專利名稱：一種下棋機器人的制作方法
技術領域：
本發明屬于機器人技術領域，具體涉及ー種下棋機器人。
背景技術：
現有技術中，已經研發出ー些下棋機器人。其中，有類人形的下棋機器人，整體看上去跟人很像，整體結構極其復雜，其抓取棋子的手類似人的手，通過五根手指控制對棋子的抓取和釋放；有一些下棋機器人，它的機械臂跟エ業機械手相似，大臂和小臂可以上下擺動，以調整取放棋子的位置；還有一種類型下棋機器人，下棋時，抓取棋子時，需要用氣動吸盤。有些下棋機器人抓取棋子時，還需要特殊棋子，通過電磁釋放形式，需要特殊材料棋子。
這些現有的下棋機器人，在動カ傳動上，很多采用齒輪傳動，需要良好潤滑，另外它們抓取棋子的方式，也各有差異，有的采用仿人手的方式來抓取棋子，有的采用氣動吸盤，整個機器人需要配備ー個氣動壓縮機，在下棋機器人使用過程中，不斷的充氣和放氣；還有的采用電磁鐵抓取棋子，靠電磁鐵的吸力，吸住持制的材料的棋子。在占用空間方面，類人形下棋機器人與普通成年人相似，エ業下棋機器人，占用空間要比類人型小一些，但是，此下棋機器人上下擺動的兩臂精準控制比較復雜。

發明內容
本發明目的在于提供一種下棋機器人，包括三加ー個自由度。三個自由度分別為大臂的水平旋轉，小臂的水平旋轉，以及末端的升降移動，加一自由度，是末端的升降移動帶動著抓取片的轉動，進而實現了對棋子的抓取和釋放。本發明的技術方案是這樣實現的
一種下棋機器人，包括棋盤、棋子、軀干、大臂、小臂和末端小手；
所述棋盤劃分90個可放置棋子的位置，即90個點位，按象棋棋盤繪制棋格，棋盤上還有Φ30圓孔，Φ30圓孔用于穿過第一驅動電機線；
所述軀干包括套筒和大臂梁固定板；
所述套筒設置在棋盤上方，套筒底部套有軀干固定法蘭，套筒與軀干固定法蘭焊接固定，軀干固定法蘭與棋盤通過四個螺釘固定；套筒上方設置有大臂梁固定板，大臂梁固定板一側設置有第一旋轉定位塊，且第一旋轉定位塊與大臂梁固定板固定連接，套筒上方與第ー選擇定位塊同側設置有第二旋轉定位塊，且與套筒固定連接，第一調整螺釘通過螺紋擰在第一旋轉定位塊上，第一調整螺釘的頭部頂在第二旋轉定位塊上；
所述大臂包括大臂梁和第一驅動電機；
第一驅動電機位于套筒內部，第一驅動電機輸出軸外套有第一驅動電機固定法蘭，第一驅動電機與第一驅動電機固定法蘭通過螺釘固定連接，且第一驅動電機固定法蘭固定在套筒內，第一驅動電機固定法蘭外套有第一軸承，第一軸承外套有第一軸承套，第一軸承套位于大臂梁固定板下方，且第一軸承套與大臂梁固定板焊接固定，第一軸承套外還套有第ー張套，大臂梁固定板與大臂梁焊接固定；
所述小臂包括小臂驅動部分和小臂執行部分；
所述小臂驅動部分包括大臂梁端面固定板、第一齒形帶、第一齒形帶主動輪、第二驅動電機；
所述第二驅動電機設置在大臂梁下方，且位于軀干左側，大臂梁端面固定板設置在大臂梁左端，第一齒形帶主動輪位于大臂梁上；
第二驅動電機輸出軸外套有第二驅動電機固定法蘭，第二驅動電機固定法蘭與第二驅動電機通過螺釘固定連接，第二驅動電機固定法蘭通過螺釘固定在大臂梁下方，第二驅動電機固定法蘭左側設置有第一齒形帶張緊塊，第一齒形帶張緊塊與第二驅動電機固定法蘭焊接固定，第一齒形帶張緊塊與大臂梁端面固定板通過第二調整螺釘固定連接，第二驅動電機輸出軸外套有第一齒形帶主動輪，第一齒形帶主動輪外還套有第二漲套，第一齒形帶主動輪的旋轉帶動第一齒形帶運動；
所述小臂執行部分位于大臂梁下端，包括小臂梁、旋轉法蘭和第一齒形帶從動輪；小臂梁上方設置有旋轉法蘭，小臂梁與旋轉法蘭通過螺釘固定，旋轉法蘭上方設置有第一齒形帶從動輪；
旋轉法蘭的下端外側套有第二軸承，第二軸承外還套有第二軸承套，第二軸承套的上端外側設置第二軸承套固定法蘭，第二軸承套固定法蘭左側焊接有第三旋轉定位塊，第二軸承套與第二軸承套固定法蘭焊接固定，第二軸承套固定法蘭與大臂梁通過螺釘固定連接，第二軸承套固定法蘭上方設置第一齒形帶從動輪，且第一齒形帶從動輪套在旋轉法蘭外部，第一齒形帶從動輪上方還設有第一齒形帶從動輪固定法蘭，旋轉法蘭、第一齒形帶從動輪、第一齒形帶從動輪固定法蘭三者通過螺釘固定，第一齒形帶從動輪固定法蘭上焊接有第四旋轉定位塊，第三調整螺釘擰在第三旋轉定位塊上，第三調整螺釘尾端指向第四旋轉定位塊；
第一齒形帶主動輪的旋轉帶動第一齒形帶運動，進而帶動第一齒形帶從動輪旋轉；第一齒形帶從動輪的旋轉，進而帶動小臂梁的旋轉；當第一齒形帶從動輪帶動第四旋轉定位塊旋轉一定角度時，第三調整螺釘尾部頂住第四旋轉定位塊旋轉，進而達到旋轉定位的作用。所述末端小手包括末端小手驅動部分和末端小手執行部分；
所述末端小手驅動部分包括第三驅動電機、第二齒形帶主動輪、第三軸承、第二齒形帶、第一聯結件、第二聯結件、滑塊和導軌；
第三驅動電機通過螺釘安裝在小臂梁水平方向上，第二齒形帶主動輪安裝在第三驅動電機輸出軸上，第一聯結件、第二聯結件、滑塊和導軌均設置在小臂梁下方，第一聯結件左端聯結在第二齒形帶上，第一聯結件右端和第二聯結件的左端通過螺釘一起固定在滑塊上，導軌位于第二齒形帶右側，滑塊在導軌上可以上下移動，在第二齒形帶與導軌之間還設置有導軌法蘭，導軌通過螺釘固定在導軌法蘭上，導軌法蘭通過螺釘固定在小臂梁下；
第三軸承用作第二齒形帶的從動輪，第三軸承設置有第二齒形帶從動輪固定法蘭，第三軸承套在第二齒形帶從動輪固定法蘭內部的軸上，第四調整螺釘擰在第二齒形帶從動輪固定法蘭右側凸起上，第四調整螺釘的尾部頂在固定的導軌上，調整第四調整螺釘擰進去的長度，可以改變第三軸承與第二齒形帶主動輪之間的距離，達到張緊第二齒形帶目的。
第三驅動電機輸出軸的旋轉帶動第二齒形帶上下移動，進而帶動第一聯結件、導軌上的滑塊以及第ニ聯結件上下移動；
所述末端小手執行部分包括聯結螺釘、第一彈簧、第三聯結件、第二彈簧、聯結套、第四聯結件、旋轉軸、抓取片和乳膠管；
第三聯結件位于導軌右側，且第三聯結件與第二聯結件右端通過螺釘固定連接，第三聯結件跟隨第二聯結件上下移動；
第一彈簧位于第二聯結件與聯結套之間，用于支撐第二聯結件與聯結套，使兩者之間存在彈黃壓力；
第三聯結件下端設置有聯結套，聯結套內設置有第四聯結件，聯結螺釘穿過第二彈簧，兩者共同聯結第三聯結件和第四聯結件，第二彈簧的壓カ小于第一彈簧壓力。
抓取片和旋轉軸配合使用，共有3組，每組包含2個抓取片和2個旋轉軸，成對的2個抓取片分別位于第四聯結件兩側，旋轉軸穿過抓取片上端小孔，旋轉軸固定在聯結套上。乳膠管的作用是拉緊抓取片，乳膠管套在聯結套上，卡在抓取片凹槽位置，抓取片受聯結套作用，只能閉合一定角度。在整個抓取棋子過程中，第三聯結件上下移動帶動第四聯結件的上下不同位置，進而改變抓取片的張開與閉合的狀態，抓取片的張開與閉合就將決定著棋子的抓取和釋放。本發明下棋機器人還設有控制系統，該控制系統包括棋盤數據采集系統、決策系統和驅動器；
棋盤數據采集系統用于檢測棋盤上棋子的位置變動和計算走動棋子的坐標信息，決策系統用于根據棋盤數據采集系統發送的走動棋子坐標信息，計算第一、第二和第三驅動電機旋轉的脈沖數，驅動器用于根據決策系統計算出的脈沖數驅動第一、第二和第三驅動電機運動。所述棋盤數據采集系統包括單片機、鍵盤接ロ芯片和光電傳感器；
所述光電傳感器為90個，分別安裝于棋盤上所有的90個點位下面，形成ー個類似于矩陣鍵盤的9X10點陣，即傳感器矩陣。所述鍵盤接ロ芯片為2片，半個棋盤用一片鍵盤接ロ芯片采集數據，半個棋盤是9X5的點陣，先取9行中的8行，即8X 5的點陣，連到鍵盤接ロ芯片上，再將剩下的第9行的5個點作為8X6矩陣的第6列連到鍵盤接ロ芯片上，兩片鍵盤接ロ芯片均按此方式連接光電傳感器，這樣便能將所有的傳感器都連到鍵盤接ロ芯片上。其中，8X 6點陣的8個行端分別與鍵盤接ロ芯片回送線引腳相連，6個列端先連到譯碼器數據輸出引腳上，再通過譯碼器的選擇輸出引腳分別與鍵盤接ロ芯片的掃描線引腳相連。鍵盤接ロ芯片的片選引腳分別接到單片機的I/O端ロ，兩片鍵盤接ロ芯片的片選引腳CS分別接到單片機的I/O端ロ，鍵盤接ロ芯片讀寫控制引腳與單片機的讀寫控制引腳連接，鍵盤接ロ芯片的緩沖器地址選擇線連接單片機的相應端ロ，鍵盤接ロ芯片的時鐘輸入端與單片機的地址鎖存允許信號輸出引腳相連，即時鐘信號CLK由單片機的ALE提供；單片機與鍵盤接ロ芯片采用并行總線通信方式進行通信，鍵盤接ロ芯片的雙向數據總線引腳與單片機I/O端ロ連接。鍵盤接ロ芯片的中斷請求引腳經譯碼器與非門連接到單片機的兩個外部中斷輸入端。所述的決策系統主要完成串ロ通信、走棋決策和基于CAN總線的驅動。單片機與決策系統采用串ロ通信，單片機通過串ロ通信引腳經串ロ總線與決策系統相連，該串ロ總線遵照RS-232 (9針)接ロ協議。決策系統經CAN總線對驅動器進行控制。第一驅動電機和第二驅動電機為交流伺服電機，第三驅動電機為直流伺服電機；第一驅動電機、第二驅動電機和第三驅動電機通過尾部的正交編碼器與驅動器相連，將伺服電機的運轉情況反饋到驅動器，從而與驅動器形成閉環控制系統，以實現驅動器對電機的精準控制。
本發明的下棋機器人的控制方法，包括如下步驟
步驟I :每一次開始下棋前，先將棋盤上的棋子按象棋開局擺法布置好，上電后，光電傳感器記錄當前每個位置，記住每個位置對應的棋子的名字，然后大臂和小臂旋轉復位到初始位置，小臂躲在大臂下方；
步驟2 :開始下棋后，光電傳感器實時檢測棋盤上各棋子位置的變化，鍵盤接ロ芯片產生中斷信號；
步驟3 :單片機接收中斷信號后，讀取當前棋盤上棋子位置信息，與上一次信息比對，得出走動棋子的坐標，通過串ロ將走動棋子的坐標信息發送到決策系統；
步驟4 :決策系統執行象棋算法，根據接收到的坐標信息計算走棋方案，完成下棋機器人的下棋決策，即走棋坐標；
步驟5 :根據下棋決策算出的走棋坐標，算出大臂和小臂的轉動角度，即第一驅動電機和第二驅動電機旋轉的脈沖數，通過CAN總線控制第一驅動電機和第二驅動電機走到相應脈沖，即大臂和小臂運動到相應點位，控制第三驅動電機帶動末端小手的先下降，再升起，將棋子放到決策位置；
當下棋機器人要吃掉對方的棋子時，下棋機器人先拿走要吃掉的棋子，然后走到初始位置釋放掉被吃的棋子，再將下棋決策的棋子拿起，放到相應的位置；
步驟6 :姆ー步棋下完后，大臂和小臂都回到初始位置，等待著下一步的進行。有益效果
本發明的下棋機器人，非常適用于社區或者其他公眾休閑地方，并有以下有益效果
1、相比于其它下棋機器人，本發明的下棋機器人在末端小手升降的過程中，同時進行棋子抓取或者釋放。也是就說，棋子的抓取或者釋放，它的原動カ來自于升降動カ，實現機械自動抓取。與現有技術中的吸盤式抓取機構相比，避免空壓機引起的噪音；與電磁鐵式抓取機構相比，避免了對棋子的特殊要求；對類人機器人相比，結構更簡單，方便實用；
2、對棋子選取無需特殊處理，無需像其它下棋機器人那樣，需對材料，磁性形狀等進行限制。本發明只需要市場上普通的象棋棋子即可；
3、結構輕巧緊湊簡單，操作簡單占用空間小。跟エ業式機械臂下棋機器人相比，本發明下棋機器人占用空間小。比類人形機器人占用空間小很多，結構也比類人形下棋機器人更加輕巧緊湊簡単。作為娛樂休閑下棋機器人，適宜家居，社區公共場合等應用；
4、在聯結方式上，電機輸出軸與外界齒形帶輪采用漲套聯結，相比于鍵聯結，安裝拆卸時更簡單。在傳動上，采用齒形帶傳動，它傳動精準，效率高，無需潤滑，也無污染和噪聲。而齒輪傳動，確需潤滑，傳動有沖擊，伴隨著噪聲。而且，齒輪傳動時，齒輪的安裝精度要求高。比鏈條傳動更清潔，安靜。比皮帶傳動更精準；
5、安全可靠，清潔耐用，有防止意外裝置。在旋轉中，本發明下棋機器人有旋轉定位裝置，通過調整螺釘與旋轉定位塊的配合，實現旋轉定位，防止意外發生，達到安全適用的目的。6、無噪音，無沖擊，無污染。本發明下棋機器人采用電機驅動，與吸盤式下棋機器人相比，減少噪聲，此外，沒有污染物產生，環保清潔。


圖I :本發明實施例的下棋機器人整體結構示意 圖2 :本發明實施例的下棋機器人棋盤結構示意圖； 圖3 :本發明實施例的下棋機器人軀干結構示意 圖4 :本發明實施例的下棋機器人軀干結構B部分結構放大示意 圖5 :本發明實施例的下棋機器人大臂結構示意 圖6 :本發明實施例的下棋機器人小臂驅動部分結構示意 圖7 :本發明實施例的下棋機器人小臂執行部分結構示意 圖8 :本發明實施例的下棋機器人末端小手驅動部分結構示意 圖9 :本發明實施例的下棋機器人末端小手執行部分結構示意 圖10 :本發明實施例的下棋機器人棋子抓取和釋放的具體狀態示意 圖11 :本發明實施例的下棋機器人第三聯結件和第四聯結件示意圖，其中(a)為第三聯結件，(b)為第四聯結件；
圖12 :本發明實施例的下棋機器人第三聯結件與第四聯結件各運動狀態齒的平面展開示意 圖13 :本發明實施例的下棋機器人下棋前初始狀態示意 圖14 :本發明實施例的下棋機器人控制系統結構示意 圖15 :本發明實施例的下棋機器人的控制方法流程 圖中，I-棋盤，2-軀干，3-大臂，4-小臂，5-抓取小手，7-棋子，9-Φ30圓孔，10-光電傳感器，11-軀干固定法蘭，12-套筒，13-大臂梁固定板，14-第一旋轉定位塊，15-第二旋轉定位塊，16-第一調整螺釘,17-第一驅動電機,18-第一驅動電機固定法蘭，19-第一軸承套，20-第一漲套，21-第一軸承，22-大臂梁，23-第二驅動電機，24-第二驅動電機固定法蘭，25-第一齒形帶張緊塊，26-第二調整螺釘，27-大臂梁端面固定板，28-第一齒形帶主動輪，29-第二漲套，30-第一齒形帶，31-第三調整螺釘，32-第三旋轉定位塊，33-第二軸承套固定法蘭，34-第四旋轉定位塊，35-第一齒形帶從動輪固定法蘭，36-第一齒形帶從動輪，37-旋轉法蘭,38-第二軸承，39-小臂梁，40-第二軸承套，41-第二驅動電機，42-第四調整螺釘，43-第二齒形帶從動輪固定法蘭，44-第二軸承,45-第二齒形帶主動輪，46-第二齒形帯，47-滑塊，48-第一聯結件，49-第二聯結件，50-導軌，51-導軌固定法蘭，52-聯結螺釘，53-第一彈簧，54-第三聯結件，55-第二彈簧，56-聯結套，57-第四聯結件，58-旋轉軸，59-抓取片，60-乳膠管，61-擋柱。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施方式
做詳細說明。本具體實施方式
中的下棋機器人，如圖I所示，包括棋盤I、棋子7、軀干2、大臂3、小臂4和末端小手5,還包括控制系統。所述棋盤I如圖2所示，劃分90個可放置棋子7的位置，即90個點位，按象棋棋盤繪制棋格，棋盤I上還有Φ30圓孔9，Φ30圓孔用于穿過第一驅動電機線；棋子直徑為32mm0所述軀干2如圖3所示，包括套筒12和大臂梁固定板13 ；
所述套筒12設置在棋盤I上方，套筒12底部套有軀干固定法蘭11，套筒12與軀干固定法蘭11焊接固定，軀干固定法蘭11與棋盤I通過四個螺釘固定；套筒12上方設置有大 臂梁固定板13，如圖4所示，大臂梁固定板13 —側設置有第一旋轉定位塊14，且第一旋轉定位塊14與大臂梁固定板13固定連接，套筒12上方與第一選擇定位塊14同側設置有第ニ旋轉定位塊15，且與套筒12固定連接，第一調整螺釘16通過螺紋擰在第一旋轉定位塊14上，第一調整螺釘16的頭部頂在第二旋轉定位塊15上；
所述大臂3如圖5所示，包括大臂梁22和第一驅動電機17 ；
第一驅動電機17位于套筒12內部,第一驅動電機17輸出軸外套有第一驅動電機固定法蘭18，第一驅動電機17與第一驅動電機固定法蘭18通過螺釘固定連接，且第一驅動電機固定法蘭18固定在套筒12內，第一驅動電機固定法蘭18外套有第一軸承21，第一軸承21外套有第一軸承套19，第一軸承套19位于大臂梁固定板13下方，且第一軸承套19與大臂梁固定板13焊接固定，第一軸承套19外還套有第一張套20，大臂梁固定板13與大臂梁22焊接固定；
所述小臂4包括小臂驅動部分和小臂執行部分；
所述小臂驅動部分如圖6所示，包括大臂梁端面固定板27、第一齒形帶30、第一齒形帶主動輪28、第二驅動電機23 ；
所述第二驅動電機23設置在大臂梁22下方，且位于軀干左側，大臂梁端面固定板27設置在大臂梁22左端，第一齒形帶主動輪38位于大臂梁22上；
第二驅動電機23輸出軸外套有第二驅動電機固定法蘭24，第二驅動電機固定法蘭24與第二驅動電機23通過螺釘固定連接，第二驅動電機固定法蘭24通過螺釘固定在大臂梁22下方，第二驅動電機固定法蘭24左側設置有第一齒形帶張緊塊25，第一齒形帶張緊塊25與第二驅動電機固定法蘭24焊接固定，第一齒形帶張緊塊25與大臂梁端面固定板27通過第二調整螺釘26固定連接，第二驅動電機23輸出軸外套有第一齒形帶主動輪28，第一齒形帶主動輪28外還套有第二漲套29，第一齒形帶主動輪28的旋轉帶動第一齒形帶30運動；所述小臂執行部分如圖7所示，位于大臂梁22下端，包括小臂梁39、旋轉法蘭37和第一齒形帶從動輪36 ；
小臂梁39上方設置有旋轉法蘭37，小臂梁39與旋轉法蘭37通過螺釘固定，旋轉法蘭37上方設置有第一齒形帶從動輪36 ；
旋轉法蘭37的下端外側套有第二軸承38，第二軸承38外還套有第二軸承套40，第二軸承套40的上端外側設置第二軸承套固定法蘭33，第二軸承套固定法蘭33左側焊接有第三旋轉定位塊32，第二軸承套40與第二軸承套固定法蘭33焊接固定，第二軸承套固定法蘭33與大臂梁22通過螺釘固定連接，第二軸承套固定法蘭33上方設置第一齒形帶從動輪36，且第一齒形帶從動輪36套在旋轉法蘭37外部，第一齒形帶從動輪36上方還設有第一齒形帶從動輪固定法蘭35，旋轉法蘭37、第一齒形帶從動輪36、第一齒形帶從動輪固定法蘭35三者通過螺釘固定，第一齒形帶從動輪固定法蘭35上焊接有第四旋轉定位塊34，第三調整螺釘31擰在第三旋轉定位塊32上，第三調整螺釘31尾端指向第四旋轉定位塊34 ；第一齒形帶主動輪28的旋轉帶動第一齒形帶30運動，進而帶動第一齒形帶從動輪36旋轉；第一齒形帶從動輪36的旋轉，進而帶動小臂梁39的旋轉；當第一齒形帶從動輪36帶動第四旋轉定位塊34旋轉一定角度時，第三調整螺釘31尾部頂住第四旋轉定位塊34旋轉，進而達到旋轉定位的作用。所述末端小手5包括末端小手驅動部分和末端小手執行部分；
所述末端小手驅動部分如圖8所示，包括第三驅動電機41、第二齒形帶主動輪45、第三軸承44、第二齒形帶46、第一聯結件48、第二聯結件49、滑塊47和導軌50 ；
第三驅動電機41通過螺釘安裝在小臂梁39水平方向上，第二齒形帶主動輪45安裝在第三驅動電機41輸出軸上，第一聯結件48、第二聯結件49、滑塊47和導軌50均設置在小臂梁39下方，第一聯結件48左端聯結在第二齒形帶46上，第一聯結件48右端和第二聯結件49的左端通過螺釘一起固定在滑塊47上，導軌50位于第二齒形帶46右側，滑塊47在導軌50上可以上下移動，在第二齒形帶46與導軌50之間還設置有導軌法蘭51，導軌50通過螺釘固定在導軌法蘭51上，導軌法蘭51通過螺釘固定在小臂梁39下；
第三軸承44用作第二齒形帶的從動輪，第三軸承44設置有第二齒形帶從動輪固定法蘭43，第三軸承44套在第二齒形帶從動輪固定法蘭43內部的軸上，第四調整螺釘42擰在第二齒形帶從動輪固定法蘭43右側凸起上，第四調整螺釘42的尾部頂在固定的導軌50上，調整第四調整螺釘42擰進去的長度，可以改變第三軸承44與第二齒形帶主動輪45之間的距離，達到張緊第二齒形帶46目的。第三驅動電機41輸出軸的旋轉帶動第二齒形帶46上下移動，進而帶動第一聯結件48、導軌50上的滑塊47以及第二聯結件49上下移動；
所述末端小手執行部分如圖9所示，包括聯結螺釘52、第一彈簧53、第三聯結件54、第ニ彈簧55、聯結套56、第四聯結件57、旋轉軸58、抓取片59和乳膠管60 ；
第三聯結件54位于導軌50右側，且第三聯結件54與第二聯結件49右端通過螺釘固定連接，第三聯結件54跟隨第二聯結件49上下移動；
第一彈簧53位于第二聯結件49與聯結套56之間，用于支撐第二聯結件49與聯結套56，使兩者之間存在彈簧壓力；
第三聯結件54下端設置有聯結套56，聯結套56內設置有第四聯結件57，聯結螺釘52穿過第二彈簧55，兩者共同聯結第三聯結件54和第四聯結件57，第三聯結件54和第四聯結件57如圖11 (a)、(b)所示；第ニ彈簧55的壓カ小于第一彈簧53壓力。抓取片59和旋轉軸58配合使用，共有3組，每組包含2個抓取片59和2個旋轉軸58，成對的2個抓取片分別位于第四聯結件57兩側，旋轉軸58穿過抓取片59上端小孔，旋轉軸58通過改性丙烯酸脂膠固定在聯結套56上。乳膠管60的作用是拉緊抓取片59，如圖10所示，抓取片A點的位置，取決于第四聯結件的位置。乳膠管60套在聯結套56上，卡在抓取片59凹槽位置，抓取片59受聯結套56作用，只能閉合一定角度。在整個抓取棋子過程中，第三聯結件54上下移動帶動第四聯結件57的上下不同位置，進而改變抓取片59的張開與閉合的狀態，抓取片59的張開與閉合就將決定著棋子的抓取和釋放。如圖12所示，第三聯結件54與第四聯結件57的齒接觸表面光滑，摩擦カ很小，運動過程中會在第二彈簧55作用下，接觸齒面可以相互滑動。由于擋柱61的作用，使得上下兩齒滑動受到限制，進而調節了第三聯結件54與第四聯結件57的相對位置。在聯結套56內部均勻分布有三個擋柱，擋住61是聯結套56內部的一部分。所述控制系統包括棋盤數據采集系統、決策系統和驅動器； 控制系統結構如圖14所示。所述棋盤數據采集系統用作棋盤棋子信息的檢測，主要負責棋盤上棋子的位置變動信息采集，經數據處理后可算出棋子的移動坐標，通過串ロ發送到上位機進行決策。棋盤數據采集系統包括51單片機、鍵盤接ロ芯片和光電傳感器；
51單片機選用STC89C52RC，STC89C52RC單片機是ー款新一代高速/低功耗/超強抗干擾的單片機，其高速穩定的特點適用于集數據處理與通信于一身的下位機。鍵盤接ロ芯片選用8279芯片，8279是可編程的鍵盤、顯示接ロ芯片，它既具有按鍵處理功能，又具有自動顯示功能，在單片機系統中應用很廣泛。8279內部有鍵盤FIFO(先 進先出堆棧)/傳感器，雙重功能的8*8=64B RAM,鍵盤控制部分可控制8*8=64個按鍵或8*8陣列方式的傳感器，而ー個完整的中國象棋棋盤共有90個點位，所以8279要通過74138譯碼器連接到90個點位的鍵盤上。所述光電傳感器為90個，分別安裝于棋盤上所有的90個點位下面，形成了ー個類似于矩陣鍵盤的9X 10點陣，即傳感器矩陣。本實施方式選用TCRT5000光電傳感器，TCRT5000光電傳感器模塊是基于TCRT5000紅外光電傳感器設計的一款紅外反射式光電開關。該傳感器采用高發射功率紅外光電ニ極管和高靈敏度光電晶體管組成，輸出信號經施密特電路整形，穩定可靠。這款光電傳感器體積小并且工作距離在f 8mm之間，便于安裝在棋盤上，且適用于棋子的檢測。所述鍵盤接ロ芯片為2片，半個棋盤用一片8279來采集數據，共需要兩片8279。半個棋盤是9X5的點陣，而8279上最多只能掛載8行或8列的點陣。所以，先取9行中的8行，即8 X 5的點陣，連到8279上，再將剩下的第9行的5個點作為8X6矩陣的第6列連
到8279上，兩片鍵盤接ロ芯片均按此方式連接光電傳感器，這樣便能將所有的傳感器都連到8279上。其中8 X 6點陣的8個行端分別與8279上回送線RL(TRL7八個引腳相連，6個列端先連到74138譯碼器上的Υ(ΓΥ5六個引腳上，再通過74138譯碼器的Α、B、C三個引腳分別與8279上的SLO、SL1、SL2相連。這樣便完成8279傳感器矩陣的搭建。兩片8279的片選引腳CS分別接到51單片機的I/O端ロ Ρ2. 6和Ρ2. 7，讀寫控制引腳RD和WR則分別與51單片機的讀寫控制引腳/RD和/WR相連，8279的緩沖器地址選擇線AO接51單片機Α0，時鐘信號CLK由單片機的ALE提供。51單片機與8279之間采用并行總線通信方式，8279的雙向數據總線引腳DB(TDB7分別接于51單片機的I/O端ロ PO. (ΓΡΟ. 7。
8279通過光電傳感器檢測到棋盤上的棋子有變化后，會在其IRQ引腳產生中斷信號，8279的IRQ經74ALS00與非門取非后分別連接到單片機的INTO和INTl外部中斷輸入端，單片機接收到外部中斷信號后進入中斷讀取8279 FIFO RAM中存儲的當前棋盤棋子信息，與上一次信息比對后，會生成走動棋子的坐標，從而完成棋盤的數據采集工作。51單片 機通過TXD與RXD串ロ通信引腳經串ロ線將坐標發給決策系統進行處理，該串ロ總線遵照RS-232 (9針)接ロ協議。RS-232是美國電子エ業聯盟(EIA)制定的串行數據通信的接ロ標準，原始編號全稱是EIA-RS-232 (簡稱RS232)。它被廣泛用于計算機串行接口外設連接。本實施方式決策系統采用主控芯片為TE2440-II的ー款ARM9嵌入式エ控板，它基于三星公司的ARM9處理器S3C2440A，內部帶有全性能的MMU (內存處理單元)，性能穩定可靠，具有高性能、低功耗、接ロ豐富和體積小等優良特性。ARM9處理器主要完成串ロ通信、走棋決策和基于CAN總線的驅動。ARM9處理器通過串ロ收到51單片機發送的坐標信息后，會將該坐標輸入象棋算法程序中進行處理，并最終得出機器人相應的走棋策略。本實施方式中采用的象棋算法是由著名的α-β剪枝算法實現的，α-β剪枝技術的基本思想或算法是，邊生成博弈樹邊計算評估各節點的倒推值，并且根據評估出的倒推值范圍，及時停止擴展那些已無必要再擴展的子節點，即相當于剪去了博弈樹上的ー些分枝，從而節約了機器開銷，提高了搜索效率。移植到ARM平臺的α-β剪枝算法可以根據給定的著棋坐標算出最優的走棋方法，從而完成機器人下棋的決策。所述驅動器選用copley公司的ACJ-055-18系列驅動器,這是ー款可提供最佳伺服性能的驅動器，用戶可根據需要選擇靈活的、低價位的包裝形式。除了可工作在力矩和速度控制模式下，也可使用脈沖/方向控制的位置模式。最新的DSP技術的運用為用戶提供了超強的帶寬控制，可實現先進的換相算法，而且該款驅動器支持CANopen協議可與主控芯片通過CAN總線進行通信。驅動器局域網CAN( Controller Area Network)屬于現場總線的范疇，是ー種有效支持分布式控制系統的串行通信網絡。是由德國博世公司在20世紀80年代專門為汽車行業開發的一種串行通信總線。由于其高性能、高可靠性以及獨特的設計而越來越受到人們的重視，被廣泛應用于諸多領域。而且能夠檢測出產生的任何錯誤。當信號傳輸距離達到IOkm時，CAN仍可提供高達50kbit/s的數據傳輸速率。由于CAN總線具有很聞的實時性能和應用范圍，從位速率最聞可達IMbps的聞速網絡到低成本多線路的50Kbps網絡都可以任意搭配。因此，CAN己經在汽車業、航空業、エ業控制、安全防護等領域中得到了廣泛應用。本實施方式的第一驅動電機和第二驅動電機為交流伺服電機，選用韓國麥克比恩公司的高精度交流伺服電機APM-SA01，用以精確控制大臂和小臂的運動，從而使其精準的走到姆ー個點位；第三驅動電機為直流伺服電機，選用瑞士馬克松公司的maxon re30直流伺服電機，該電機有較大的低速轉矩，可以使末端小手牢固的抓取和釋放棋子。各個伺服電機尾部均有自帶的光電式正交編碼器，正交編碼器的Vcc、GND、A、/A、B、/B、I、/I 八個引腳,分別連接到驅動器的 Encoder +5 Vdc、Signal Ground、A、/A、B、/B、X、/X引腳。Maxon直流伺服電機兩根電源線，“ + ”連到驅動器Motor U引腳上，另ー根連接至IJ Motor V引腳上。另外麥克比恩電機編碼器弓I出的A、/A、B、/B、Z、/Z、U、V、W、+5V、OV、SHIELD 引腳分別連接到驅動器的 A、/A、B、/B、X、/X、Hall U、Hall V、Hall W、Encoder+5 Vdc、Signal GrouncUFrame Ground 引腳，電源線 U、V、W、GROUND 分別連接到驅動器的Motor U、Motor V、Motor W> Frame Ground 引腳。正交編碼器將伺服電機的運轉情況反饋到驅動器，從而與驅動器形成閉環控制系統，以實現驅動器對電機的精準控制。ARM9處理器經CAN總線對驅動器進行控制，由驅動器引來的兩根CAN總線分別接于TE2440-II嵌入式エ控板提供的CANH和CANL接口上。ARM9處理器根據決策系統算出的機器人走棋坐標計算出大臂和小臂應該轉動的角度，即第一驅動電機和第二驅動電機應轉的脈沖數，然后通過CAN總線控制第三驅動電機走到相應脈沖，即末端小手運動到相應點位，即可進行棋子的抓取和釋放，從而完成機器人一歩走棋動作。本發明ー種實施方式的下棋機器人的控制方法流程如圖15所示。本實施方式以象棋走棋時(包括開局)，下棋機器人先走“馬ニ進三”(即右邊的馬 向左上方跳一歩)為例，執行本方法，包括如下步驟
步驟I :開始下棋前，先將棋盤上的棋子按象棋開局擺法布置好，電路上電后，光電傳感器記錄當前每個位置，記住每個位置對應的棋子的名字，然后大臂和小臂旋轉復位到初始位置，小臂躲在大臂下方；
步驟2:開始下棋后，光電傳感器實時檢測棋盤上各棋子位置的變化，鍵盤接ロ芯片產生中斷信號；
步驟3 :單片機接收中斷信號后，讀取當前棋盤上棋子位置信息，與上一次信息比對，得出走動棋子的坐標，通過串ロ將走動棋子的坐標信息發送到ARM9處理器；
步驟4 ARM9處理器執行象棋算法程序，根據接收到的坐標信息計算最優走棋方案，完整下棋機器人的下棋決策，即走棋坐標，本實施例中，決策下棋機器人走棋決策為“馬ニ進~- ”
--- ，
步驟5:此時，會有兩種情況1. “馬ニ進三”處沒有棋子，此時為走棋；2. “馬ニ進三”處有棋子，此時為吃子。走棋時，根據下棋決策算出的走棋坐標，算出大臂和小臂的轉動角度，即第一驅動電機和第二驅動電機旋轉的脈沖數，第一驅動電機脈沖數為-13022，第二驅動電機脈沖數為5463，通過CAN總線控制第一驅動電機和第二驅動電機走到相應脈沖，即大臂和小臂運動到相應點位，末端小手運動到要走的“馬”上方，向下運動抓起“馬”后再升起，升起后第一驅動電機會轉到-9835脈沖數，同時第二驅動電機轉到10712脈沖數，第三驅動電機再控制機械手向下運動放下“馬”，然后升起末端小手；
下棋機器人需要吃掉對方棋子時，假設“馬ニ進三”處有敵方ー個“炮”，根據象棋算法程序給出的下棋決策算出走棋坐標，第一驅動電機和第二驅動電機先走到“炮”所在坐標的脈沖數，即第一驅動電機轉到-9835脈沖數，同時第二驅動電機轉到10712脈沖數，此時，末端小手運動到“炮”上方，向下運動抓起“炮”后再升起，然后回到初始位置，末端小手向下運動，將被吃的“炮”放到棋盤外，然后上升回到初始位置，再重復走棋時的步驟，實現“馬ニ進三，，;
其中，第一驅動電機、第二驅動電機旋轉的脈沖數是相對于初始位置驅動電機脈沖數為O時的脈沖數。當脈沖數為正時，表示俯視時驅動電機逆時針旋轉，當脈沖數為負時，表示驅動電機順時針旋轉。步驟6 :—歩棋下完后，大臂和小臂都回到初始位置，如圖13所示，小臂 躲在大臂下方，等待這下ー步的進行。
權利要求
1.一種下棋機器人，其特征在于包括棋盤(I)、棋子(7)、軀干(2)、大臂(3)、小臂(4)和末端小手(5)； 所述棋盤(I)劃分90個可放置棋子(7)的位置，即90個點位，按象棋棋盤繪制棋格； 所述軀干(2)包括套筒(12)和大臂梁固定板(13); 所述套筒(12 )設置在棋盤(I)上方，套筒(12 )底部套有軀干固定法蘭(11)，套筒(12 )與軀干固定法蘭(11)焊接固定，軀干固定法蘭(11)與棋盤(I)通過四個螺釘固定；套筒(12)上方設置有大臂梁固定板(13)； 所述大臂(3 )包括大臂梁(22 )和第一驅動電機(17 ); 第一驅動電機(17)位于套筒(12)內部,第一驅動電機(17)輸出軸外套有第一驅動電機固定法蘭(18)，第一驅動電機(17)輸出軸與第一驅動電機固定法蘭(18)通過螺釘固定連接，且第一驅動電機固定法蘭(18)固定在套筒(12)內，第一驅動電機固定法蘭(18)外套有第一軸承(21)，第一軸承(21)外套有第一軸承套(19)，第一軸承套(19)位于大臂梁固定板(13)下方，且第一軸承套(19)與大臂梁固定板(13)焊接固定，大臂梁固定板(13)與大臂梁(22)焊接固定； 所述小臂(4)包括小臂驅動部分和小臂執行部分； 所述小臂驅動部分包括大臂梁端面固定板(27)、第一齒形帶(30)、第一齒形帶主動輪(28)、第二驅動電機(23)； 所述第二驅動電機(23)設置在大臂梁(22)下方，且位于軀干(2)左側，大臂梁端面固定板(27)設置在大臂梁(22)左端，第一齒形帶主動輪(38)位于大臂梁(22)上； 第二驅動電機(23)輸出軸外套有第二驅動電機固定法蘭(24)，第二驅動電機固定法蘭(24)與第二驅動電機(23)通過螺釘固定連接，第二驅動電機固定法蘭(24)通過螺釘固定在大臂梁(22)下方，第二驅動電機固定法蘭(24)左側設置有第一齒形帶張緊塊(25)，第一齒形帶張緊塊(25)與第二驅動電機固定法蘭(24)焊接固定，第一齒形帶張緊塊(25)與大臂梁端面固定板(27)通過第二調整螺釘(26)固定連接，第二驅動電機(23)輸出軸外套有第一齒形帶主動輪(28)，第一齒形帶主動輪(28)的旋轉帶動第一齒形帶(30)運動；所述小臂執行部分位于大臂梁(22)下端，包括小臂梁(39)、旋轉法蘭(37)和第一齒形帶從動輪(36)； 小臂梁(39)上方設置有旋轉法蘭(37)，小臂梁(39)與旋轉法蘭(37)通過螺釘固定，旋轉法蘭(37)上方設置有第一齒形帶從動輪(36)； 旋轉法蘭(37)的下端外側套有第二軸承(38)，第二軸承(38)外還套有第二軸承套(40)，第二軸承套(40)的上端外側設置第二軸承套固定法蘭(33)，第二軸承套固定法蘭(33)左側焊接有第三旋轉定位塊(32)，第二軸承套(40)與第二軸承套固定法蘭(33)焊接固定，第二軸承套固定法蘭(33)與大臂梁(22)通過螺釘固定連接，第二軸承套固定法蘭(33)上方設置第一齒形帶從動輪(36)，且第一齒形帶從動輪(36)套在旋轉法蘭(37)外部，第一齒形帶從動輪(36)上方還設有第一齒形帶從動輪固定法蘭(35)，旋轉法蘭(37)、第一齒形帶從動輪(36)、第一齒形帶從動輪固定法蘭(35)三者通過螺釘固定，第一齒形帶從動輪固定法蘭(35)上焊接有第四旋轉定位塊(34)，第三調整螺釘(31)擰在第三旋轉定位塊(32)上，第三調整螺釘(31)尾端指向第四旋轉定位塊(34)； 第一齒形帶主動輪(28)的旋轉帶動第一齒形帶(30)運動，進而帶動第一齒形帶從動輪(36)旋轉；第一齒形帶從動輪(36)的旋轉，進而帶動小臂梁(39)的旋轉；當第一齒形帶從動輪(36)帶動第四旋轉定位塊(34)旋轉時，第三調整螺釘(31)尾部頂住第四旋轉定位塊(34)旋轉； 所述末端小手(5)包括末端小手驅動部分和末端小手執行部分； 所述末端小手驅動部分包括第三驅動電機(41)、第二齒形帶主動輪(45)、第三軸承(44)、第二齒形帶(46)、第一聯結件(48)、第二聯結件(49)、滑塊(47)和導軌(50)； 第三驅動電機(41)通過螺釘安裝在小臂梁(39)水平方向上，第二齒形帶主動輪(45)安裝在第三驅動電機(41)輸出軸上，第一聯結件(48)、第二聯結件(49)、滑塊(47)和導軌(50)均設置在小臂梁(39)下方，第一聯結件(48)左端聯結在第二齒形帶(46)上，第一聯結件(48)右端和第二聯結件(49)的左端通過螺釘一起固定在滑塊(47)上，導軌(50)位于第二齒形帶(46)右側，滑塊(47)在導軌(50)上可以上下移動，在第二齒形帶(46)與導軌(50)之間還設置有導軌法蘭(51)，導軌(50)通過螺釘固定在導軌法蘭(51)上，導軌法蘭(51)通過螺釘固定在小臂梁(39)下； 第三軸承(44)設置有第二齒形帶從動輪固定法蘭(43)，第三軸承(44)套在第二齒形帶從動輪固定法蘭(43)內部的軸上，第四調整螺釘(42)擰在第二齒形帶從動輪固定法蘭(43)右側凸起上，第四調整螺釘(42)的尾部頂在固定的導軌(50)上； 第三驅動電機(41)輸出軸的旋轉帶動第二齒形帶(46)上下移動，進而帶動第一聯結件(48)、導軌(50)上的滑塊(47)以及第二聯結件(49)上下移動； 所述末端小手執行部分包括聯結螺釘(52)、第一彈簧(53)、第三聯結件(54)、第二彈簧(55)、聯結套(56)、第四聯結件(57)、旋轉軸(58)、抓取片(59)和乳膠管(60)； 第三聯結件(54)位于導軌(50)右側，且第三聯結件(54)與第二聯結件(49)右端通過螺釘固定連接，第三聯結件(54)跟隨第二聯結件(49)上下移動； 第一彈簧(53)位于第二聯結件(49)與聯結套(56)之間； 第三聯結件(54)下端設置有聯結套(56)，聯結套(56)內設置有第四聯結件(57)，聯結螺釘(52)穿過第二彈簧(55)，兩者共同聯結第三聯結件(54)和第四聯結件(57)； 抓取片(59)和旋轉軸(58)配合使用，共有3組，每組包含2個抓取片(59)和2個旋轉軸(58)，成對的2個抓取片(59)分別位于第四聯結件(57)兩側，旋轉軸(58)穿過抓取片(59)上端小孔，旋轉軸(58)固定在聯結套(56)上；乳膠管(60)套在聯結套(56)上，卡在抓取片(59)凹槽位置； 下棋機器人還設有控制系統，包括棋盤數據采集系統、決策系統和驅動器；棋盤數據采集系統用于檢測棋盤上棋子的位置變動和計算走動棋子的坐標信息，且輸出端將走動棋子 的坐標信息發送至決策系統輸入端；決策系統用于根據棋盤數據采集系統發送的走動棋子坐標信息，計算第一、第二和第三驅動電機旋轉的脈沖數，決策系統輸出端將脈沖數輸出至驅動器的輸入端，驅動器用于根據決策系統計算出的脈沖數驅動第一、第二和第三驅動電機運動。
2.根據權利要求I所述的下棋機器人，其特征在于所述大臂梁固定板(13) —側設置有第一旋轉定位塊(14)，且第一旋轉定位塊(14)與大臂梁固定板(13)固定連接，套筒(12)上方與第一選擇定位塊(14)同側設置有第二旋轉定位塊(15)，且與套筒(12)固定連接，第ー調整螺釘(16)通過螺紋擰在第一旋轉定位塊(14)上，第一調整螺釘(16)的頭部頂在第ニ旋轉定位塊(15)上。
3.根據權利要求I所述的下棋機器人，其特征在于所述第一軸承套(19)外還套有第ー張套(20)。
4.根據權利要求I所述的下棋機器人，其特征在于所述第一齒形帶主動輪(28)外還套有第二漲套(29)。
5.根據權利要求I所述的下棋機器人，其特征在于所述棋盤數據采集系統包括單片機、鍵盤接ロ芯片和光電傳感器； 所述光電傳感器為90個，分別安裝于棋盤上所有的90個點位下面。
6.采用權利要求I所述的下棋機器人的控制方法，其特征在于包括如下步驟 步驟I :每一次開始下棋前，先將棋盤上的棋子按象棋開局擺法布置好，上電后，光電傳感器記錄當前每個位置，記住每個位置對應的棋子的名字，然后大臂和小臂旋轉復位到初始位置，小臂躲在大臂下方； 步驟2:開始下棋后，光電傳感器實時檢測棋盤上各棋子位置的變化，鍵盤接ロ芯片產生中斷信號； 步驟3 :單片機接收中斷信號后，讀取當前棋盤上棋子位置信息，與上一次信息比對，得出走動棋子的坐標，通過串ロ將走動棋子的坐標信息發送到決策系統； 步驟4 :決策系統根據接收到的坐標信息計算走棋方案，即走棋坐標； 步驟5:根據算出的走棋坐標，算出大臂和小臂的轉動角度，即第一驅動電機和第二驅動電機旋轉的脈沖數，通過CAN總線控制第一驅動電機和第二驅動電機走到相應脈沖，即大臂和小臂運動到相應點位，控制第三驅動電機帶動末端小手的先下降，再升起，將棋子放到決策位置； 當下棋機器人要吃掉對方的棋子時，下棋機器人先拿走要吃掉的棋子，然后走到初始位置釋放掉被吃的棋子，再將下棋決策的棋子拿起，放到相應的位置； 步驟6 :每ー步棋下完后，大臂和小臂都回到初始位置，等待著下一步的進行。
全文摘要
一種下棋機器人，包括棋盤、棋子、軀干、大臂、小臂和末端小手；軀干包括套筒和大臂梁固定板；大臂包括大臂梁和第一驅動電機；小臂包括小臂驅動部分和小臂執行部分；末端小手包括末端小手驅動部分和末端小手執行部分；還設有控制系統；該下棋機器人的控制方法，每次開始下棋前，記錄當前棋盤每個位置棋子名字，大臂和小臂復位到初始位置；開始下棋后，檢測棋盤各棋子位置變化，得出走動棋子的坐標；計算下棋決策；算出的走棋坐標，算出大臂和小臂轉動角度，控制電機走到相應脈沖，電機帶動末端小手將棋子放到決策位置；每步棋下完后，大臂和小臂回到初始位置。機器人抓取或者釋放棋子原動力來自升降動力，實現機械自動抓取，結構簡單，方便實用。
文檔編號B25J13/00GK102698429SQ201210176029
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月31日 優先權日2012年5月31日
發明者叢德宏, 劉克旭, 孫雙福, 常皓, 張志陽, 徐成祿, 李龍 申請人:東北大學