開題報告-下圍棋機器人手臂設計

PAGEPAGE1上海電機學院畢業(yè)設計（論文）開題報告課題名稱___下圍棋機器人手臂設計學院機械學院專業(yè)機械電子工程班級學號姓名指導教師定稿日期：20XX年XX月XX日下圍棋機器人手臂設計1選題背景及其意義世界圍棋人口正在飛速增長，目前總數已達4120萬，其中中國：2500萬；韓國：1000萬；日本500萬，臺灣100萬。每天登陸聯眾、上海熱線、新浪等各對弈站點的國內圍棋迷估計在10萬人。1999-2003年已成功舉辦了5屆中國圍棋聯賽(圍甲、圍乙)，成為僅次于足球聯賽的比賽。美國蓋洛普網絡調查(韓國)公司分析稱，網絡圍棋的發(fā)展和電視對圍棋的轉播在其中起著關鍵性的作用。有理由認為，圍棋機器人系統的開發(fā)有廣闊的市場前景。而對照目前世界上陸續(xù)出現的象棋和國際象棋機器人(手)等下棋機器人娛樂設備，圍棋機器人方面仍顯空白，其人機交互功能方面也有所欠缺。原因有三點：一是由于象棋和國際象棋長期以來在國內和國際占據統治地位，而國粹又過分陽春白雪；二是由于圍棋的特殊性，如棋盤點多格密(定位精度要求高)，一開局就沒有固定的棋子位置(棋子需要從棋罐中抓取)，棋子形狀(夾持裝置)，棋子越下越多且位置和數量隨機(圖像識別構成閉環(huán)系統，國際象棋、象棋系統可以采用開環(huán)控制)，有提子(需要敏捷的提子裝置)、打劫、多種禁著(游戲程序的復雜性)等特殊的對弈規(guī)則，因此動作控制系統與象棋有較大差別；三是下棋機器人相關設備還只作為高科技玩具來開發(fā)，實際使用較少，沒有重視交互性。本課題中下圍棋機器人手臂設計主要是對仿人的五自由度的機器人手臂、手抓的設計以及手臂、手爪的動作控制，使得機器人能夠完成棋子的精確抓取和落子。2文獻綜述（國內外研究現狀與發(fā)展趨勢）1.2002年12月上海交通大學楊汝清、王春香、張偉軍發(fā)明了一個象棋大師機器人。申請?zhí)?0112261.x，公開號CN1385224A。這個發(fā)明主要包括：計算機、機器人手臂機器人控制器、棋盤、棋子及光電傳感器，其連接方式為：計算機通過并行端口與機器人手臂控制器連接，棋盤上有棋子，棋盤上的網格共有90個交點，每個網格交點處都設置光電傳感器，棋盤上90個光電傳感器為陣列式分布。2.2003年8月上海交通大學王春香、楊汝清、賀繼林申請了一個名為“機器人電子專用棋盤”的發(fā)明項目。申請?zhí)?3115680.0公開號CN1433824A。這個發(fā)明由棋盤和棋子組成，將霍爾元件陣列式排布在棋盤上，該棋盤共有M行、N列，在棋盤基座背面每個格子的交叉點處有一個方孔，作為霍爾元件定位用，孔底距離棋盤基座正面約1.5mm，每個孔內放置一個霍爾元件，共有MxN個霍爾元件，棋盤基座的每一列處開一窄槽，在棋盤行向中間處開一寬槽，作為總出線接口。3.2004年6月上海交通大學黃立波、夏庭鍇、王春香、趙維江發(fā)表了一篇名為“實時環(huán)境下的對弈機器人控制系統設計與分析”的文章，該對弈機器人主要由工控機、控制柜和機器人本體三大部分組成，機器人手臂采用了SCARA結構，大小手臂的電機同軸安裝在基座上，以減小手臂轉動慣量，提高手臂的快速運動能力。手臂末端安裝的手爪可以完成上下運動（接近和離開棋盤）和開合運動（放下和抓起棋子）。機器人本體前方平臺上安放有電子棋盤，可感知棋局變化?？刂乒裰邪惭b有電機驅動器、繼電器組、電源等。系統軟件采用了基于RTX的單處理器體系結構。4.2004年9月上海交通大學王春香、楊汝清、趙維江發(fā)明了一個“象棋大師機器人專用手爪”。申請?zhí)?3151042.6,公開號CN1524665A。該發(fā)明包括：直流電機，電機座，角架，連接套，導軌，升降螺釘，固定螺母，銷釘，螺母，電磁鐵，行程開關，電機設置在電機座上，角架、電機座、直流電機通過螺釘連接在一起，電機軸和連接套通過錐端緊固螺釘固定，連接套通過螺紋和升降螺釘連接，固定螺母通過錐端緊固螺釘和升降螺釘固定，銷釘通過螺紋和固定螺母連接，導軌通過螺釘固定在角架上，銷釘在導軌的導向槽內滑動，行程開關通過螺釘設置在導軌的導向槽兩端，電磁鐵通過螺紋和升降螺釘連接在一起。5.2004年在《上海電器技術》上，同濟大學的俞清發(fā)表了一個基于單片機的圍棋機器人驅動模塊設計。針對圍棋中獨有的多子、提子現象以及圍棋子的特點，他開發(fā)了一種新穎實用的圍棋機器人(Go—Robot)系統。整套系統由落提子執(zhí)行機構、單片機驅動模塊、棋盤圖像實時采集處理系統、網絡對弈系統、智能圍棋決策系統和語音交互系統組成。其中，單片機驅動模塊用于驅動落、提子執(zhí)行機構準確有序的動作。在落、提子執(zhí)行機構中，由兩臺步進電機控制SST型機械臂的轉動，實現機械手的x—Y定位；由第三臺步進電機實現機械手繞Z軸的轉動，使機械手上按棋格位置均布的9只機械指與棋盤縱橫線對正，從而實現高效提子。機械指的升降通過牽線電磁鐵驅動，機械指對含鐵棋子的吸合通過吸合式電磁鐵驅動。單片機驅動模塊對執(zhí)行機構的驅動是通過對步進電機和電磁鐵的控制實現的。6.2005年6月哈爾濱理工大學學報上張韋唯，張永德發(fā)表了一篇名為下棋機器人操作臂及手爪的計算機輔助設計的文章。該計算機輔助系統以SCARA機器人為載體，下棋機器人采用3個自由度的SCARA機器人，其中有2個回轉關節(jié)，1個移動關節(jié)。移動關節(jié)采用的是螺母絲杠形式，實現手爪抓棋子的時候上下移動。共有4個電機，其中3個步進電機，1個直流電機。型號為35BYJO1的步進電機控制第1個回轉關節(jié)，28BYJ01的步進電機控制第二個回轉關節(jié)，25BY24I_132控制第三個移動關節(jié)，直流電機控制手爪的開合。7.2005年在《青少年科技博覽》上刊登了一篇名為“弈行天下”象棋機器人的報道。“博弈天行”象棋機器人，是北京師范大學附屬實驗中學鄭鑫、王晨谷和鮑等三名同學在劉海歐老師的指導下，研制成功的一款能真正與人對弈的第三代象棋機器人。他們的這一作品，榮獲第十九屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽二等獎。8．2006年3月同濟大學機械工程大學王四靈的碩士學位論文設計了一個4自由度的圍棋機器人的動作控制系統。該圍棋機器人機構由機座、手臂和末端執(zhí)行器組成。主要由回轉副和移動副組成的具有4個自由度、能實現落子和提子操作的功能的平面關節(jié)型機器人。其中，機座采用步進電機驅動，絲杠螺母傳動實現機器人整體的升降運動；大臂使用齒輪減速器，小臂使用同步帶傳動，都采用步進電機，大臂和小臂共同實現機器人在平面內的定位；末端執(zhí)行器采用氣動裝置直接驅動，工作行程比較小，主要實現對圍棋棋子的吸合和松開。動作控制系統采用上位機和下位機兩級控制方式實現末端執(zhí)行器的落子和提子的動作。圖像傳感器將棋盤的信息反饋給上位機，下位機主要將上位機傳送的步進電機脈沖數轉化為步進電機的轉動，并附有棋鐘電路和中斷電路等。9．2007年在《上海電器技術》上，同濟大學的陳李、劉帥設計了一個用于圍棋機器人的光電感應棋盤。該光電棋盤為機器人提供了一種新的外部信息獲取方式。它采用紅外光電耦合的原理，采集對應棋盤位置的電壓信號值。該電壓信號通過模數轉換器后，由單片機進行數據分析，單片機則根據預存的信號值范圍“判斷”落子位置與棋子顏色，從而完成對棋盤信息的讀取。10.2007年9月安徽大學電子科學與技術學院、中國科技大學精密機械與精密儀器系趙吉文、張志偉、謝芳、劉永斌、程蒲在《系統仿真學報》上發(fā)表了名為“基于SVM的仿人對弈機器人視覺圖像處理”的文章。該視覺系統針對對弈的實際狀況，采用彩色空間變換，閾值分割、形態(tài)學骨架化及霍夫變換等圖像處理技術，對棋局中的棋子進行檢測、定位和分割。通過提取棋子旋轉不變的徑向像素點數特征，克服了棋子方向隨意性。而后采用支持向量機分類方法，對棋子信息進行分類識別，同時分析處理了誤差對識別準確率的影響。實驗表明，該方法能夠實現定位、分割、識別棋子準確無誤。11.2008年2月中國科學技術大學精密機械與精密儀器系張志偉、孔凡讓、趙吉文、何清波、吳增榮在《計算機與軟件》上發(fā)表了名為“對弈機器人的視覺圖像處理和識別”的文章。其視覺系統提出了彩色空間變換,閾值分割、形態(tài)學骨架化及霍夫變換等圖像處理技術對棋局中的棋子進行檢測、定位和分割的方法。在棋子識別過程中,為克服棋子擺放方向的隨意性,提取棋子旋轉不變的徑向像素點數特征;用BP神經網絡進行識別,并采用貝葉斯正則化方法提高了網絡的推廣性。實驗表明,該方法定位、分割棋子準確無誤,識別率較高。12.2009年6月青島大學趙艷云在其名為“機器人手臂下棋運動的逆運動學分析與仿真”中設計了這樣一個機器人。該機器人有一個五自由度機器人手臂，主體關節(jié)結構由回轉底座、大臂、小臂、腕部、手指等組成，共有5個關節(jié)自由度，類似人的腰部和手臂部分。機器人手臂的底座水平旋轉實現機器人手臂的整體回轉。大臂的上端關節(jié)用于支撐小臂，大小臂可做上下俯仰運動。機器人的腕部位于小臂臂體的前端，具有手腕的回轉和俯仰轉動。13.2011年4月華南理工大學林穎、莊劍毅申請的名為“象棋機器人棋盤識別裝置”。申請?zhí)?01110101492.X，申請公布號CN102198326A。其結構為：棋盤上每個棋位開有一個小通孔，電路板安裝在棋盤底部，光敏電阻分布在每個棋位的小孔里，與二極管、普通電阻逐一串聯焊接于電路板上，16通道數字控制模擬開關、單片機系統也焊接在電路板上。機器人所持的棋子為透光材料，單片機系統通過光敏電阻電壓的變化獲知期盼的動態(tài)。14.1997年，ⅢM公司的超級計算機“深藍”與當時的國際象棋世界冠軍卡斯帕羅夫進行了一場大肆渲染的比賽。這次被卡斯帕羅夫稱作“終于來臨的一天”的比賽以卡氏的失敗而告終。IBM公司將“深藍”的獲勝稱作是人工智能領域的一個里程碑。并且這場比賽取得的宣傳效果好得出奇，大概沒有多少人不知道“深藍”了；而卡斯帕羅夫雖敗尤榮，無數對國際象棋一無所知的人們也因此知道了卡氏的大名。但是“深藍”只是一個超級計算機，一臺只是負責策略計算的計算機而不是機器人。15.烏克蘭州立海運大學(USMTU)的VBuldyzhov和KBrezhnev在2000年設計了一臺能與人對弈國際象棋的機器人。這個機器人的機械部分是一套液壓系統來驅動一個機械手爪的移動，由電機驅動手爪上F移動和開合，從而實現棋了的移動功能。電氣部分由一個計算機控制，程序可以運行在DOS或者windOWS操作系統下。雖然用的是普通的國際象棋棋盤和棋子，但這個機器人還不算“真一的”與人對弈，因為機器人無法自己獲得玩家的棋子移動信息，而必須玩家在計算機上輸入棋子移動信息，然后由計算機計算對策，接著控制機器人移動棋子。目前全世界的電腦仍然無法模擬出圍棋的人工智能，原因在于圍棋算法過于復雜。深藍西洋棋雖然可以擊敗世界棋王卡斯帕洛夫，這是由于西洋棋目標明確，只要殺死國王即可（跟象棋、將棋系出同源），因此算法并不困難，但圍棋不一定須要智殺對方棋子，每一步有數百種以上的走法，黃山谷有詩：“心似蛛絲游碧落，身如蜩甲化枯枝?！彼惴ǖ睦щy度明顯要高得多。宋代的《夢溪筆談》已對圍棋做了數學式表述，沈括稱“大約連書萬字五十二個，即是局之大數”，意思是說要寫52個萬（一個萬即4位數，共52個4位數）字，這是錯誤的，應該連書萬字四十三個，約為3361≈1.74×10172。根據圍棋規(guī)則，沒有氣的子不能存活，扣除這些狀態(tài)后的合法狀態(tài)(占1.196%)約有2.08×10170種。Robertson與Munro在1918年證得圍棋是一種PSPACE難的問題，其必勝法之記憶計算量在10600以上，這遠遠超過宇宙的原子總數1075。目前圍棋的電腦算法還不足以抗衡圍棋職業(yè)初段，1985年臺灣著名實業(yè)家應昌期懸賞一百萬美金，找尋能夠打敗職業(yè)棋士的電腦程式而不可得。“深藍”設計人許峰雄在2007年10月一期的《IEEESpectrum》雜志上表示，相信10年內以窮舉法為基礎的超級電腦將能挑戰(zhàn)世界冠軍級別的棋手，早年（上世紀90年代）中國陳志行開發(fā)的手談曾屢獲世界圍棋大賽冠軍，而目前最強的圍棋對弈軟件是法國的MoGo,朝鮮的KCCIGO(銀星),日本的ZEN等電腦圍棋程式，而最普遍應用且功能較齊全的是開源圍棋程序GNUGo。(1)綜上所述，棋類游戲是娛樂機器人產業(yè)進軍家庭和民間市場的重要領域，已呈出快速發(fā)展的態(tài)勢。但圍棋機器人動作控制相關落子、提子設備仍有很大改進空間，特別是具有良好自然性能使用自然的棋盤和棋子，系統人性化，不能分散棋手注意力，裝置動作敏捷、噪音并具有良好的可移植性的圍棋機器人動作控制系統還有待研究。3研究內容3.1機器人機械部分的結構和工作原理機器人的機械部分通常包括執(zhí)行機構和驅動裝置。執(zhí)行機構即機器人本體，為了讓機器人能夠自己抓放棋盤內所有位置的棋子，機器人手臂須到達任意棋盤上點的上方，并且可以到達棋簍所在位置的上方以及完成靠進期盼的垂直方向的動作。手爪部分為了能夠順利抓取棋子，并且保持在運動中棋子不會掉落，所以要求手爪要足夠細巧且結實，并能完成90度的旋轉。由于棋盤空間限制，同時要求機械部分占用空間不能過大。其臂部一般采用空間開鏈連桿機構，其中的運動副（轉動副或移動副）常稱為關節(jié)，關節(jié)個數通常即為機器人的自由度數。根據關節(jié)配置型式和運動坐標形式的不同，機器人執(zhí)行機構可分為直角坐標式、圓柱坐標式、極坐標式和關節(jié)坐標式等類型。出于擬人化的考慮，常將機器人本體的有關部位分別稱為基座、腰部、臂部、腕部、手部（夾持器或末端執(zhí)行器）和行走部（對于移動機器人）等。驅動裝置是驅使執(zhí)行機構運動的機構，為了使機器人在運動中能夠到達系統指定的位置且在運動中棋子不掉落，要求機器人手臂及手爪的驅動裝置運動平穩(wěn)，慣性小，可控性高，最好具有反饋功能。按照控制系統發(fā)出的指令信號，借助于動力元件使機器人進行動作。它輸入的是電信號，輸出的是線、角位移量。機器人使用的驅動裝置主要是電力驅動裝置，如步進電機、伺服電機等，此外也有采用液壓、氣動等驅動裝置。3.2機器人傳感部分的設計和工作原理機器人的傳感部分即檢測裝置，為了使機器人能夠實時獲取外部環(huán)境信息即棋局的戰(zhàn)況以及機器人手臂的位姿和機器人手爪抓取部分的位置，要求機器人具有一套分辨能力較強的視覺傳感器，以及能夠反饋手爪末端位置的傳感器。對傳感器要求精度較高，反應較快，以便提高圍棋機器人的運轉速度。檢測裝置是實時檢測機器人的運動及工作情況，根據需要反饋給控制系統，與設定信息進行比較后，對執(zhí)行機構進行調整，以保證機器人的動作符合預定的要求。作為檢測裝置的傳感器大致可以分為兩類：一類是內部信息傳感器，用于檢測機器人各部分的內部狀況，如各關節(jié)的位置、速度、加速度等，并將所測得的信息作為反饋信號送至控制器，形成閉環(huán)控制。一類是外部信息傳感器，用于獲取有關機器人的作業(yè)對象及外界環(huán)境等方面的信息，以使機器人的動作能適應外界情況的變化，使之達到更高層次的自動化，甚至使機器人具有某種“感覺”，向智能化發(fā)展，例如視覺、聲覺等外部傳感器給出工作對象、工作環(huán)境的有關信息，利用這些信息構成一個大的反饋回路，從而將大大提高機器人的工作精度。3.3機器人控制部分的設計和工作原理控制系統的設計為了能夠控制操作機的末端執(zhí)行器按規(guī)定的點位(PTP)和連續(xù)軌跡(CP)運動。運動平穩(wěn)、準確，且能夠根據系統的反饋自動調整偏差?？刂葡到y有兩種方式：一種是集中式控制，即機器人的全部控制由一臺微型計算機完成。另一種是分散（級）式控制，即采用多臺微機來分擔機器人的控制，如當采用上、下兩級微機共同完成機器人的控制時，主機常用于負責系統的管理、通訊、運動學和動力學計算，并向下級微機發(fā)送指令信息；作為下級從機，各關節(jié)分別對應一個CPU，進行插補運算和伺服控制處理，實現給定的運動，并向主機反饋信息。根據作業(yè)任務要求的不同，機器人的控制方式又可分為點位控制、連續(xù)軌跡控制和力（力矩）控制。4研究方案4.1總體方案（1）機械結構要實現總體機構在空間位置提供的5個自由度，可以有不同的運動組合，出于圍棋機器人手臂擬人化的考慮，同時又要讓機器人在對弈的時候不至于占用太大的空間而給對手造成壓迫感，現將其設計成手臂伸縮性較好的關節(jié)坐標型機器人。這種機器人的關節(jié)都是旋轉的類似于人的手臂，所有關節(jié)都是回轉關節(jié)，這種機器人一般由立柱和大小臂組成，立柱即為腰關節(jié)，可以回轉，立柱與大臂間形成肩關節(jié)，大臂和小臂間形成肘關節(jié)，可以使大臂和小臂作俯仰擺動，小臂和手腕之間組成腕關節(jié)，實現手腕的俯仰，同時手腕自身可以回轉。其特點是工作空間范圍大，動作靈活，通用性強、能抓取近距離的物體，工藝操作精度高。手爪部分采用四爪開合式的原因是考慮到圍棋棋盤上棋子分部的密集度。出于控制精度和方便性的考慮，以上所有關節(jié)驅動均采用步進電機驅動，使用諧波齒輪減速機構減速。 腰大臂腰大臂小臂腕手爪壓敏傳感器壓敏傳感器蝸輪傳動手爪（2）傳感部分為實現機器人對于棋盤信息的獲取并反饋給計算機以實行下一步動作，要求傳感部分具有良好的圖像獲取和分辨能力，而位置傳感器要能夠快速告知計算機機器人手爪是否已經到位?，F根據本課題的要求，擬采用圖像傳感器和壓敏傳感器，將圖像傳感器的攝像頭安裝在棋盤的正上方，壓敏傳感器安裝在手爪的末端。這樣，圖像傳感器可以采集到棋盤上棋子的位置信息，可以準確控制機械手在x-y平面的精確位置，壓敏傳感器可以準確反饋手爪是否接觸到棋子。 （3）控制部分對弈機器人的控制系統是控制機器人，能像人的大腦一樣，指揮機器人如何動作，能夠判斷棋盤的狀態(tài)，能夠與計算機進行實時的交換數據，并能夠用機械手移動該走的棋子，從而實現機器人與人的對弈。系統初始化完成之后，圍棋機器人處于待機狀態(tài)，等待棋手下棋，待棋手落子按下計時器后，圖像傳感器采集棋盤圖像，送入計算機分析，計算機將下一步要走的軌跡及位置發(fā)送給單片機，單片機將接收到的軌跡及位置信息處理之后控制步進電機的動作，同時由圖像傳感器實時反饋手臂位姿，以控制計算機到達準確位置，落子完畢后，機器人手臂按照預定軌跡回到棋盤后面，等待棋手下一步走棋。這個控制系統框圖如下：開機初始化開機初始化待機圖像傳感器采集棋盤狀態(tài)將其送入計算機分析待機由單片機驅動步進電機動作執(zhí)行落子、提子的動作程序開始勝負輸出人走棋根據計算機輸出的結果確定機器人末端執(zhí)行器的位置輸出給單片機輸出輸出4.2擬采取的技術措施通過機械部分計算實現手臂在棋盤范圍內的動作空間的可行。通過步進電機參數的分析和選用實現機器人手臂的驅動。通過運動學計算驗證機器人手臂末端達到空間位置的可行性和軌跡的合理性。通過運動學仿真驗證機器人手臂設計系統的可行性。5進度計劃2011年12月2012年1月：收集資料，確定設計系統總體方案，翻譯有關外文資料及閱讀技術文獻，書寫開題報告。2012年1月2012年2月：開始總體設計，完成機械部分，傳動部分設計。完成總裝配圖，A0圖紙1張，完成部分零件圖A1圖紙3張等。2012年2月2012年3月：完成電氣控制部分設計，完成電氣控制系統圖，A1圖紙1張，撰寫說明書。2012年3月2012年4月：中期答辯2012年4月2012年5月：編寫畢業(yè)論文。2012年5月2012年6月：畢業(yè)答辯準備和答辯。參考文獻[1]楊汝清、王春香、張偉軍.象棋大師機器人.發(fā)明專利，申請?zhí)?0112261.x，公開號CN1385224A2002年[2]王春香、楊汝清、賀繼林.機器人電子專用棋盤.發(fā)明項目，申請?zhí)?3115680.0公開號CN1433824A2003年[3]黃立波、夏庭鍇、王春香、趙維江.實時環(huán)境下的對弈機器人控制系統設計與分析.2004年機械2004年第31卷第6期[4]王春香、楊汝清、趙維江.象棋大師機器人專用手爪.發(fā)明專利，申請?zhí)?3151042.6,公開號CN1524665A2004年[5]俞清.基于單片機的圍棋機器人驅動模塊設計.《上海電器技術》2004年NO.2[6]張韋唯，張永德.下棋機器人操作臂及手爪的計算機輔助設計.哈爾濱理工大學學報2005年6[7]鄭鑫、王晨谷.