Q-Bot - Bộ giải khối Rubik mã nguồn mở: 7 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:31

Hãy tưởng tượng bạn có một khối Rubik bị xáo trộn, bạn biết rằng câu đố đó là hình dạng của những năm 80 mà mọi người đều có nhưng không ai thực sự biết cách giải và bạn muốn đưa nó trở lại hình dạng ban đầu. May mắn thay, những ngày này rất dễ dàng để tìm thấy các hướng dẫn giải quyết. Vì vậy, hãy lên mạng xem video học cách xoay chuyển các phía để mang lại niềm vui cho bạn. Tuy nhiên, sau khi thực hiện một vài lần, bạn sẽ nhận ra rằng có điều gì đó còn thiếu. Một lỗ hổng bên trong không thể lấp đầy. Các kỹ sư / nhà sản xuất / hacker trong bạn chỉ đơn giản là không thể hài lòng với việc giải quyết một thứ quá tuyệt vời theo cách đơn giản như vậy. Sẽ không thơ mộng hơn nhiều nếu bạn có một chiếc máy giải quyết mọi việc cho bạn phải không? Nếu bạn xây dựng một cái gì đó mà tất cả bạn bè của bạn sẽ ngạc nhiên? Tôi có thể đảm bảo với bạn rằng nó không tốt hơn nhiều so với việc xem tác phẩm của bạn làm nên điều kỳ diệu và giải một Khối Rubik. Vì vậy, hãy đến và tham gia cùng tôi trong cuộc hành trình tuyệt vời xây dựng Q-Bot, Bộ giải khối lập phương Rubik mã nguồn mở chắc chắn sẽ không đánh bại bất kỳ kỷ lục thế giới nào, nhưng sẽ mang đến cho bạn những giờ phút vui vẻ (tất nhiên là sau khi trải qua tất cả sự thất vọng trong quá trình xây dựng).

Bước 1: Thiết kế phần cứng

Bộ giải hoàn chỉnh được thiết kế bằng CAD trong Catia. Bằng cách này, hầu hết các lỗi thiết kế có thể được tìm thấy và sửa chữa trước khi sản xuất bất kỳ thành phần vật lý nào. Hầu hết bộ giải được in 3D trong PLA bằng máy in prusa MK3. Ngoài ra, phần cứng sau đã được sử dụng:

• 8 miếng thanh nhôm 8 mm (dài 10cm)
• 8 ổ bi tuyến tính (LM8UU)
• một chút dưới 2 m của đai thời gian GT2 6mm + một số ròng rọc
• 6 động cơ bước lưỡng cực NEMA 17
• 6 trình điều khiển bước Polulu 4988
• một Arudino Mega làm người điều khiển cho dự án
• nguồn điện 12 V 3A
• một bộ chuyển đổi bước xuống để cấp nguồn an toàn cho arduino
• một số vít và đầu nối
• một số ván ép cho cơ sở

Mô tả phần cứng

Phần này trình bày ngắn gọn cách thức hoạt động của Q-Bot và nơi sử dụng các thành phần được đề cập ở trên. Dưới đây, bạn có thể thấy bản vẽ mô hình CAD đã được lắp ráp hoàn chỉnh.

Q-bot hoạt động bằng cách có bốn động cơ được gắn trực tiếp vào Khối lập phương Rubik với bộ gắp được in 3D. Điều này có nghĩa là trái, phải, trước và sau có thể được quay trực tiếp. Nếu mặt trên hoặc mặt dưới cần quay, toàn bộ khối lập phương phải được quay và do đó hai động cơ phải được dịch chuyển ra xa. Điều này được thực hiện bằng cách gắn từng động cơ kẹp vào xe trượt tuyết được điều khiển bởi một động cơ bước khác và dây đai thời gian dọc theo hệ thống đường ray tuyến tính. Hệ thống đường ray bao gồm hai 8 ổ bi được gắn vào các hốc trong xe trượt và toàn bộ xe trượt trên hai trục nhôm 8mm. Dưới đây, bạn có thể thấy cụm con của một trục của bộ giải.

Trục x và trục y về cơ bản giống hệt nhau, chúng chỉ khác nhau về độ cao của điểm lắp của đai, điều này để không có va chạm giữa hai đai khi được lắp ráp hoàn chỉnh.

Bước 2: Chọn động cơ phù hợp

Tất nhiên, việc lựa chọn động cơ phù hợp là rất quan trọng ở đây. Phần chính là họ cần phải đủ khỏe để có thể xoay khối Rubik. Vấn đề duy nhất ở đây là không có nhà sản xuất khối Rubik nào đưa ra đánh giá mô-men xoắn. Vì vậy, tôi phải ứng biến và thực hiện các phép đo của riêng mình.

Nói chung, mômen được xác định bằng lực hướng vuông góc đến vị trí của chất điểm quay ở khoảng cách r:

Vì vậy, nếu bằng cách nào đó tôi có thể đo được lực tác dụng lên khối lập phương thì tôi có thể tính được mômen xoắn. Đó là chính xác những gì tôi đã làm. Tôi kẹp khối lập phương của mình vào giá theo cách mà chỉ một bên có thể di chuyển. Đó là một sợi dây được buộc xung quanh khối lập phương và một chiếc túi được gắn ở phía dưới. Bây giờ tất cả những gì còn lại cần làm là từ từ tăng trọng lượng trong túi cho đến khi khối lập phương quay lại. Vì thiếu bất kỳ trọng lượng chính xác nào, tôi đã sử dụng khoai tây và đo chúng sau đó. Không phải là phương pháp khoa học nhất nhưng vì tôi không cố gắng tìm ra mô-men xoắn cực tiểu nên nó khá đủ.

Tôi đã thực hiện các phép đo ba lần và lấy giá trị cao nhất chỉ để an toàn. Khối lượng thu được là 0,52 kg. Bây giờ nhờ Ngài Isaac Newton, chúng ta biết rằng Lực bằng khối lượng nhân với gia tốc.

Gia tốc, trong trường hợp này, là gia tốc trọng trường. Vì vậy, mô-men xoắn yêu cầu được đưa ra bởi

Cắm tất cả các giá trị, bao gồm một nửa đường chéo của khối Rubik, cuối cùng sẽ cho thấy mô-men xoắn cần thiết.

Tôi đã đi với động cơ bước có thể áp dụng lên đến 0,4Nm, có thể là một mức quá mức cần thiết, nhưng tôi muốn được an toàn.

Bước 3: Xây dựng cơ sở

Cơ sở bao gồm một hộp gỗ rất đơn giản và nó chứa tất cả các thiết bị điện tử cần thiết. Nó có một phích cắm để bật và tắt máy, một đèn LED để cho biết máy đã được bật hay chưa, một cổng USB B và một ổ cắm cho nguồn điện để cắm vào. Nó được xây dựng bằng ván ép 15mm, một số đinh vít và một chút keo.

Bước 4: Lắp ráp phần cứng

Bây giờ với tất cả các bộ phận cần thiết, bao gồm cả phần đế, Q-bot đã sẵn sàng để lắp ráp. Các bộ phận tùy chỉnh đã được in 3D và điều chỉnh khi cần thiết. Bạn có thể tải xuống tất cả các tệp CAD ở cuối ible này. Việc lắp ráp bao gồm việc lắp tất cả các bộ phận in 3D với các bộ phận đã mua, kéo dài dây cáp động cơ và vặn tất cả các bộ phận vào đế. Ngoài ra, tôi đặt tay áo xung quanh cáp động cơ, chỉ để làm cho trông gọn gàng hơn một chút và thêm các đầu nối JST vào đầu của chúng.

Để làm nổi bật tầm quan trọng của cơ sở mà tôi đã xây dựng, đây là ảnh chụp trước và sau về việc lắp ráp trông như thế nào. Thu gọn mọi thứ một chút có thể tạo ra sự khác biệt rất lớn.

Bước 5: Điện tử

Đối với thiết bị điện tử, dự án khá đơn giản. Có một nguồn điện chính 12V, có thể cung cấp dòng điện lên đến 3A, cung cấp năng lượng cho động cơ. Một mô-đun bước xuống được sử dụng để cấp nguồn cho Arduino một cách an toàn và một tấm chắn tùy chỉnh cho Arduino được thiết kế để chứa tất cả các trình điều khiển động cơ bước. Các trình điều khiển giúp điều khiển động cơ dễ dàng hơn nhiều. Việc điều khiển động cơ bước yêu cầu một trình tự điều khiển cụ thể nhưng bằng cách sử dụng trình điều khiển động cơ, chúng ta chỉ cần tạo ra một xung cao cho mỗi bước động cơ sẽ quay. Ngoài ra, một số đầu nối jst đã được thêm vào tấm chắn để giúp kết nối các động cơ dễ dàng hơn. Tấm chắn cho Arduino được xây dựng hoàn chỉnh trên một tấm ván mỏng và sau khi đảm bảo rằng mọi thứ hoạt động đúng như mong muốn, nó đã được sản xuất bởi jlc pcb.

Đây là trước và sau của nguyên mẫu và pcb được sản xuất.

Bước 6: Phần mềm & Giao diện nối tiếp

Q-Bot được chia thành hai phần. Một mặt có phần cứng được điều khiển bởi Arduino, mặt khác có một phần mềm tính toán đường giải cho khối lập phương dựa trên sự tranh giành hiện tại. Phần sụn chạy trên Arduino được viết bởi chính tôi nhưng để giữ cho hướng dẫn này ngắn gọn, tôi sẽ không đi sâu vào bất kỳ chi tiết nào về nó ở đây. Nếu bạn muốn xem nó và chơi với nó, liên kết đến kho lưu trữ git của tôi sẽ được cung cấp ở cuối tài liệu này. Phần mềm tính toán giải pháp chạy trên máy windows và được viết bởi một đồng nghiệp của tôi, một lần nữa các liên kết đến mã nguồn của anh ấy có thể được tìm thấy ở cuối ible này. Hai phần giao tiếp bằng cách sử dụng một giao diện nối tiếp đơn giản. Nó tính toán lời giải dựa trên thuật toán hai pha của Kociemba. Phần mềm giải sẽ gửi một lệnh bao gồm hai byte đến bộ giải và đợi nó trả về một ‘ACK’. Bằng cách này, bộ giải có thể được kiểm tra và gỡ lỗi bằng cách sử dụng một màn hình nối tiếp đơn giản. Tập hợp hướng dẫn đầy đủ có thể được tìm thấy bên dưới.

Các lệnh để quay mỗi động cơ trong một bước là một giải pháp cho sự cố trong đó một số bước sẽ thực hiện ngẫu nhiên các bước nhảy nhỏ khi bật nguồn. Để bù đắp điều này, các động cơ có thể được điều chỉnh về vị trí ban đầu của chúng trước khi xử lý.

Bước 7: Kết luận

Sau tám tháng phát triển, chửi thề, đánh bàn phím và nhảy Q-bot cuối cùng đã đến thời điểm giải thành công Khối Rubik đầu tiên của nó. Việc xáo trộn khối lập phương phải được đưa vào phần mềm điều khiển một cách thủ công, nhưng mọi thứ đều hoạt động tốt.

Vài tuần sau, tôi đã thêm một giá đỡ cho một webcam và trường đại học của tôi đã điều chỉnh phần mềm để tự động đọc khối lập phương từ những hình ảnh được chụp. Tuy nhiên, điều này vẫn chưa được thử nghiệm tốt và vẫn cần một số cải tiến.

Nếu tài liệu hướng dẫn này kích thích sự quan tâm của bạn, đừng ngần ngại và bắt đầu xây dựng phiên bản Q-bot của riêng bạn. Thoạt nghe có vẻ khó khăn, nhưng nó rất đáng để nỗ lực và nếu tôi có thể làm được như vậy thì bạn cũng có thể làm được.

Tài nguyên:

Mã nguồn của chương trình cơ sở:

github.com/Axodarap/QBot_firmware

Mã nguồn của phần mềm điều khiển

github.com/waldhube16/Qbot_SW