Q -Bot - פתרון הקוביות של רוביק בקוד פתוח: 7 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:12

תארו לעצמכם שיש לכם קוביית רוביק מקושקשת, אתם מכירים את הפאזל הזה משנות ה -80 שיש לכולם אבל אף אחד לא באמת יודע איך לפתור אותו, ואתם רוצים להחזיר אותו לתבנית המקורית שלו. למרבה המזל בימים אלה קל מאוד למצוא הוראות לפתרון. אז כנסו לאינטרנט תראו סרטון למד כיצד להפוך את הצדדים כדי להביא לך שמחה. עם זאת, לאחר שתעשה זאת כמה פעמים תבין שמשהו חסר. חור בפנים שאי אפשר למלא אותו. המהנדסים/יצרנים/האקרים שבך פשוט לא יכולים להסתפק בפתרון דבר כל כך מדהים בצורה כה פשוטה. האם זה יהיה הרבה יותר פואטי אם הייתה לך מכונה שעשתה עבורך את כל הפתרונות? אם היית בונה משהו שכל החברים שלך היו נדהמים? אני יכול להבטיח לך שזה לא נהיה הרבה יותר טוב מלצפות ביצירה שלך עושה פלאים ולפתור קוביית רוביק. אז בואו והצטרפו אלי למסע הנפלא של בניית Q-Bot, פותח הקוביות של רוביק בקוד הפתוח שבוודאי לא יכה אף שיא עולמי, אך יעניק לכם שעות של שמחה (אחרי שכמובן תעבור את כל התסכולים במהלך תהליך הבנייה).

שלב 1: עיצוב החומרה

הפותר השלם תוכנן עם CAD ב- Catia. בדרך זו ניתן היה למצוא ולתקן את רוב טעויות התכנון לפני ייצור רכיבים פיזיים. רוב הפותר הודפס בתלת מימד ב- PLA באמצעות מדפסת prusa MK3. בנוסף, נעשה שימוש בחומרה הבאה:

• 8 חתיכות של מוט אלומיניום 8 מ"מ (אורך 10 ס"מ)
• 8 מיסבים כדוריים ליניאריים (LM8UU)
• מעט מתחת ל -2 מ 'של חגורת תזמון GT2 6 מ"מ + כמה גלגלות
• 6 מנועי צעד דו קוטביים NEMA 17
• 6 נהגי צעד מסוג Polulu 4988
• מכשיר Arudino כבקר הפרויקט
• ספק כוח 12 V 3A
• ממיר הורדה למטה כדי להפעיל בבטחה את הארדואינו
• כמה ברגים ומחברים
• קצת דיקט לבסיס

תיאור חומרה

חלק זה עוסק בקצרה כיצד Q-Bot אפילו מתפקד והיכן משתמשים ברכיבים שהוזכרו לעיל. להלן ניתן לראות עיבוד של מודל ה- CAD שהורכב במלואו.

ה- Q-bot פועל על ידי חיבור ארבעה מנועים ישירות לקוביית רוביק עם אחיזות מודפסות בתלת מימד. המשמעות היא שניתן לפנות ימינה, ימינה, קדמית ואחורה. אם צריך לסובב את החלק העליון או את החלק התחתון, יש לסובב את כל הקוביה ולכן שני המנועים צריכים להתרחק. הדבר נעשה על ידי חיבור כל אחד מנועי האחיזה על מזחלות המונעות על ידי מנוע צעד אחר וחגורת תזמון לאורך מערכת מסילה לינארית. מערכת המסילה מורכבת משני 8 מיסבי כדורים המותקנים בחללים במזחלת וכל המזחלות רוכבות על שני פירים מאלומיניום בגודל 8 מ מ. להלן תוכל לראות את מכלול המשנה של ציר אחד של הפותר.

ציר ה- x וציר ה- y זהים בעצם הם נבדלים רק בגובה נקודת ההרכבה של החגורה, זאת על מנת שלא יהיו התנגשויות בין שתי החגורות בהרכבה מלאה.

שלב 2: בחירת המנועים הנכונים

כמובן שבחירת המנועים הנכונים חשובה כאן מאוד. החלק העיקרי הוא שהם צריכים להיות חזקים מספיק כדי להיות מסוגלים להפוך קוביית רוביק. הבעיה היחידה כאן היא שאף יצרן של קוביות רוביק לא נותן דירוג מומנט. אז, הייתי צריך לאלתר ולעשות מדידות משלי.

באופן כללי מומנט מוגדר על ידי הכוח המופנה בניצב למיקום נקודת הסיבוב במרחק r:

לכן, אם אוכל למדוד איכשהו את הכוח המופעל על הקוביה, אוכל לחשב את המומנט. וזה בדיוק מה שעשיתי. הצמדתי את הקוביה שלי למדף באופן שרק צד אחד יכול לזוז. שחוט נקשר סביב הקוביה ושקית מחוברת בתחתית. עכשיו כל שנותר לעשות היה להגדיל לאט את המשקל בתיק עד שהקובייה מסתובבת. מחוסר משקולות מדויקות השתמשתי בתפוחי אדמה ומדדתי אותם לאחר מכן. לא השיטה המדעית ביותר אבל מכיוון שאני לא מנסה למצוא את מומנט המינימום היא מספיקה למדי.

עשיתי את המדידות שלוש פעמים ולקחתי את הערך הגבוה ביותר רק ליתר ביטחון. המשקל שהתקבל היה 0.52 ק ג. עכשיו בגלל סר אייזק ניוטון אנו יודעים שכוח שווה למסה כפולת תאוצה.

התאוצה, במקרה זה, היא האצת הכבידה. אז המומנט הנדרש ניתן על ידי

חיבור כל הערכים, כולל מחצית מהאלכסון של קוביית רוביק, מגלה לבסוף את המומנט הנדרש.

הלכתי עם מנועי צעד שמסוגלים ליישם עד 0.4Nm וזה כנראה הגזמה, אבל רציתי להיות בטוח.

שלב 3: בניית הבסיס

הבסיס מורכב מארגז עץ פשוט מאוד והוא מכיל את כל האלקטרוניקה הנדרשת. הוא כולל תקע להפעלה וכיבוי של המכשיר, נורית המציין אם הוא מופעל, יציאת USB B ושקע לחיבור ספק הכוח. הוא נבנה באמצעות דיקט בגודל 15 מ מ, כמה ברגים ומעט דבק.

שלב 4: הרכבת החומרה

עכשיו עם כל החלקים הנדרשים, כולל הבסיס, ה- Q-bot היה מוכן להרכבה. החלקים המותאמים אישית הודפסו בתלת מימד והתאימו אותם במידת הצורך. אתה יכול להוריד את כל קבצי ה- CAD בסוף האייבל הזה. המכלול כלל התאמת כל החלקים המודפסים בתלת מימד עם החלקים שנקנו, הארכת כבלי המנוע והברגת כל החלקים לבסיס. בנוסף, הנחתי שרוולים סביב כבלי המנוע, רק כדי להיראות קצת יותר מסודר, והוספתי מחברי JST לקצותיהם.

כדי להדגיש את חשיבות הבסיס שבניתי, הנה צילום לפני ואחרי של איך נראתה המכלול. להתגבר קצת על הכל יכול לעשות הבדל עצום.

שלב 5: אלקטרוניקה

באשר לאלקטרוניקה הפרויקט פשוט למדי. יש ספק כוח עיקרי של 12V שיכול לספק עד 3A זרם שמניע את המנועים. מודול הורדה למטה משמש להפעלת בבטחה את הארדואינו ומגן מותאם עבור הארדואינו תוכנן המאכלס את כל נהגי המנועים הצעדים. הנהגים הופכים את השליטה במנועים לקלה הרבה יותר. נהיגה במנוע צעד דורשת רצף בקרה ספציפי אך על ידי שימוש במנועי מנועים עלינו לייצר דופק גבוה בלבד עבור כל צעד שהמנוע יפנה. בנוסף, כמה מחברי jst נוספו למגן כדי להקל על חיבור המנועים. המגן של הארדואינו היה בנוי בחוזקה על פיסת לוח ולאחר מכן וודא שהכל עובד כפי שהוא אמור להיות מיוצר על ידי jlc pcb.

להלן הקודם ואחרי של אב הטיפוס והמחשב הלוח המיוצר.

שלב 6: תוכנה וממשק סידורי

ה- Q-Bot מחולק לשני חלקים. מצד אחד יש את החומרה שנשלטת על ידי הארדואינו, מצד שני קיימת תוכנה שמחשבת את נתיב הפתרון של הקובייה על סמך ההתקף הנוכחי. הקושחה הפועלת על הארדואינו נכתבה על ידי עצמי אך על מנת לשמור על מדריך זה קצר לא אכנס לפרטים אודותיו כאן. אם ברצונך להסתכל עליו ולשחק איתו, הקישור למאגר git שלי יסופק בסוף מסמך זה. התוכנה שמחשבת את הפתרון פועלת על מכונת חלונות ונכתבה על ידי עמית שלי, ושוב ניתן למצוא קישורים לקוד המקור שלו בסוף האייבל הזה. שני החלקים מתקשרים באמצעות ממשק סידורי פשוט. הוא מחשב את הפתרון על סמך האלגוריתם הדו -פאזי של קוסימבה. תוכנת הפתרון שולחת לפתרון פקודה המורכבת משני בתים ומחכה שהיא תחזיר 'ACK'. כך ניתן לבדוק ולפתור באגים לפתרון באמצעות צג סדרתי פשוט. מערך ההוראות המלא ניתן למצוא להלן.

הפקודות להפעלת כל מנוע לשלב אחד מהוות דרך לעקיפת הבעיה לבעיה שבה חלק מהצעדים היו מבצעים באופן אקראי קפיצות קטנות עם ההפעלה. כדי לפצות על כך ניתן להתאים את המנועים למיקומם ההתחלתי לפני תהליך הפתרון.

שלב 7: סיכום

לאחר שמונה חודשים של פיתוח, קללות, מכה במקלדת וריקוד ה- Q-bot הגיע סוף סוף לנקודה שבה נפתרת בהצלחה קוביית רוביק הראשונה שלה. את הטירוף של הקוביה היה צריך להכניס ידנית לתוכנת הבקרה, אבל הכל עבד היטב.

הוספתי תושבת למצלמת אינטרנט כעבור מספר שבועות והמכללה שלי התאימה את התוכנה כך שתקרא את הקוביה באופן אוטומטי מהתמונות שצולמו. עם זאת, זה עדיין לא נבדק היטב ועדיין דורש כמה שיפורים.

אם ההנחיה הזו עוררה את העניין שלך אל תהסס ותתחיל לבנות גרסה משלך ל- Q-bot. בהתחלה זה עשוי להיראות מרתיע, אבל זה מאוד שווה את המאמץ ואם הייתי יכול לעשות את זה גם אתה יכול.

אֶמְצָעִי:

קוד המקור של הקושחה:

github.com/Axodarap/QBot_firmware

קוד המקור של תוכנת הבקרה

github.com/waldhube16/Qbot_SW