1
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM K
Ĩ THU
ẬT 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 HOC TRE_SPKT
CLB KHOA HOC TRE_SPKT
www.kht.com.vn
i
Bộ Giáo Dục và Đào Tạo
Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM
oOo
CỘNG HÒA – XÃ HỘI – CHỦ NGH
ĨA
– VIỆT
NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
oOo
Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy

Người hướng dẫn
(ký và ghi rõ họ tên)
CLB KHOA HOC TRE_SPKT
CLB KHOA HOC TRE_SPKT
www.kht.com.vn
ii
Bộ Giáo Dục và Đào Tạo
Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM
oOo
CỘNG HÒA – XÃ HỘI – CHỦ NGH
ĨA
– VIỆT
NAM
Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
oOo
Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy
Bộ môn Cơ Điện Tử
Số:
Tp. Hồ Chí Minh, ngày ……, tháng …., năm ……
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1. Thông tin người thực hiện:
Họ và tên sinh viên: Trần Quang Huy
Ngành: Cơ Điện Tử
Điện thoại: 0985381269
MSSV: 07111028
Lớp: 071111B
Email: [email protected]
Giáo viên hướng dẫn: KS. Nguyễn Minh Triết
Điện thoại: 09374 09347
Đơn vị : BM. Cơ Điện Tử

oOo
Khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy
Bộ môn Cơ Điện Tử
Số:
Tp. Hồ Chí Minh, ngày ……, tháng …., năm ……
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
1. Thông tin người thực hiện:
Họ và tên sinh viên: Hoàng Ngọc Thuận
Ngành: Cơ Điện Tử
Điện thoại: 0989369362
MSSV: 07111080
Lớp: 071111A
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:
Thiết kế và thi công robot xoay rubik
3. Nhiệm vụ đồ án: (yêu cầu về nội dung và số liệu ban đầu)
Nhiệm vụ:
- Nghiên cứu giải thuật xoay rubik.
- Lập trình 1 giải thuật xoay rubik theo mô hình c
ơ khí 3 kh
ớp xoay.
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 đ
ã
đư
ợc thông qua Bộ Môn

………………………………………………………………………………………………
Về phần tổng quan:
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
CLB KHOA HOC TRE_SPKT
CLB KHOA HOC TRE_SPKT
www.kht.com.vn
v
Về nội dung và kết quả nghiên cứu
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
2. Về sản phẩm/ chương tr
ình demo
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
Về báo cáo và trả lời chất vấn:
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
3. Về tinh thần thái độ làm việc
………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
CLB KHOA HOC TRE_SPKT

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 HOC TRE_SPKT
CLB KHOA HOC TRE_SPKT
www.kht.com.vn
vii
ÐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ
MINH
KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY
BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGH
ĨA VI
ỆT 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:

………………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………………
CLB KHOA HOC TRE_SPKT
CLB KHOA HOC TRE_SPKT
www.kht.com.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 TR
ÌNH 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

rubik lập phương 3x3 (kích thước cạnh 57mm), khung robot với 3 khớp xoay các mặt
tương ứng của khối rubik. Thiết kế và thi công mạch điều khiển robot xoay rubik với các
chức năng: Điều khiển vị trí 3 động cơ bước, điều khiển vị trí 3 động cơ servo, giao tiếp
máy tính. Nghiên cứu các giải thuật xoay rubik. Lập trình 1 giải thuật xoay rubik theo mô
hình c
ơ khí 3 kh
ớp xoay. Nghiên cứu ứng dụng thu thập và xử lý ảnh để nhận dạng khối
rubik. Lập trình giao diện điều khiển xoay rubik trên máy tính.
Kết quả đạt được: Thi công hoàn thành mô hình c
ơ khí đ
ã 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 khoảng 70 bước. Chương tr
ình x
ử lí ảnh nhận diện màu sắc chính xác
trong môi trường ánh sáng tốt.
CLB KHOA HOC TRE_SPKT
CLB KHOA HOC TRE_SPKT
www.kht.com.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

www.kht.com.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 l
ưu đ
ồ giải thuật chương tr
ình chính.
20
3.2.2 Trình bày l
ưu đ
ồ giải thuật chương tr
ình con.
20
Chương 4: GIẢI THUẬT
4.1Quy ư
ớc ký hiệu thông dụng và hệ tọa độ khối rubik.
22
4.2Các 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
4.3Lưu đồ giải thuật. 38

www.kht.com.vn
1
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1Tổng quan về robot xoay Rubik.
1.1.1 Rubik.
- Năm 1974, niềm đam mê h
ình h
ọc và nghiên cứu những mẫu dạng ba chiều đ
ã
thôi thúc kiến trúc sư Erno Ruik (Hunggary) phát minh ra món đồ chơi Rubik nổi
tiếng
[1]
.
- Mỗi mặt của phiên bản rubik 3x3x3 có 9 ô vuông và được sơn phủ một trong sáu
màu 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 giống
nhau.
1.1.2 Robot xoay rubik:
- Robot xoay rubik là đề tài được rất nhiều công ty đồ chơi mô h
ình và sinh viên các
trường đại học quan tâm, phát triển.
- Nhóm sinh viên Đại học Swinburne đ
ã l
ập kỷ lục mới cho robot của họ trong việc
hoàn thành 6 mặt của rubik chỉ mất có 10,69 giây (hình 1.1).
Hình 1.1: Robot Ruby [2]
CLB KHOA HOC TRE_SPKT
CLB KHOA HOC TRE_SPKT
www.kht.com.vn

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 mô
hình c
ơ khí 03 kh
ớp xoay.
-
Nghiên cứu ứng dụng thu thập và xử lý ảnh để nhận dạng khối rubik. Lập trình
giao 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 HOC TRE_SPKT
CLB KHOA HOC TRE_SPKT
www.kht.com.vn
4
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CƠ KHÍ
2.1 Thiết kế cơ cấu kẹp
2.1.1 Các kiểu cơ cấu kẹp đ
ã 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 2

CLB KHOA HOC TRE_SPKT
www.kht.com.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 chạm
với 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 ti
ết thanh trượt ren và đế gắn thanh kẹp không bị va
chạm 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)
≈21
o
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)]
≈ 36.5

ạo 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 HOC TRE_SPKT
CLB KHOA HOC TRE_SPKT
www.kht.com.vn