nhiệm vụ:

- Nghiên cứu giải thuật xoay rubik.

- Lập trình 1 giải thuật xoay rubik theo mô hình cơ khí 3 khớp xoay.







CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

iv

ÐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍMINH



CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Ðộc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

PHIẾU NHẬN XÉT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

(Dùng cho giáo viên hướng dẫn LVTN)

TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ROBOT XOAY RUBIK

Họ và tên sinh viên thực hiện: Đặng Trung Hiếu MSSV: 07111020

Trần Quang Huy MSSV: 07111028

Hoàng Ngọc Thuận MSSV: 07111080

Họ và tên người nhận xét: Nguyễn Minh Triết MSCB: ………...

I. PHẦN NHẬN XÉT :

1. Về cuốn báo cáo

Về hình thức:

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

Về phần tổng quan:

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

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

v

Về nội dung và kết quả nghiên cứu

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

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

2. Về sản phẩm/ chương trình demo

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………Về báo cáo và trả lời chất vấn:

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

3. Về tinh thần thái độ làm việc

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

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

vi

II. PHẦN CHẤM ĐIỂM:

Nội dung đánh giá Điểm tốiđa

Điểm thực chấm

CUỐN BÁO CÁO 4

Về hình thức 0.5

Tóm tắt 0.5

Về phần tổng quan 1

Về nội dung 1

Về kết quả nghiên cứu 1

SẢN PHẨM/ CHƯƠNG TRÌNH DEMO 3

Chức năng của sản phẩm đáp ứng yêu cầu đặtra

2

Sản phẩm có khả năng ứng dụng trong thựctiễn

1

BÁO CÁO VÀ TRẢ LỜI CHẤT VẤN 2

Báo cáo tốt 1

Trả lời chất vấn tốt 1

TINH THẦN THÁI ĐỘ LÀM VIỆC 1

TỔNG CỘNG 10

Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng 12 năm 2011

NGƯỜI ĐÁNH GIÁ

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

vii

ÐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍMINH



CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Ðộc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

PHIẾU NHẬN XÉT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

(Dùng cho giáo viên phản biện LVTN)

TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG ROBOT XOAY RUBIK

Họ và tên sinh viên thực hiện: Đặng Trung Hiếu MSSV: 07111020

Trần Quang Huy MSSV: 07111028

Hoàng Ngọc Thuận MSSV: 07111080

Họ và tên người nhận xét: ……………….. MSCB: ………...

III. PHẦN NHẬN XÉT :

4. Về cuốn báo cáo

Về hình thức:

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

Về phần tổng quan:

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

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

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

viii

Về nội dung và kết quả nghiên cứu

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

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

5. Về sản phẩm/ chương trình demo

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………Về báo cáo và trả lời chất vấn:

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

6. Về tinh thần thái độ làm việc

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

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

ix

IV. PHẦN CHẤM ĐIỂM:

Nội dung đánh giá Điểm tối đa Điểm thực chấm

CUỐN BÁO CÁO 4

Về hình thức 0.5

Tóm tắt 0.5

Về phần tổng quan 1

Về nội dung 1

Về kết quả nghiên cứu 1

SẢN PHẨM/ CHƯƠNG TRÌNH DEMO 3

Chức năng của sản phẩm đáp ứng yêu cầu đặt ra 2

Sản phẩm có khả năng ứng dụng trong thực tiễn 1

BÁO CÁO VÀ TRẢ LỜI CHẤT VẤN 2

Báo cáo tốt 1

Trả lời chất vấn tốt 1

TINH THẦN THÁI ĐỘ LÀM VIỆC 1

TỔNG CỘNG 10

Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng 12 năm 2011

NGƯỜI ĐÁNH GIÁ

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

x

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành báo cáo đồ án tốt nghiệp robot xoay rubik, chúng em đã nhận đượcsự giúp đỡ nhiệt tình của bộ môn cơ điện tử, khoa cơ khí chế tạo máy, trường Đại học SưPhạm Kỹ Thuật Hồ Chí Minh. Chúng em xin bày tỏ lời cám ơn và kính trọng tới các cánhân 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 Triếtngười đã hướng dẫn chúng em trong suốt quá trình 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 chếtạo 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 KỹThuật Tp Hồ Chí Minh, những người đã trang bị cho chúng em những kiến thức quý báuđể giúp chúng em hoàn thành đồ án này.

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

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

xi

TÓM TẮT

Đề tài nghiên cứu thiết kế và thi công robot xoay rubik theo mô hình: 3 cơ cấu kẹprubik lập phương 3x3 (kích thước cạnh 57mm), khung robot với 3 khớp xoay các mặttương ứng của khối rubik. Thiết kế và thi công mạch điều khiển robot xoay rubik với cácchức năng: Điều khiển vị trí 3 động cơ bước, điều khiển vị trí 3 động cơ servo, giao tiếpmáy tính. Nghiên cứu các giải thuật xoay rubik. Lập trình 1 giải thuật xoay rubik theo môhình cơ khí 3 khớp xoay. Nghiên cứu ứng dụng thu thập và xử lý ảnh để nhận dạng khốirubik. Lập trình giao diện điều khiển xoay rubik trên máy tính.

Kết quả đạt được: Thi công hoàn thành mô hình cơ khí đã thiết kế, mạch điềukhiển hoạt động tốt, ổn định. Chương trình giải thuật hoàn thành bài toán xoay rubiktrung bình trong khoảng 70 bước. Chương trình xử lí ảnh nhận diện màu sắc chính xáctrong môi trường ánh sáng tốt.

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

xii

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i.ii,iii

PHIẾU NHẬN XÉT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP iv, v,vi,vii,viii,ix

LỜI CẢM ƠN x

TÓM TẮT xi

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1

1.1 Tổng quan về robot xoay rubik. 1

1.1.1 Rubik. 1

1.1.2 Robot xoay rubik.

1.1.3 Ứng dụng của robot xoay rubik. 3

1.2 Nội dung và giới hạn đồ án 3

1.2.1 Các yêu cầu của một robot xoay rubik. 3

1.2.2 Nội dung thực hiện. 3

1.2.3 Giới hạn đề tài. 3

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ 4

2.1 Thiết kế cơ cấu kẹp. 4

2.2.1 Các kiểu cơ cấu kẹp đã có. 4

2.2.2 Lựa chọn phương án và tính toán thiết kế. 6

2.2.3 Mô phỏng hoạt động của cánh tay kẹp. 9

2.2.4 Hình ảnh mô hình cơ cấu kẹp đã thi công. 10

2.2 Thiết kế khung cơ khí 11

2.2.1 Các phương án đã có. 11

2.2.2 Lựa chọn phương án và tính toán thiết kế. 12

2.2.3 Hình ảnh mô hình cơ khí thiết kế và gia công. 13

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

xiii

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 Lựa chọn phương án giải quyết các yêu cầu. 14

3.1.3 Sơ đồ khối tổng quát của 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 Trình bày lưu đồ giải thuật chương trình chính. 20

3.2.2 Trình bày lưu đồ giải thuật chương trình con. 20

Chương 4: GIẢI THUẬT4.1 Quy ước ký hiệu thông dụng và hệ tọa độ khối rubik. 22

4.2 Các giải thuật xoay rubik. 24

4.2.1 Giải thuật theo cách đơn giản. 24

4.2.2 Giải thuật theo Roux. 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 nhận diện màu sắc. 40

5.2 Giải thuật nhận diện màu được sử dụng trong đồ án. 44

5.3 Thu thập và xử lý ảnh bằng Matlab. 44

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

xiv

Chương 6: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 47

6.1 Kết quả đạt được 47

6.1.1 Phần thiết kế và thi công mô hình cơ khí. 47

6.1.2 Phần thiết kế và thi công mạch 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 trình. 55

6.1.6 Tổng quan kết quả hoạt động của robot. 57

6.2 Những tồn tại và hạn chế cần khắc phục. 58

6.3 Hướng phát triển của đề tài. 58

Chương 7: TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

PHỤ LỤC 60

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

xv

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1 Tổng quan về robot xoay Rubik.1.1.1 Rubik.- Năm 1974, niềm đam mê hình học và nghiên cứu những mẫu dạng ba chiều đã

thôi thúc kiến trúc sư Erno Ruik (Hunggary) phát minh ra món đồ chơi Rubik nổitiếng [1].

- Mỗi mặt của phiên bản rubik 3x3x3 có 9 ô vuông và được sơn phủ một trong sáumàu khác nhau, thông thường là trắng, đỏ, vàng, cam, xanh lá cây và xanh dương.Bài toán xoay rubik bắt đầu bằng việc xáo trộn tất cả vị trí các ô vuông ở mỗi mặt,sao cho các màu sắc xen kẽ nhau. Muc tiêu: xoay mỗi mặt của rubik có màu giốngnhau.

1.1.2 Robot xoay rubik:- Robot xoay rubik là đề tài được rất nhiều công ty đồ chơi mô hình và sinh viên các

trường đại học quan tâm, phát triển.

- Nhóm sinh viên Đại học Swinburne đã lập kỷ lục mới cho robot của họ trong việchoàn thành 6 mặt của rubik chỉ mất có 10,69 giây (hình 1.1).

Hình 1.1: Robot Ruby [2]

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

2

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

Hình 1.2: Robot Tilted Twister [3]

- Robot của hãng Kawasaki (hình 1.3)

Hình 1.3: Robot của hãng Kawasaki [4]

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

3

1.1.3 Ứng dụng của robot xoay rubik.- Giải trí: trưng bày và triển lãm.

- Học tập: Dùng làm mô hình học tập xử lí ảnh, giải thuật xoay rubik và điều khiểnđộng cơ, lập trình ứng dụng.

1.2 Nội dung và giới hạn đồ án.1.2.1 Các yêu cầu của một robot xoay rubik:a. Cơ khí:- Cơ cấu kẹp để kẹp các mặt của khối rubik kích thước 57mm.

- Khung cơ khí để lắp các cơ cấu kẹp.b. Mạch điện.

- Điều khiển được 3 động cơ bước , 3 động cơ rc servo quay đúng góc theo yêu cầu

- Giao tiếp với máy tính .

- Hiển thị LCD và giao tiếp người dùng .

c. Giải thuật: đầu vào là các ma trận màu của khối rubik, giải thuật tính ra các bướcquay khối rubik về vị trí yêu cầu.

d. Xử lí ảnh: nhận biết được màu đơn sắc.1.2.2 Nội dung thực hiện.- Thiết kế và thi công cơ cấu kẹp rubik lập phương 3x3 (kích thước cạnh 57mm).

Thiết kế và thi công khung robot với 3 khớp xoay rubik.

- Thiết kế và thi công mạch điều khiển robot xoay rubik với các chức năng:

o Điều khiển vị trí 3 động cơ bước.o Điều khiển vị trí 3 động cơ servo.o Giao tiếp máy tính.

- Nghiên cứu các giải thuật xoay rubik. Lập trình 01 giải thuật xoay rubik theo môhình cơ khí 03 khớp xoay.

- Nghiên cứu ứng dụng thu thập và xử lý ảnh để nhận dạng khối rubik. Lập trìnhgiao diện điều khiển xoay rubik trên máy tính.

1.2.3 Giới hạn đề tài.Chưa giới hạn về thời gian xoay rubik.

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

4

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ2.1 Thiết kế cơ cấu kẹp2.1.1 Các kiểu cơ cấu kẹp đã có.- Kiểu quay 6 mặt: với cơ cấu xoay gồm 6 trục dài nối vào động cơ và 6 mặt của

rubik (hình 2.1).

Hình 2.1: Robot của Evan Gates (2004) [5]

- Kiểu quay 3 mặt: Cơ cấu được thiết kế như 3 cánh tay robot, mỗi cánh tay gồm 2thanh kẹp để giữ chặt mặt rubik cần xoay, và 1 khớp xoay để quay mặt đã được cốđịnh (Hình 2.2).

Hình 2.2: Mô hình kẹp 3 mặt rubik [6]

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

5

- Kiểu quay 2 mặt rubik: Cơ cấu được thiết kế như 2 cánh tay robot, mỗi cánh taygồm 2 thanh kẹp để giữ chặt mặt rubik cần xoay, và 1 khớp xoay để quay mặt đãđược cố định (hình 1.1).

- Kiểu xoay 1 mặt: Cơ cấu gồm 1 khớp để xoay và các khớp cần thiết để giữ cụcrubik cố định các mặt còn lại của rubik (Hình 1.2, hình 2.4).

Hình 2.3: Cánh tay giải rubik trong 15s [7]

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

6

2.1.2 Lựa chọn phương án và tính toán thiết kế.a. Lựa chọn mô hình: Với giải thuật đã lựa chọn, nhóm quyết định thi công mô hình

cơ cấu 3 cánh tay kẹp, mỗi cánh tay gồm 2 thanh kẹp và 1 khớp xoay để cố định 1mặt rubik, khớp xoay còn lại để quay mặt rubik đã cố định đó.

Hình 2.4: Mô hình cơ cấu kẹp.

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

7

b. Thiết kế cơ cấu kẹp rubik:- Đế gắn thanh kẹp: Là chi tiết để giữ trục nối động cơ và lắp thanh kẹp. Do phải lắp

thêm bạc đạn đường kính ngoài 12mm, và thanh kẹp, nên được thiết kế với L =27mm.

- Thanh trượt ren: Là chi tiết chuyển động tinh tiến khi trục nối động cơ servo quay,và trên thanh trượt ren có thanh đẩy để tác động vào thanh kẹp, thiết kế với l =20mm nhằm đảm bảo lắp được thanh đẩy, taro ren m8x1.25 và không bị va chạmvới thanh kẹp khi cơ cấu kẹp chặt rubik.

- Khoảng cách giữa 2 mặt rubik là b = 57mm, khoảng cách giữa 2 cạnh rubik là b’= 79mm nên thanh kẹp được đẩy ra với khoảng cách giữa 2 cạnh kẹp là B = 85.

- Với a1 ≈ 14.23mm thì 2 chi tiết thanh trượt ren và đế gắn thanh kẹp không bị vachạm khi cơ cấu kẹp rubik.

- Cạnh nghiêng thanh kẹp a3 = 42.014mm.

- Khi cơ cấu kẹp rubik (hình 2.6):

o Góc giữa cạnh nghiêng thanh kẹp và trục đứng khi kẹp:

x = arcsin(( 57/2-27/2)/42) ≈21o

o Chiều cao thanh kẹp a4 = a5 + a3*cos(21)

Với a5 là chiều cao cạnh thẳng thanh kep, là phần kẹp cục rubik, chọn a5 = 12, có:a4 = 12 + 42*cos(21) ≈ 51mm.

o Góc tạo bởi thanh đẩy và trục đứng:

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

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

- Khi cơ cấu kẹp mở (hình 2.6):

o Góc giữa cạnh nghiêng thanh kẹp và trục đứng:

y = acrsin((20/2+31.2-27/2)/42) ≈ 41.27o

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

o Vậy chiều dài ren cần gia công là 31.6- 14.227 ≈17 .4mm.

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

8

Hình 2.5: Cơ cấu kẹp khi hoạt động

Hình 2.6 : Mô hình cơ cấu kẹp

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

9

2.1.3 Mô phỏng hoạt động của cánh tay kẹp.

Hình 27 .: Quĩ đạo chuyển động và tọa độ của các điểm 14, 15 và 16.

Hình 2.8: Vị trí của của điểm 14, 15 khi điểm 16 tới vị trí y = 24.227mm

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

10

2.1.4 Hình ảnh mô hình cơ cấu kẹp đã thi công

Hình 2.9: Cơ cấu kẹp thực tế

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

11

2.2 Thiết kế khung cơ khí2.2.1 Các phương án đã có:

- Để các cánh tay nghiêng 1 góc alpha.

Hình 2.10: Mô hình các cánh tay nghiêng

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

12

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

Hình 2.11: Mô hình các cánh tay vuông góc nhau

2.2.2 Lựa chọn phương án và tính toán thiết kế

- Với cơ cấu 3 cánh tay kẹp, khung cơ khí đuợc với các cánh tay vuông góc vớinhau.

- Khung dưới: Khoảng cách giữa 2 cánh tay kẹp trên: Mỗi cánh tay kẹp gồm phầnmeka dài 126.94mm, rubik cạnh dài 56.5 mm, phần kẹp của cánh tay 4.88mm. Dođó, phần khung dưới có chiều dài 126.94*2 + 56.5 – 4.88*2 ≈ 299mm. Thiết kếkhung dưới dài 304mm để điều chỉnh cánh tay trong trường hợp cánh tay bị lệch.Phần cánh tay dưới lắp giữa phần khung dưới.

- Khung bên cạnh: Khung dưới cao 87mm, chiều cao phần meka cánh tay kẹp cao126.94mm, phần kẹp dưới 4.88mm, 1 nửa cục rubik 56.5/2. Do đó, cánh tay kẹp 2bên được đặt ở chiều cao 87 + 126.94 – 4.88 + 56.5/2 ≈ 237.31mm. Thiết kếkhung với cánh tay kẹp cao ≈243mm để dễ điều chỉnh các sai số khi lắp ghép.

- Chiều cao 3 khung bên cạnh, thiết kế cao 340mm để gắn webcam.

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

13

2.2.3 Hình ảnh mô hình cơ cấu kẹp thiết kế và gia công.

Hình 2.12: Mô hình khung cơ khí

Hình 2.13: Khung cơ khí thực tế

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

14

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN

3.1. Sơ đồ khối mạch điều khiển.

3.1.1. Yêu cầu của mạch điều khiển.

a. Mạch điều khiển :

- Điều khiển được 3 động cơ bước quay đúng góc theo yêu cầu , 3 động cơ RC

Servo kẹp nhả theo yêu cầu.

- Giao tiếp với máy tính.

- Chạy liên tục ổn định trong thời gian dài .

- Yêu cầu cách ly giữa mạch điều khiển và mạch công suất.

- Có đèn báo nguồn.

b. Mạch công suất:

- Điều khiển động cơ bước lưỡng cực 2A, có khả năng qua đúng góc 900.

- Có đèn báo nguồn.

3.1.2. Lựa chọn phương án giải quyết các yêu cầu.

a. Lựa chọn linh kiện :

- Sử dụng vi điều khiển PIC 16F887.

- Giao tiếp với máy tính: sử dụng mạch FT232RL .

- Sử dụng cặp IC điều khiển động cơ bước chuyên dụng L297 +l298 vì: điều khiển

được động cơ bước ở chế độ “nửa bước“ khi kết hợp với IC công suất L298 (cho

động cơ có dòng nhỏ hơn 2A).

b. Cơ sở thiết kế và tính toán:

- Mạch điều khiển:

o Tất cả các chân của PIC có khả năng cấp và rút dòng khoảng 25mA.Tuy nhiên,

giới hạn của mỗi PORT (8 chân) chỉ là 90mA. Do đó, khi thiết kế cần tính toán

tránh quá tải cho từng chân (vượt quá 25mA) và tránh quá tải cho toàn PORT

(90mA).

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

15

o Tính toán cho opto dẫn ở chế độ bão hòa (h 3.1) :

IC max = 100.10-6 = 1,16.10-3 A

Vậy nên ta chọn IF 5 đến 10 mA

R= (5-Vled+Vopto) /IF = (5-0.7-0.7) /0,005= 720 Ω

=> Chọn điện trở 470 Ω

Hình 3.1: Sơ đồ đặc tuyến của opto.

- Mạch công suất:

o Chọn chế độ “nửa bước “.

o Ghép 2 con IC l298 với nhau để tăng dòng khi dùng với động cơ bước lớn hơn

2A (như hình 3.2).

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

16

Hình 3.2: sơ đồ nguyên lý mạch tăng dòng cho L298.

o Kết hợp L297+l298 , với RS1= RS2 = 0,5Ω , D1->D8 là diode xung (VF < 1,2 V

, Trr < 200ns).

Hình 3.3:Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển

động cơ bước lưỡng cực dùng cặp L297+L298.

o Giá trị điện áp so 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):

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

17

PRS1= PRS1= UI = 2W => chọn điện trở 5 W

o Giá trị của VS nhỏ nhất để dòng qua động cơ đạt 2A (h3.4):

VS = VRS1+ VSAT(L) + VSAT(H)+ Vđộng cơ

= 1 + 1.2 + 1.4 + 2,53 = 6,63 V

Hình 3.4: Đường đặc tuyến của L298.

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

18

3.1.3 Sơ đồ khối tổng quát của mạch điều khiển:

Hình 3.5: Sơ đồ khối mạch điều khiển.

3.1.4 Giải thích hoạt động của sơ đồ khối (hình 3.5).

- Khối nguồn: DC 5V 30A.

- Khối điều khiển: xử lý mọi hoạt động thao tác, xử lý các tín hiệu từ máy tính, điều

khiển động cơ.

- Khối công suất lái động cơ: điện áp một chiều lớn nhất 46V, dòng một chiều liên tục

2A.

- Giao tiếp máy tính chuẩn RS232: giao tiếp giữa máy tính và vi điều khiển theo

chuẩn RS232.

Khối điều khiểnPIC 16F887.

Giao tiếp máytính chuẩn

RS232.

Khối côngsuất lái động

cơ.Khối cách

ly.

Khối nguồn.

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

19

3.1.5 Hình ảnh mạch điều khiển sau khi thi công.

Hình 3.6: Mạch điều khiển.

Hình 3.7: Mạch công suất.

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

20

3.2.1 Lưu đồ giải thuật điều khiển.

a. Trình bày lưu đồ giải thuật chương trình chính:

Gặp kí tự kếtthúc?

kiemtra()

Gửi tín hiệu phản hồi về máy tính

Y

N

Nhận lệnh từmáy tính?

N

Y

Bắt đầu

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

21

b. Trình bày lưu đồ giải thuật chương trình con:

Cánh tay kẹp? Xuất tín hiệu điều khiển độngcơ RC Servo quay thuận

Cánh tay nhả? Xuất tín hiệu điều khiển độngcơ RC Servo quay nghịch

Xoay cánh taysang trái?

Xuất tín hiệu điều khiểnđộng cơ bước quay trái

Xoay cánh taysang phải?

Xuất tín hiệu điều khiểnđộng cơ bước quay phải

Quay lại

N

Y

Y

N

Y

N

NY

kiemtra()

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

22

Chương 4: GIẢI THUẬT

4.1 Quy ước ký hiệu thông dụng và hệ tọa độ khối rubik : Up : trên(U), Down : dưới (D), Left : trái (L), Right : phải (R), Front : trước (F)

và Back : sau (B)

Hình 4.1: Quy ước 1

Chữ hoa tức là quay mặt đó theo chiều kim đồng hồ 1 góc 90 độ


Chữ hoa cộng thêm dấu tick ( ' ) nghĩa là quay ngược theo chiều kim đồng hồ 1góc 90 độ


Chữ hoa đi kèm theo số 2 nghĩa là quay mặt đó 180 độ, và chiều nào cũng nhưnhau cả

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

23


Quay trục giữa bao gồm E (Equator- ngang bằng), M (Middle - giữa) và S(Standing - thẳng đứng ) cũng tuân theo 3 quy luật như trên


Quay đôi 2 lớp: tức là ngoài lớp ở ngoài cùng ra còn có lớp kề nó, được kýhiệu bằng chữ cái thường tuân theo 3 quy tắc cơ bản trên


Cuối cùng là bước lật cả khối rubik theo trục X,Y hoặc Z tương đương với cácmặt R,U và F( phải, trên và trước) làm trục quay


CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

24

4.2 Các giải thuật xoay rubik :4.2.1 Giải thuật theo cách đơn giản : [1]

a. Bước 1 : Tạo hình chữ thập ở mặt màu trắng, ta tìm các viên cạnh màu trắng vàđưa nó về đúng vị trí

Hình 4.8: Bước 1 theo cách cơ bản

b. Bước 2 : giải 4 viên góc ở mặt màu trắng để hoàn thành tầng 1


c. Bước 3 : giải 4 viên cạnh ở tầng 2 để hoàn thành hai tầng

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

25


d. Bước 4 : tạo chữ thập ở mặt màu vàng


e. Bước 5 : đưa 4 viên góc ở mặt màu vàng vào đúng vị trí nhưng chưa đúng màu


f. Bước 6 : hoán vị các góc ở mặt màu vàng sao cho các góc đều đúng màu


g. Nhận xét: đây là giải thuật đơn giản dành cho người mới biết chơi rubik, có ítthuật toán nên dễ học nhưng hạn chế về thời gian .

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

26

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

Hình 4.14: Bước 1 theo Roux

b. Bước 2 : tạo khối 1x2x3 ở mặt đối diện (mặt màu vàng)


CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

27

c. Bước 3 : giải 4 góc còn lại ở mặt trên cùng


d. Bước 4 : giải 6 viên cạnh và 4 viên trung tâm còn lại là xong


e. Nhận xét: giải thuật này tuy có tốc độ nhanh hơn giải thuật cơ bản nhưng giảithuật này còn khá mới và hơi khó hiểu.

4.2.3 Giải thuật theo Lars Petrus : [3]a. Bước 1 : trước tiên tạo một khối 2x2x2CLB K

HOA HOC TRE_S

PKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

28

Hình 4.18: Bước 1 theo Lars

b. Bước 2 : tiếp theo tạo một khối 2x2x3


c. Bước 3 : lật cạnh, tức là đưa các cạnh của mặt màu trắng và vàng về đúng mặtcủa chúng hoặc ở mặt đối diện. Hình sau đây là chưa lật, sẽ lật khi ta xoayF’U’F


d. Bước 4 : hoàn thành hai tầng và tạo chữ thập ở mặt trên

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

29


e. Bước 5 : định hướng và hoán vị 4 góc còn lại


f. Nhận xét : giải thuật này khá phức tạp nhưng bù lại tốc độ cũng rất nhanh

4.2.4 Giải thuật theo Fridrich : [4] giải thuật được chọn để lập trìnha. Bước 1 : CROSS, tạo chữ thập ở mặt đầu tiên(mặt màu trắng)

Hình 4.23: Bước 1 theo Fridrich

Bao gồm 24 trường hợp của cạnh màu trắng

b. Bước 2 : F2L (First 2 Layers), đây là bước kết hợp vừa giải quyết 4 góc củatầng một và 4 cạnh của tầng hai cùng một lúc

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

30


Có 41 trường hợp cho bước này

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

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

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

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

5 F R' F R D R' D' F2

6 R U' R U R2 U' R U

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

8 U2 R' U2 R' U2 R2 U2

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

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

11 U' R U F R2 F'

12 F R' F' R F R' F'

13 U' R U R' U' R U

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

31

14 U' R' U R U' R' U

15 F R F' R' F R F'

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

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

18 R F R' F'

19 R' U' R U'

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

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

22 R U' R U R' U' R' U

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

27 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

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

32

32 U' R' U

33 F R F'

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

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

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

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

38 U' R U R2 U' R' U

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

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

41 F R' F' R2 F R F'

c. Bước 3 : OLL(Orientation of the Last Layer), đưa tất cả các cạnh và góc củamàu vàng về đúng mặt của nó


Bước này có 57 trường hợp

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

33

1 D R D’ R D R2 D’

2 D R2 D’ R’ D R’ D’

3 D B U B’ D’ B U’ B’

4 D B U’ B’ D’ B U B’

5 D2 L D’ R2 D L’ D’ R2 D’

6 D R2 D2 R’ D2 R’ D2 R2 D

7 D R D’ R D R’ D’ R D R2 D’

8 F D’ F’ D U’ R D R’ D’ U

9 U’ D R D’ R’ U D’ F D F’

10 F D R D’ R’ F’

11 F R D R’ D’F’

12 B’ R’ D’ R D B

13 D R D’ R’ D’ F D F’

14 F D’ F’ D R D R’ D’

15 U F D’ F D F2 U’

16 U’ B’ D B’ D’ B2 U

17 U F2 D’ F’ D F’ U’

18 U’ B2 D B D’ B U

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

34

19 D R B’ R’ D’ R D B D’

20 D’ R’ F R D R’ D’ F’ D

21 D’ F D R D’ R’ F’ R D

22 D B’ D’ R’ D R B R’ D’

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’

26 D’ F D R D’ F’ D F R’ F’

27 F R D R2 D’ R’ D R D’ F’

28 U F U’ D R D’ R’ U F’ U’

29 U’ B’ U D’ R’ D R U’ B U

30 U’ D2 B D’ B D B2 D’ B D’ U

31 U D2 F’ D F’ D’ F2 D F’ D U’

32 F D R D’ R’ D R D’ R’ F’

33 F’ U’ R’ U R U’ R’ U R F

34 U F D’ F D F’ D’ F D F2 U’

35 U’ B’ D B’ D’ B D B’ D’ B2 U

36 D B’ D2 F D2 B D2 F’ D

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

35

37 D’ F D2 B’ D2 F D2 B D’

38 B R U R’ U’ R U R’ U’ B’

39 FDRD’R’DRD’R’F’BRUR’U’B’

40 D’ R’ F’ R F’ U F U’ F D

41 D’ R2 D2 R D’ R D R2 B’ D’ B

42 D’ R D R2 D’ R’ F’ R F R D

43 D R’ D’ R2 D R B R’ B’ R’ D’

44 D’ R’ D’ F D F’ R D’

45 D R D’ R’ B’ D’ F D F’ B

46 F D’ F D2 R’ D’ R’ D R D’ F2

47 B’ D B’ D2 R D R D’ R’ D B2

48 D’ R’ D R’ D’ R D R D B’ D’ B

49 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’

52 U’ D2 B D’ B U R2 U’ B D’ U

53 U D2 F’ D F’ U’ R2 U F’ D U’

54 U’ D B D B D’ B’ U D2 F D F’

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

36

55 DR2D2FDF’R2UD’FDF’U’

56 D R D’ R D’ F D F’ R2 D’ F D F’

57 U’D B D B D’ B’ U U D2 F D F’ U’

d. Bước 4 : PLL (Permutation of the Last Layer), đây là bước xoay chuyển vị trícác viên để hoàn thành tầng cuối sao cho mặt vàng ko bị xáo trộn


Bước này có 21 trường hợp

1 URU’B2L’DR’D’RD’LB2

2 B2L’DR’DRD’LB2UR’U’

3 D’R’DB2LU’RUR’UL’B2

4 B2LU’RU’R’UL’B2D’RD

5 D B’ D F2 D’ B D F2 D2

6 D’ F D’ B2 D F’ D’ B2 D2

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

37

7 D R’ D R D R D R’ D’ R’ D2

8 D2R D R D’R’ D’ R’ D’R D’

9 D B’D’BF D’ F B’D’B DF2 R

10 D U R2 D’ U’ F’ B’ R2 F B

11 FD’F’UFDF’U2B’DBUB’D’B

12 DRD’R’D’FD2R’D’R’DRD’F’

13 FD R’D’R’DR D’F’DRD’R’D’F D F’

14 D’RD’R’B’ D’ B2 R’ B’ R B’ D B D

15 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

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

38

19 U R’ D’ R U’ R2 D R’ D’ R2 D

20 R D’R U’R2 D R’U D’R U’R2DR’U

21 R’DR’UR2D’RU’DR’UR2

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

39

e. Nhận xét: đây là giải thuật có tốc độ, không quá phức tạp, được chia thànhnhiều trường hợp cụ thể nên nhóm quyết định lập trình theo giải thuật này.

4.3 Lưu đồ giải thuật :

Sau khi xử lý ảnh sẽ mô hình hóa khối rubik thành 6 ma trận 3x3 tương ứng 6 mặtcủa khối rubik

Hình 4.27: ma trận của khối rubik

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

40

Solve

Cross

Giải quyết chữ thập ở mặt màu trắng

F2l

Giải quyết hai tầng

Oll

Đưa các viên màu vàng về đúng mặt của nó

Pll

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

Gọn

Rút gọn công thức và đếm bước xoay

(Trung bình 80 bước xoay)

Drive

Chuyển công thức của giải thuật thành công thức điều khiển động cơ

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

41

Chương 5: XỬ LÝ ẢNH NHẬN DIỆN KHỐI RUBIK

5.1 Các phương pháp nhận diện màu sắc.

a) Các phương pháp nhận diện màu sắc .

Có 2 phương pháp nhận diện màu sắc là:

Dùng cảm biến màu sắc. Một số loại cảm biến như hình 5.1

Hình5.1 : Một số loại cảm biến[18].

Dùng các loại camera hoặc webcam. Một số loại webcam và camera như hình5.2

Hình5.2 : Một số loại camera và webcam[19].

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

42

b) Một số không gian màu.

Không gian màu RGB: là không gian màu mà đa số camera, webcam và cảmbiến màu sắc sử dụng. Không gian màu RGB được thể hiện như hình 5.3 và cóbảng màu như hình 5.4

Hình5.3 : Không gian màu RGB[20].

Hình5.4 : Bảng màu RGB[20].

Với 3 thông số R, G và B ta sẽ dễ dàng phân biệt được các màu với nhau. Ví dụmuồn phân biệt màu đỏ và màu xanh lá:

if (R>threshold)&&(G<threshold)&&(B<threshold)

Color = ‘Red’;

elseif (R<threshold)&&(G>threshold)&&(B<threshold)

Color = ‘Green’;

end

threshold: là một ngưỡng tùy chon cho thích hợp

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

43

Không gian màu HSV: là một trong những không gian màu được sử dụng nhiềutrong việc phân biệt màu. Có 3 thành phần chính:

o H(Hue): đặc trưng cho màu sắc.o S(Saturation): đặc trưng cho độ bão hòa.o V(Value): đặc trưng cho cường độ sáng

Không gian màu HSV được thể hiện như mô hình trong hình 5.5 và có bảngmàu như hình 5.6

Hình5.5 : Không gian màu HSV[20].

Hình5.6 : Bảng màu HSV[20].

Để phân biệt màu trong không gian HSV ta có thể sử dụng thông số H.Ví dụ để phân biệt màu vàng và màu xanh dương ta có thể làm như sau:

if (H<50)&&(H>50)

Color = ‘Yellow’;

Elseif(H<230)&&(H>250)

Color = ‘Blue’;

end

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

44

Không gian màu Ycbcr: Không gian màu YCbCr được thể hiện như mô hìnhtrong hình 5.7 và có bảng màu như hình 5.8

Hình5.7 : Không gian màu YCbCr[20]

Hình5.8: Bảng màu YCbCr.

Để phân biệt màu trong không gian YCbCr ta có thể sử dụng thông số Y, Cbvà Cr với các ngưỡng thích hợp.Ví dụ để phân biệt màu đỏ và màu xanh lá tacó thể làm như sau:

If(Cr>threshold1)

Color = ‘Red’;

Elseif(Cr< threshold2)

Color = ‘Green’;

end

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

45

Webcam

Hardware

Video sourceobject

FramesAvailable?

Image filter

Display Imagein guide

Y

N

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

Sử dụng webcam để thu thập hình ảnh: vì webcam có thể nhận diện màu ở nhiềuđiểm khác nhau tại cùng một thời điểm.

Nhận hình ảnh và xử lý bằng Matlab: vì Matlab có những thư viện chuyên về xử lýảnh.

Nhận biết màu trong không gian YCbCr: vì YCbCr là không gian màu ít bị ảnhhưởng do sự thay đổi của ánh sáng.

5.3 Thu thập và xử lý ảnh bằng Matlab

Dùng lưu đồ thu thập ảnh như hình 5.11

Hình5.11 : Lưu đồ thu thập ảnh.

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

46

Hình5.9 : Bảng màu YCbCr trong matlab.

Dựa vào bảng trong hình 5.9 có giải thuật như sau:o có Cr của màu đỏ và cam là lớn nhất. Dùng kênh Cr và threshold1 để tách

màu đỏ và màu cam ra.o Kênh Y của màu cam lớn hơn kênh Y của màu đỏ nên Dùng kênh Y và

threshold2 để phân biệt màu đỏ và màu cam.o Trong 4 màu còn lại có màu vàng và màu xanh lá có kênh Cb nhỏ nên dùng

kênh Cb và threshold3 để tách màu vàng và màu xanh lá.o Kênh Cr của màu xanh lá nhỏ hơn kênh Cr của màu vàng nên dùng kênh Cr

và threshold6 để tách màu vàng và màu xanh lá.o Kênh Cb của màu xanh dương lớn nên dùng kênh Cb và threshold5 để tách

màu xanh dương.o Kênh Y của màu trắng lớn nên dùng kênh Y và threshold4 để tách màu

xanh dương.

Lưu đồ giải thuật sử dụng trong đồ án như hình 5.10 và hình 5.11

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

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

47


CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

48

Chương 6: KẾT QUẢ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

6.1 Kết quả đạt được:

6.1.1 Phẩn thiết kế và thi công mô hình cơ khí.

- Thiết kế và thi công hoàn chỉnh mô hình cơ khí robot rubik 3 cơ cấu kẹp.

6.1.2 Phần thiết kế và thi công mạch điều khiển.

- Thiết kế và thi công hoàn chỉnh các mạch điện của mô hình. Điều khiển được 3 động cơbước quay đúng vị trí, 3 động cơ RC Servo kẹp nhả theo yêu cầu.

6.1.3 Phần giải thuật xoay rubik.

Đưa đầu vào là các ma trận màu của khối rubik

Giải thuật tính ra các bước quay khối rubik về vị trí yêu cầu

lULfbuLLfLLDbrBRuRRUrFRfRRdRDRRdrDbRRBRRDDRRdrDrDDRRURRuRbrBBRRbRRBubrBRBUBBR (77 bước)

Thử với 30 lần kiểm tra, giải thuật đều cho ra kết quả xoay về khối rubik hoànchỉnh, sau đó in số bước xoay ra màn hình giao diệnCLB K

HOA HOC TRE_S

PKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

49

Bảng 1: Kết quả thực nghiệm giải thuật xoay rubik

TTCross

(bước xoay)

F2L

(bước xoay)

Oll và Pll

(bước xoay)

Tổng sốbước xoay

Kết quả

1 7 38 32 77 Xoay về gốc

2 11 35 35 81 Xoay về gốc

3 8 39 22 69 Xoay về gốc

4 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 38 26 79 Xoay về gốc

10 9 33 41 83 Xoay về gốc

11 11 29 45 85 Xoay về gốc

12 10 21 37 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

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

50

o Kết luận: với 20 lần thử giải thuật đều cho ra kết quả khối rubik hoàn chỉnhđiều này chứng tỏ tính ổn định của giải thuật. Trung bình các bước xoay củagiải thuật là 80 chuyển động.

6.1.4 Kết quả xử lý ảnh nhận diện khối rubik

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

Thực tế Webcam Kết Quả

Green Green Yellow G G Y

Yellow Blue White Y B W

Yellow Red Green Y R G

Chú thích: R: màu đỏ G: xanh lá B:xanh dương W: màu trắng O: màu camY: màu vàng F: không xác định

Bảng 3: Kết quả thực nghiệm với ánh sáng ngoài trời

STT Thực Tế Kết Quả Số màu đúng Số màu sai

1R Y OR G YR Y B

R Y OR G YR Y B

9 0

2G B WG R OO R Y

G B WG R OR R Y

8 1

3B G WY B OO G Y

B G WY B OO G Y

9 0

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

51


4G W WW O WG O Y

G F WF O WF O Y

6 3

5R Y OR G WR Y B

R Y OR G WR Y B

9 0

6R W WR G WG O Y

R W WR G WF O Y

8 1

7W O YR G WB Y O

W O YR G WB Y O

9 0

8R Y OR G WR Y B

R Y OR G WR Y B

9 0

9W O YG B GB Y O

W O YG B GB Y O

9 0

10R Y OR G WR Y B

R Y OR G WR Y B

9 0

11B G WG R OO G Y

B G WG R OO G W

8 1

12G B WR G WO R Y

G B WR G WO R Y

9 0

13R Y OW O WR Y B

F Y OW O WR Y B

8 1

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

52


14R Y OW O WR Y B

R Y OW O WR Y B

9 0

15R Y OR G WR Y B

R O OR G WR O B

7 2

16G B WG R OO R Y

G B WG R OO R Y

9 0

17R Y OR G WR Y B

R Y OR G WR Y B

9 0

18G B WR G WO R O

G B WR G WO R Y

8 1

19B G WR G WO R Y

B G WR G WO R Y

9 0

20G W WR G WG O Y

G W WR G WG O Y

9 0

21R O WR G WG O Y

R O WR G WG O W

8 1

22R O WR G WW G B

R O WR G WW G B

9 0

23Y O OB Y WB G R

Y O OB Y WB G O

8 1

24Y O OB Y WW B G

Y O OB Y WW B G

9 0

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

53


25R Y OR G WR Y B

R Y OR G WR Y B

9 0

26W O YG B GB Y O

W O YG B GB Y O

9 0

27W O YG B GR R W

W O YG B GR R W

9 0

28W O YB R BR R W

W O YB R BO O W

7 2

29W O YG B GB Y O

W O YG B GB Y O

9 0

30R O YG B GB Y O

R O YG B GB Y O

9 0

Bảng 4: kết quả thực nghiệm với ánh sáng trong phòng kín


1R Y OR G WR Y B

R Y OR G WR Y B

9 0

2R Y OR G WR Y B

R Y OR G WR Y B

9 0

3W O YG B GB Y O

W O YG B GB Y O

9 0

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

54


4G B WR G WO R Y

G B WR G WO R Y

9 0

5G B WR G WO R Y

G B WR G WO R Y

9 0

6R Y OW O WR Y B

R Y OW O WR Y B

9 0

7R Y OR G WR Y B

R O OW O WR O B

7 2

8G B WG R OO R Y

G B WG R OO R Y

9 0

9R Y OR G WR Y B

R Y OR G WR Y B

9 0

10G B WR G WO R Y

G B WR G WO R Y

9 0

11B G WR G WO G Y

B G WR G WO G Y

9 0

12G W WR G WG O Y

G W WR G WG O O

8 1

13B G WR G WG G Y

B G WR G WG G Y

9 0

14G W WG R WG O Y

G W WG R WG O Y

9 0

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

55


15R Y OY B OR Y B

F Y OY B OR Y W

7 2

16G B WW O WO R Y

G B WW O WO R Y

9 0

17B G WR G WO G Y

B G WR G WO G Y

9 0

18G B WR G WO R Y

G B WR G WO R Y

9 0

19R Y OR G WR Y B

R Y OR G WR Y B

9 0

20G W WR G WG O Y

G W WR G WG O Y

9 0

21O Y RR G WG O Y

O Y RR G WG O Y

9 0

22Y W RO B BR G G

Y W RO B BR G G

9 0

23Y W RO B BO W B

Y W RO B BO W B

9 0

24R Y OO B BO W B

R Y OO B BO W B

9 0

25B G WR G WO G Y

B G WR G WO G Y

9 0

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

56


26R Y OR G WR Y B

R W OR G WR W B

7 2

27G O BR G WR Y B

G O BR G WR Y B

9 0

28G O BR G WW R R

O Y BB R WB W B

9 0

29O Y BB R WB W B

G O BR G WW R R

9 0

30W O YG B GB Y O

W O YG B GB Y O

9 0

Kết luận: theo kết quả bảng trên với ánh sáng ổn định thì chương trình xử lýđúng 87%, chạy với ánh sáng thay đổi thì chương trình xử lý đúng 70% .

6.1.5 Giao diện chương trình.

Giao diện chương trình: như hình 6.1, 6.2 và hình 6.3

Hình6.1 : Giao diện chương trình 1.

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

57



VideoScreen

MovesPanel

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

58

Hoạt động của chương trình:1. Nhấn nút Start up: cài đặt các thông số ban đầu.2. Nhấn nút Preview: hiển thị hình ảnh từ webcam lên giao diện.3. Nhấn nút Capture: Mã hóa các màu của khối rubik vào các ma trận để

giải.4. Nhấn nút Slove: đưa ra giải thuật xoay khối rubik.5. Nhấn nút Start: bắt đầu xoay khối rubik.

Chức năng của các thành phần trong chương trình:o Camera info: hiển thị các thông số của webcam, và báo lỗi khi không

có webcam.o Video screen: hiển thị hình ảnh từ webcam.o Panel Moves: hiển thị số chuyển động phải xoay, chuyển động đang

thực hiện, số chuyển động còn lại.o Manual Panel: chức năng điều khiển bằng tay. Quay trái, quay phải 3

cánh tay và quay các mặt6.1.6 Tổng quan kết quả hoạt động của robot

Tổng quan hoạt động của robot: Robot hoạt động ổn định, xoay hoàn thành khốirubik với xác suất 60% .

Bảng kết quả thực nghiệm hoạt động robot rubik

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

59

6.2 Những tồn tại và hạn chế cần khắc phục:

Phần cơ khí: Hoạt động chưa ổn định, còn sai số về cơ khí, cơ cấu kẹp chậm.

Phần xử lí ảnh: Còn sai số khi nguồn sáng bị nhiễu.

Phần giải thuật: Giải thuật xoay rubik còn chậm, chưa tối ưu.

Chưa xét đến thời gian giải rubik.

6.3 Hướng phát triển của đề tài:

Tối ưu tốc độ xoay rubik của robot với các giải pháp:

Thiết kế cơ cấu kẹp nhanh hơn.

Xử lí ảnh nhận diện được nhiều khối rubik, chương trình xử lí ảnh hoạt động ổnđịnh và ít nhiễu hơn.

Nghiên cứu giải thuật mới với tốc độ giải rubik nhanh hơn.

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

60

TÀI LIỆU 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 record’,http://www.swinburne.edu.au/chancellery/mediacentre/alumni/news/2011/05/robot-ruby-breaks-rubiks-record

[3] Tilted Twister 2.0, ‘Hans Andersson’, http://tiltedtwister.com/tiltedtwister2.html

[4] Staff, 'Feature: Kawasaki Robot Solves Rubik's Cube in 6 Seconds(Video)’,http://www.techeblog.com/elephant/photo.phtml?post_key=146347&photo_key=7387

[5] Stefan Pochmann, ‘Budapest 2005’,http://www.stefanpochmann.info/spocc/other_stuff/events/budapest2005/[6]

[7] Christopher Wink, ‘ Robot from Rowan University students solves Rubik’s cube in 15seconds’, http://technicallyphilly.com/2011/03/14/robot-from-rowan-university-students-solves-rubiks-cube-in-15-seconds

[8] STMicroelectronics (2000): Datasheet L298. Trang web http://www.st.com.

[9] STMicroelectronics (2001): Datasheet L297 . Trang web http://www.st.com .

[10] Good-Ark : Datasheet FR204 . Trang web http://www.datasheetcatalog.com .

[11] Sharp : Datasheet PC817 . Trang wed http://www.datasheetcatalog.com .

[12] Nguyễn Văn Nhờ (2002) : Giáo trình Điện tử công suất 1 . Nhà xuất bản ĐHQG .

[13] http://www.go.vn/diendan/showthread.php?342448-Huong-dan-choi-rubik-3x3x3-cho-ng-chua-bit-choi-tong-hop-[14] Gilles Roux, http://grrroux.free.fr/method/Intro.html[15] Lars Petrus , http://www.lar5.com/cube/blox.html

[16] Jessica Fridrich, http://www.ws.binghamton.edu/fridrich/system.html

[17] http://www.philohome.com/sensors/colorsensor.htm

[18] http://baoan.vn/product/linh-kien/webcam--tb-xem-tivi

[19] http://compression.ru/download/articles/color_space/ch03.pdf

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

61

PHỤ LỤC

A. Phụ lục hình vẽ

Hình 1.1: Robot Ruby

Hình 1.2: Robot Tilted Twister

Hình 1.3: Robot của hãng Kawasaki

Hình 2.1: Robot của Evan Gates (2004)

Hình 2.2: Mô hình kẹp 3 mặt rubik

Hình 2.3: Cánh tay giải rubik trong 15s

Hình 2.4: Mô hình cơ cấu kẹp.

Hình 2.5: Cơ cấu kẹp khi hoạt động

Hình 2.6 : Mô hình cơ cấu kẹp

Hình 2.7: Quĩ đạo chuyển động và tọa độ của các điểm 14, 15 và 16.

Hình 2.8: Vị trí của của điểm 14, 15 khi điểm 16 tới vị trí y = 24.227mm

Hình 2.9: Cơ cấu kẹp thực tế

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 cơ khí

Hình 2.13: Khung cơ khí thực tế

Hình 3.1 : Sơ đồ đặc tuyến của opto.

Hình 3.2 : sơ đồ nguyên lý mạch tăng dòng cho L298.

Hình 3.3:Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển động cơ bước lưỡng cực dùng cặp

L297+L298.

Hình 3.4 :Đường đặc tuyến của L298.

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

62

Hình 3.5 : Sơ đồ khối mạch điều khiển .

Hình 3.6 : Mạch điều khiển .

Hình 3.7 :Mạch công suất





















CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

63







Hình 4.37: ma trận 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].

Hình5.4 : Bảng màu RGB[20].

Hình5.5 : Không gian màu HSV[20].

Hình5.6 : Bảng màu HSV[20].

Hình5.7 : Không gian màu YCbCr[20]

Hình5.8: Bảng màu YCbCr.

Hình5.11 : Lưu đồ thu thập ảnh.

Hình5.9 : Bảng màu YCbCr trong matlab.






CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

64

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 với ánh sáng ngoài trời

Bảng 4: kết quả thực nghiệm với ánh sáng trong phòng kín

Bảng 5: kết quả thực nghiệm hoạt động robot rubik

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

65

B. Bản vẽ cơ khí

Bản vẽ cơ cấu kẹp

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

66

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

67

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

68

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

69

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

70

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

71

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

72

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

73

Bản vẽ các chi tiết khung cơ khí.

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

74

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

75

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

76

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

77

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

78

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

79

C. Sơ đồ mạch nguyên lý mạch điện .

Mạch điều khiển :

Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn .

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

80

Sơ đồ nguyên lý ngõ ra.

Sơ đồ nút nhấn .

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

81

Sơ đồ nguyên lý khối cách ly

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

82

Sơ đồ nguyên lý mạch khối điều khiển .

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

83

Mạch công suất

Sơ đồ nguyên lý khối công suất lái động cơ .

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

CLB KHOA H

OC TRE_SPKT

www.kht.c

om.vn

Documents

Thiet Ke Va Thi Cong Robot Xoay Rubik