CN102698429A - 一种下棋机器人 - Google Patents

Abstract

一种下棋机器人，包括棋盘、棋子、躯干、大臂、小臂和末端小手；躯干包括套筒和大臂梁固定板；大臂包括大臂梁和第一驱动电机；小臂包括小臂驱动部分和小臂执行部分；末端小手包括末端小手驱动部分和末端小手执行部分；还设有控制系统；该下棋机器人的控制方法，每次开始下棋前，记录当前棋盘每个位置棋子名字，大臂和小臂复位到初始位置；开始下棋后，检测棋盘各棋子位置变化，得出走动棋子的坐标；计算下棋决策；算出的走棋坐标，算出大臂和小臂转动角度，控制电机走到相应脉冲，电机带动末端小手将棋子放到决策位置；每步棋下完后，大臂和小臂回到初始位置。机器人抓取或者释放棋子原动力来自升降动力，实现机械自动抓取，结构简单，方便实用。

Description

一种下棋机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种下棋机器人。

背景技术

现有技术中，已经研发出一些下棋机器人。

其中，有类人形的下棋机器人，整体看上去跟人很像，整体结构极其复杂，其抓取棋子的手类似人的手，通过五根手指控制对棋子的抓取和释放；有一些下棋机器人，它的机械臂跟工业机械手相似，大臂和小臂可以上下摆动，以调整取放棋子的位置；还有一种类型下棋机器人，下棋时，抓取棋子时，需要用气动吸盘。有些下棋机器人抓取棋子时，还需要特殊棋子，通过电磁释放形式，需要特殊材料棋子。

这些现有的下棋机器人，在动力传动上，很多采用齿轮传动，需要良好润滑，另外它们抓取棋子的方式，也各有差异，有的采用仿人手的方式来抓取棋子，有的采用气动吸盘，整个机器人需要配备一个气动压缩机，在下棋机器人使用过程中，不断的充气和放气；还有的采用电磁铁抓取棋子，靠电磁铁的吸力，吸住特制的材料的棋子。在占用空间方面，类人形下棋机器人与普通成年人相似，工业下棋机器人，占用空间要比类人型小一些，但是，此下棋机器人上下摆动的两臂精准控制比较复杂。

发明内容

本发明目的在于提供一种下棋机器人，包括三加一个自由度。三个自由度分别为大臂的水平旋转，小臂的水平旋转，以及末端的升降移动，加一自由度，是末端的升降移动带动着抓取片的转动，进而实现了对棋子的抓取和释放。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种下棋机器人，包括棋盘、棋子、躯干、大臂、小臂和末端小手；

所述棋盘划分90个可放置棋子的位置，即90个点位，按象棋棋盘绘制棋格，棋盘上还有Φ30圆孔，Φ30圆孔用于穿过第一驱动电机线；

所述躯干包括套筒和大臂梁固定板；

所述套筒设置在棋盘上方，套筒底部套有躯干固定法兰，套筒与躯干固定法兰焊接固定，躯干固定法兰与棋盘通过四个螺钉固定；套筒上方设置有大臂梁固定板，大臂梁固定板一侧设置有第一旋转定位块，且第一旋转定位块与大臂梁固定板固定连接，套筒上方与第一选择定位块同侧设置有第二旋转定位块，且与套筒固定连接，第一调整螺钉通过螺纹拧在第一旋转定位块上，第一调整螺钉的头部顶在第二旋转定位块上；

所述大臂包括大臂梁和第一驱动电机；

第一驱动电机位于套筒内部，第一驱动电机输出轴外套有第一驱动电机固定法兰，第一驱动电机与第一驱动电机固定法兰通过螺钉固定连接，且第一驱动电机固定法兰固定在套筒内，第一驱动电机固定法兰外套有第一轴承，第一轴承外套有第一轴承套，第一轴承套位于大臂梁固定板下方，且第一轴承套与大臂梁固定板焊接固定，第一轴承套外还套有第一张套，大臂梁固定板与大臂梁焊接固定；

所述小臂包括小臂驱动部分和小臂执行部分；

所述小臂驱动部分包括大臂梁端面固定板、第一齿形带、第一齿形带主动轮、第二驱动电机；

所述第二驱动电机设置在大臂梁下方，且位于躯干左侧，大臂梁端面固定板设置在大臂梁左端，第一齿形带主动轮位于大臂梁上；

第二驱动电机输出轴外套有第二驱动电机固定法兰，第二驱动电机固定法兰与第二驱动电机通过螺钉固定连接，第二驱动电机固定法兰通过螺钉固定在大臂梁下方，第二驱动电机固定法兰左侧设置有第一齿形带张紧块，第一齿形带张紧块与第二驱动电机固定法兰焊接固定，第一齿形带张紧块与大臂梁端面固定板通过第二调整螺钉固定连接，第二驱动电机输出轴外套有第一齿形带主动轮，第一齿形带主动轮外还套有第二涨套，第一齿形带主动轮的旋转带动第一齿形带运动；

所述小臂执行部分位于大臂梁下端，包括小臂梁、旋转法兰和第一齿形带从动轮；

小臂梁上方设置有旋转法兰，小臂梁与旋转法兰通过螺钉固定，旋转法兰上方设置有第一齿形带从动轮；

旋转法兰的下端外侧套有第二轴承，第二轴承外还套有第二轴承套，第二轴承套的上端外侧设置第二轴承套固定法兰，第二轴承套固定法兰左侧焊接有第三旋转定位块，第二轴承套与第二轴承套固定法兰焊接固定，第二轴承套固定法兰与大臂梁通过螺钉固定连接，第二轴承套固定法兰上方设置第一齿形带从动轮，且第一齿形带从动轮套在旋转法兰外部，第一齿形带从动轮上方还设有第一齿形带从动轮固定法兰，旋转法兰、第一齿形带从动轮、第一齿形带从动轮固定法兰三者通过螺钉固定，第一齿形带从动轮固定法兰上焊接有第四旋转定位块，第三调整螺钉拧在第三旋转定位块上，第三调整螺钉尾端指向第四旋转定位块；

第一齿形带主动轮的旋转带动第一齿形带运动，进而带动第一齿形带从动轮旋转；第一齿形带从动轮的旋转，进而带动小臂梁的旋转；当第一齿形带从动轮带动第四旋转定位块旋转一定角度时，第三调整螺钉尾部顶住第四旋转定位块旋转，进而达到旋转定位的作用。

所述末端小手包括末端小手驱动部分和末端小手执行部分；

所述末端小手驱动部分包括第三驱动电机、第二齿形带主动轮、第三轴承、第二齿形带、第一联结件、第二联结件、滑块和导轨； 

第三驱动电机通过螺钉安装在小臂梁水平方向上，第二齿形带主动轮安装在第三驱动电机输出轴上，第一联结件、第二联结件、滑块和导轨均设置在小臂梁下方，第一联结件左端联结在第二齿形带上，第一联结件右端和第二联结件的左端通过螺钉一起固定在滑块上，导轨位于第二齿形带右侧，滑块在导轨上可以上下移动，在第二齿形带与导轨之间还设置有导轨法兰，导轨通过螺钉固定在导轨法兰上，导轨法兰通过螺钉固定在小臂梁下；

第三轴承用作第二齿形带的从动轮，第三轴承设置有第二齿形带从动轮固定法兰，第三轴承套在第二齿形带从动轮固定法兰内部的轴上，第四调整螺钉拧在第二齿形带从动轮固定法兰右侧凸起上，第四调整螺钉的尾部顶在固定的导轨上，调整第四调整螺钉拧进去的长度，可以改变第三轴承与第二齿形带主动轮之间的距离，达到张紧第二齿形带目的。

第三驱动电机输出轴的旋转带动第二齿形带上下移动，进而带动第一联结件、导轨上的滑块以及第二联结件上下移动；

所述末端小手执行部分包括联结螺钉、第一弹簧、第三联结件、第二弹簧、联结套、第四联结件、旋转轴、抓取片和乳胶管；

第三联结件位于导轨右侧，且第三联结件与第二联结件右端通过螺钉固定连接，第三联结件跟随第二联结件上下移动；

第一弹簧位于第二联结件与联结套之间，用于支撑第二联结件与联结套，使两者之间存在弹簧压力；

第三联结件下端设置有联结套，联结套内设置有第四联结件，联结螺钉穿过第二弹簧，两者共同联结第三联结件和第四联结件，第二弹簧的压力小于第一弹簧压力。

抓取片和旋转轴配合使用，共有3组，每组包含2个抓取片和2个旋转轴，成对的2个抓取片分别位于第四联结件两侧，旋转轴穿过抓取片上端小孔，旋转轴固定在联结套上。

乳胶管的作用是拉紧抓取片，乳胶管套在联结套上，卡在抓取片凹槽位置，抓取片受联结套作用，只能闭合一定角度。

在整个抓取棋子过程中，第三联结件上下移动带动第四联结件的上下不同位置，进而改变抓取片的张开与闭合的状态，抓取片的张开与闭合就将决定着棋子的抓取和释放。

本发明下棋机器人还设有控制系统，该控制系统包括棋盘数据采集系统、决策系统和驱动器；

棋盘数据采集系统用于检测棋盘上棋子的位置变动和计算走动棋子的坐标信息，决策系统用于根据棋盘数据采集系统发送的走动棋子坐标信息，计算第一、第二和第三驱动电机旋转的脉冲数，驱动器用于根据决策系统计算出的脉冲数驱动第一、第二和第三驱动电机运动。

所述棋盘数据采集系统包括单片机、键盘接口芯片和光电传感器； 

所述光电传感器为90个，分别安装于棋盘上所有的90个点位下面，形成一个类似于矩阵键盘的9×10点阵，即传感器矩阵。

所述键盘接口芯片为2片，半个棋盘用一片键盘接口芯片采集数据，半个棋盘是9×5的点阵，先取9行中的8行，即8                                                

5的点阵，连到键盘接口芯片上，再将剩下的第9行的5个点作为8×6矩阵的第6列连到键盘接口芯片上，两片键盘接口芯片均按此方式连接光电传感器，这样便能将所有的传感器都连到键盘接口芯片上。

其中，8

6点阵的8个行端分别与键盘接口芯片回送线引脚相连， 6个列端先连到译码器数据输出引脚上，再通过译码器的选择输出引脚分别与键盘接口芯片的扫描线引脚相连。

键盘接口芯片的片选引脚分别接到单片机的I/O端口，两片键盘接口芯片的片选引脚CS分别接到单片机的I/O端口，键盘接口芯片读写控制引脚与单片机的读写控制引脚连接，键盘接口芯片的缓冲器地址选择线连接单片机的相应端口，键盘接口芯片的时钟输入端与单片机的地址锁存允许信号输出引脚相连，即时钟信号CLK由单片机的ALE提供；单片机与键盘接口芯片采用并行总线通信方式进行通信，键盘接口芯片的双向数据总线引脚与单片机I/O端口连接。键盘接口芯片的中断请求引脚经译码器与非门连接到单片机的两个外部中断输入端。

所述的决策系统主要完成串口通信、走棋决策和基于CAN总线的驱动。

单片机与决策系统采用串口通信，单片机通过串口通信引脚经串口总线与决策系统相连，该串口总线遵照RS-232（9针）接口协议。

决策系统经CAN总线对驱动器进行控制。

第一驱动电机和第二驱动电机为交流伺服电机，第三驱动电机为直流伺服电机；第一驱动电机、第二驱动电机和第三驱动电机通过尾部的正交编码器与驱动器相连，将伺服电机的运转情况反馈到驱动器，从而与驱动器形成闭环控制系统，以实现驱动器对电机的精准控制。

本发明的下棋机器人的控制方法，包括如下步骤：

步骤1：每一次开始下棋前，先将棋盘上的棋子按象棋开局摆法布置好，上电后，光电传感器记录当前每个位置，记住每个位置对应的棋子的名字，然后大臂和小臂旋转复位到初始位置，小臂躲在大臂下方；

步骤2：开始下棋后，光电传感器实时检测棋盘上各棋子位置的变化，键盘接口芯片产生中断信号；

步骤3：单片机接收中断信号后，读取当前棋盘上棋子位置信息，与上一次信息比对，得出走动棋子的坐标，通过串口将走动棋子的坐标信息发送到决策系统；

步骤4：决策系统执行象棋算法，根据接收到的坐标信息计算走棋方案，完成下棋机器人的下棋决策，即走棋坐标；

步骤5：根据下棋决策算出的走棋坐标，算出大臂和小臂的转动角度，即第一驱动电机和第二驱动电机旋转的脉冲数，通过CAN总线控制第一驱动电机和第二驱动电机走到相应脉冲，即大臂和小臂运动到相应点位，控制第三驱动电机带动末端小手的先下降，再升起，将棋子放到决策位置；

当下棋机器人要吃掉对方的棋子时，下棋机器人先拿走要吃掉的棋子，然后走到初始位置释放掉被吃的棋子，再将下棋决策的棋子拿起，放到相应的位置；

步骤6：每一步棋下完后，大臂和小臂都回到初始位置，等待着下一步的进行。

有益效果：

本发明的下棋机器人，非常适用于社区或者其他公众休闲地方，并有以下有益效果：

1、相比于其它下棋机器人，本发明的下棋机器人在末端小手升降的过程中，同时进行棋子抓取或者释放。也是就说，棋子的抓取或者释放，它的原动力来自于升降动力，实现机械自动抓取。与现有技术中的吸盘式抓取机构相比，避免空压机引起的噪音；与电磁铁式抓取机构相比，避免了对棋子的特殊要求；对类人机器人相比，结构更简单，方便实用；

2、对棋子选取无需特殊处理，无需像其它下棋机器人那样，需对材料，磁性形状等进行限制。本发明只需要市场上普通的象棋棋子即可；

3、结构轻巧紧凑简单，操作简单占用空间小。跟工业式机械臂下棋机器人相比，本发明下棋机器人占用空间小。比类人形机器人占用空间小很多，结构也比类人形下棋机器人更加轻巧紧凑简单。作为娱乐休闲下棋机器人，适宜家居，社区公共场合等应用；

4、在联结方式上，电机输出轴与外界齿形带轮采用涨套联结，相比于键联结，安装拆卸时更简单。在传动上，采用齿形带传动，它传动精准，效率高，无需润滑，也无污染和噪声。而齿轮传动，确需润滑，传动有冲击，伴随着噪声。而且，齿轮传动时，齿轮的安装精度要求高。比链条传动更清洁，安静。比皮带传动更精准；

5、安全可靠，清洁耐用，有防止意外装置。在旋转中，本发明下棋机器人有旋转定位装置，通过调整螺钉与旋转定位块的配合，实现旋转定位，防止意外发生，达到安全适用的目的。

6、无噪音，无冲击，无污染。本发明下棋机器人采用电机驱动，与吸盘式下棋机器人相比，减少噪声，此外，没有污染物产生，环保清洁。

附图说明

图1：本发明实施例的下棋机器人整体结构示意图；

图2：本发明实施例的下棋机器人棋盘结构示意图；

图3：本发明实施例的下棋机器人躯干结构示意图；

图4：本发明实施例的下棋机器人躯干结构B部分结构放大示意图；

图5：本发明实施例的下棋机器人大臂结构示意图；

图6：本发明实施例的下棋机器人小臂驱动部分结构示意图；

图7：本发明实施例的下棋机器人小臂执行部分结构示意图；

图8：本发明实施例的下棋机器人末端小手驱动部分结构示意图；

图9：本发明实施例的下棋机器人末端小手执行部分结构示意图；

图10：本发明实施例的下棋机器人棋子抓取和释放的具体状态示意图；

图11：本发明实施例的下棋机器人第三联结件和第四联结件示意图，其中（a）为第三联结件，（b）为第四联结件；

图12：本发明实施例的下棋机器人第三联结件与第四联结件各运动状态齿的平面展开示意图；

图13：本发明实施例的下棋机器人下棋前初始状态示意图；

图14：本发明实施例的下棋机器人控制系统结构示意图；

图15：本发明实施例的下棋机器人的控制方法流程图；

图中，1-棋盘，2-躯干，3-大臂，4-小臂，5-抓取小手，7-棋子，9-Φ30圆孔，10-光电传感器，11-躯干固定法兰，12-套筒，13-大臂梁固定板，14-第一旋转定位块，15-第二旋转定位块，16-第一调整螺钉，17-第一驱动电机，18-第一驱动电机固定法兰，19-第一轴承套，20-第一涨套，21-第一轴承，22-大臂梁，23-第二驱动电机，24-第二驱动电机固定法兰，25-第一齿形带张紧块，26-第二调整螺钉，27-大臂梁端面固定板，28-第一齿形带主动轮，29-第二涨套，30-第一齿形带，31-第三调整螺钉，32-第三旋转定位块，33-第二轴承套固定法兰，34-第四旋转定位块，35-第一齿形带从动轮固定法兰，36-第一齿形带从动轮，37-旋转法兰，38-第二轴承，39-小臂梁，40-第二轴承套，41-第三驱动电机，42-第四调整螺钉，43-第二齿形带从动轮固定法兰，44-第三轴承，45-第二齿形带主动轮，46-第二齿形带，47-滑块，48-第一联结件，49-第二联结件，50-导轨，51-导轨固定法兰，52-联结螺钉，53-第一弹簧，54-第三联结件，55-第二弹簧，56-联结套，57-第四联结件，58-旋转轴，59-抓取片，60-乳胶管，61-挡柱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

本具体实施方式中的下棋机器人，如图1所示，包括棋盘1、棋子7、躯干2、大臂3、小臂4和末端小手5，还包括控制系统。

所述棋盘1如图2所示，划分90个可放置棋子7的位置，即90个点位，按象棋棋盘绘制棋格，棋盘1上还有Φ30圆孔9，Φ30圆孔用于穿过第一驱动电机线；棋子直径为32mm。

所述躯干2如图3所示，包括套筒12和大臂梁固定板13；

所述套筒12设置在棋盘1上方，套筒12底部套有躯干固定法兰11，套筒12与躯干固定法兰11焊接固定，躯干固定法兰11与棋盘1通过四个螺钉固定；套筒12上方设置有大臂梁固定板13，如图4所示，大臂梁固定板13一侧设置有第一旋转定位块14，且第一旋转定位块14与大臂梁固定板13固定连接，套筒12上方与第一选择定位块14同侧设置有第二旋转定位块15，且与套筒12固定连接，第一调整螺钉16通过螺纹拧在第一旋转定位块14上，第一调整螺钉16的头部顶在第二旋转定位块15上；

所述大臂3如图5所示，包括大臂梁22和第一驱动电机17；

第一驱动电机17位于套筒12内部，第一驱动电机17输出轴外套有第一驱动电机固定法兰18，第一驱动电机17与第一驱动电机固定法兰18通过螺钉固定连接，且第一驱动电机固定法兰18固定在套筒12内，第一驱动电机固定法兰18外套有第一轴承21，第一轴承21外套有第一轴承套19，第一轴承套19位于大臂梁固定板13下方，且第一轴承套19与大臂梁固定板13焊接固定，第一轴承套19外还套有第一张套20，大臂梁固定板13与大臂梁22焊接固定；

所述小臂4包括小臂驱动部分和小臂执行部分；

所述小臂驱动部分如图6所示，包括大臂梁端面固定板27、第一齿形带30、第一齿形带主动轮28、第二驱动电机23；

所述第二驱动电机23设置在大臂梁22下方，且位于躯干左侧，大臂梁端面固定板27设置在大臂梁22左端，第一齿形带主动轮38位于大臂梁22上；

第二驱动电机23输出轴外套有第二驱动电机固定法兰24，第二驱动电机固定法兰24与第二驱动电机23通过螺钉固定连接，第二驱动电机固定法兰24通过螺钉固定在大臂梁22下方，第二驱动电机固定法兰24左侧设置有第一齿形带张紧块25，第一齿形带张紧块25与第二驱动电机固定法兰24焊接固定，第一齿形带张紧块25与大臂梁端面固定板27通过第二调整螺钉26固定连接，第二驱动电机23输出轴外套有第一齿形带主动轮28，第一齿形带主动轮28外还套有第二涨套29，第一齿形带主动轮28的旋转带动第一齿形带30运动；

所述小臂执行部分如图7所示，位于大臂梁22下端，包括小臂梁39、旋转法兰37和第一齿形带从动轮36；

小臂梁39上方设置有旋转法兰37，小臂梁39与旋转法兰37通过螺钉固定，旋转法兰37上方设置有第一齿形带从动轮36；

旋转法兰37的下端外侧套有第二轴承38，第二轴承38外还套有第二轴承套40，第二轴承套40的上端外侧设置第二轴承套固定法兰33，第二轴承套固定法兰33左侧焊接有第三旋转定位块32，第二轴承套40与第二轴承套固定法兰33焊接固定，第二轴承套固定法兰33与大臂梁22通过螺钉固定连接，第二轴承套固定法兰33上方设置第一齿形带从动轮36，且第一齿形带从动轮36套在旋转法兰37外部，第一齿形带从动轮36上方还设有第一齿形带从动轮固定法兰35，旋转法兰37、第一齿形带从动轮36、第一齿形带从动轮固定法兰35三者通过螺钉固定，第一齿形带从动轮固定法兰35上焊接有第四旋转定位块34，第三调整螺钉31拧在第三旋转定位块32上，第三调整螺钉31尾端指向第四旋转定位块34；

第一齿形带主动轮28的旋转带动第一齿形带30运动，进而带动第一齿形带从动轮36旋转；第一齿形带从动轮36的旋转，进而带动小臂梁39的旋转；当第一齿形带从动轮36带动第四旋转定位块34旋转一定角度时，第三调整螺钉31尾部顶住第四旋转定位块34旋转，进而达到旋转定位的作用。

所述末端小手5包括末端小手驱动部分和末端小手执行部分；

所述末端小手驱动部分如图8所示，包括第三驱动电机41、第二齿形带主动轮45、第三轴承44、第二齿形带46、第一联结件48、第二联结件49、滑块47和导轨50； 

第三驱动电机41通过螺钉安装在小臂梁39水平方向上，第二齿形带主动轮45安装在第三驱动电机41输出轴上，第一联结件48、第二联结件49、滑块47和导轨50均设置在小臂梁39下方，第一联结件48左端联结在第二齿形带46上，第一联结件48右端和第二联结件49的左端通过螺钉一起固定在滑块47上，导轨50 位于第二齿形带46右侧，滑块47在导轨50上可以上下移动，在第二齿形带46与导轨50之间还设置有导轨法兰51，导轨50通过螺钉固定在导轨法兰51上，导轨法兰51通过螺钉固定在小臂梁39下；

第三轴承44用作第二齿形带的从动轮，第三轴承44设置有第二齿形带从动轮固定法兰43，第三轴承44套在第二齿形带从动轮固定法兰43内部的轴上，第四调整螺钉42拧在第二齿形带从动轮固定法兰43右侧凸起上，第四调整螺钉42的尾部顶在固定的导轨50上，调整第四调整螺钉42拧进去的长度，可以改变第三轴承44与第二齿形带主动轮45之间的距离，达到张紧第二齿形带46目的。

第三驱动电机41输出轴的旋转带动第二齿形带46上下移动，进而带动第一联结件48、导轨50上的滑块47以及第二联结件49上下移动；

所述末端小手执行部分如图9所示，包括联结螺钉52、第一弹簧53、第三联结件54、第二弹簧55、联结套56、第四联结件57、旋转轴58、抓取片59和乳胶管60；

第三联结件54位于导轨50右侧，且第三联结件54与第二联结件49右端通过螺钉固定连接，第三联结件54跟随第二联结件49上下移动；

第一弹簧53位于第二联结件49与联结套56之间，用于支撑第二联结件49与联结套56，使两者之间存在弹簧压力；

第三联结件54下端设置有联结套56，联结套56内设置有第四联结件57，联结螺钉52穿过第二弹簧55，两者共同联结第三联结件54和第四联结件57，第三联结件54和第四联结件57如图11（a）、（b）所示；第二弹簧55的压力小于第一弹簧53压力。

抓取片59和旋转轴58配合使用，共有3组，每组包含2个抓取片59和2个旋转轴58，成对的2个抓取片分别位于第四联结件57两侧，旋转轴58穿过抓取片59上端小孔，旋转轴58通过改性丙烯酸脂胶固定在联结套56上。

乳胶管60的作用是拉紧抓取片59，如图10所示，抓取片A点的位置，取决于第四联结件的位置。乳胶管60套在联结套56上，卡在抓取片59凹槽位置，抓取片59受联结套56作用，只能闭合一定角度。

在整个抓取棋子过程中，第三联结件54上下移动带动第四联结件57的上下不同位置，进而改变抓取片59的张开与闭合的状态，抓取片59的张开与闭合就将决定着棋子的抓取和释放。

如图12所示，第三联结件54与第四联结件57的齿接触表面光滑，摩擦力很小，运动过程中会在第二弹簧55作用下，接触齿面可以相互滑动。由于挡柱61的作用，使得上下两齿滑动受到限制，进而调节了第三联结件54与第四联结件57的相对位置。在联结套56内部均匀分布有三个挡柱，挡住61是联结套56内部的一部分。

所述控制系统包括棋盘数据采集系统、决策系统和驱动器；

控制系统结构如图14所示。

所述棋盘数据采集系统用作棋盘棋子信息的检测，主要负责棋盘上棋子的位置变动信息采集，经数据处理后可算出棋子的移动坐标，通过串口发送到上位机进行决策。

棋盘数据采集系统包括51单片机、键盘接口芯片和光电传感器；

51单片机选用STC89C52RC，STC89C52RC单片机是一款新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，其高速稳定的特点适用于集数据处理与通信于一身的下位机。

键盘接口芯片选用8279芯片，8279是可编程的键盘、显示接口芯片，它既具有按键处理功能，又具有自动显示功能，在单片机系统中应用很广泛。8279内部有键盘FIFO（先进先出堆栈）/传感器，双重功能的8*8=64B RAM，键盘控制部分可控制8*8=64个按键或8*8阵列方式的传感器，而一个完整的中国象棋棋盘共有90个点位，所以8279要通过74138译码器连接到90个点位的键盘上。

所述光电传感器为90个，分别安装于棋盘上所有的90个点位下面，形成了一个类似于矩阵键盘的9×10点阵，即传感器矩阵。

本实施方式选用TCRT5000光电传感器，TCRT5000光电传感器模块是基于TCRT5000红外光电传感器设计的一款红外反射式光电开关。该传感器采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成，输出信号经施密特电路整形，稳定可靠。这款光电传感器体积小并且工作距离在1~8mm之间，便于安装在棋盘上，且适用于棋子的检测。

所述键盘接口芯片为2片，半个棋盘用一片8279来采集数据，共需要两片8279。半个棋盘是9×5的点阵，而 8279上最多只能挂载8行或8列的点阵。所以，先取9行中的8行，即8

5的点阵，连到8279上，再将剩下的第9行的5个点作为8×6矩阵的第6列连到8279上，两片键盘接口芯片均按此方式连接光电传感器，这样便能将所有的传感器都连到8279上。

其中8

6点阵的8个行端分别与8279上回送线RL0~RL7八个引脚相连， 6个列端先连到74138译码器上的Y0~Y5六个引脚上，再通过74138译码器的A、B、C三个引脚分别与8279上的SL0、SL1、SL2相连。这样便完成8279传感器矩阵的搭建。

两片8279的片选引脚CS分别接到51单片机的I/O端口P2.6和P2.7，读写控制引脚RD和WR则分别与51单片机的读写控制引脚/RD和/WR相连，8279的缓冲器地址选择线A0接51单片机A0，时钟信号CLK由单片机的ALE提供。51单片机与8279之间采用并行总线通信方式，8279的双向数据总线引脚DB0~DB7分别接于51单片机的I/O端口P0.0~P0.7。

8279通过光电传感器检测到棋盘上的棋子有变化后，会在其IRQ引脚产生中断信号，8279的IRQ经74ALS00与非门取非后分别连接到单片机的INT0和INT1外部中断输入端，单片机接收到外部中断信号后进入中断读取8279 FIFO RAM中存储的当前棋盘棋子信息，与上一次信息比对后，会生成走动棋子的坐标，从而完成棋盘的数据采集工作。

51单片机通过TXD与RXD串口通信引脚经串口线将坐标发给决策系统进行处理，该串口总线遵照RS-232（9针）接口协议。RS-232是美国电子工业联盟（EIA）制定的串行数据通信的接口标准，原始编号全称是EIA-RS-232（简称RS232）。它被广泛用于计算机串行接口外设连接。

本实施方式决策系统采用主控芯片为TE2440-II的一款ARM9嵌入式工控板，它基于三星公司的ARM9处理器S3C2440A，内部带有全性能的MMU(内存处理单元) ，性能稳定可靠，具有高性能、低功耗、接口丰富和体积小等优良特性。

ARM9处理器主要完成串口通信、走棋决策和基于CAN总线的驱动。

ARM9处理器通过串口收到51单片机发送的坐标信息后，会将该坐标输入象棋算法程序中进行处理，并最终得出机器人相应的走棋策略。

本实施方式中采用的象棋算法是由著名的α-β剪枝算法实现的，α-β剪枝技术的基本思想或算法是，边生成博弈树边计算评估各节点的倒推值，并且根据评估出的倒推值范围，及时停止扩展那些已无必要再扩展的子节点，即相当于剪去了博弈树上的一些分枝，从而节约了机器开销，提高了搜索效率。移植到ARM平台的α-β剪枝算法可以根据给定的着棋坐标算出最优的走棋方法，从而完成机器人下棋的决策。

所述驱动器选用copley公司的ACJ-055-18系列驱动器，这是一款可提供最佳伺服性能的驱动器，用户可根据需要选择灵活的、低价位的包装形式。除了可工作在力矩和速度控制模式下，也可使用脉冲/方向控制的位置模式。最新的DSP 技术的运用为用户提供了超强的带宽控制，可实现先进的换相算法，而且该款驱动器支持CANopen协议可与主控芯片通过CAN总线进行通信。驱动器局域网CAN( Controller Area Network)属于现场总线的范畴，是一种有效支持分布式控制系统的串行通信网络。是由德国博世公司在20世纪80年代专门为汽车行业开发的一种串行通信总线。由于其高性能、高可靠性以及独特的设计而越来越受到人们的重视，被广泛应用于诸多领域。而且能够检测出产生的任何错误。当信号传输距离达到10km时，CAN仍可提供高达50kbit/s的数据传输速率。由于CAN总线具有很高的实时性能和应用范围，从位速率最高可达1Mbps的高速网络到低成本多线路的50Kbps网络都可以任意搭配。因此，CAN己经在汽车业、航空业、工业控制、安全防护等领域中得到了广泛应用。

本实施方式的第一驱动电机和第二驱动电机为交流伺服电机，选用韩国麦克比恩公司的高精度交流伺服电机APM-SA01，用以精确控制大臂和小臂的运动，从而使其精准的走到每一个点位；第三驱动电机为直流伺服电机，选用瑞士马克松公司的maxon re30直流伺服电机，该电机有较大的低速转矩，可以使末端小手牢固的抓取和释放棋子。

各个伺服电机尾部均有自带的光电式正交编码器，正交编码器的Vcc、GND、A、/A、B、/B、I、/I 八个引脚，分别连接到驱动器的Encoder +5 Vdc、Signal Ground、A、/A、B、/B、X、/X引脚。Maxon直流伺服电机两根电源线，“+”连到驱动器Motor U引脚上，另一根连接到Motor V引脚上。另外麦克比恩电机编码器引出的A、/A、B、/B、Z、/Z、U、V、W、+5V、0V、SHIELD引脚分别连接到驱动器的A、/A、B、/B、X、/X、Hall U、Hall V、Hall W、Encoder +5 Vdc、Signal Ground、Frame Ground引脚，电源线U、V、W、GROUND分别连接到驱动器的Motor U 、Motor V、 Motor W、Frame Ground引脚。

正交编码器将伺服电机的运转情况反馈到驱动器，从而与驱动器形成闭环控制系统，以实现驱动器对电机的精准控制。

ARM9处理器经CAN总线对驱动器进行控制，由驱动器引来的两根CAN总线分别接于TE2440-II嵌入式工控板提供的CANH和CANL接口上。ARM9处理器根据决策系统算出的机器人走棋坐标计算出大臂和小臂应该转动的角度，即第一驱动电机和第二驱动电机应转的脉冲数，然后通过CAN总线控制第三驱动电机走到相应脉冲，即末端小手运动到相应点位，即可进行棋子的抓取和释放，从而完成机器人一步走棋动作。

本发明一种实施方式的下棋机器人的控制方法流程如图15所示。

本实施方式以象棋走棋时（包括开局），下棋机器人先走“马二进三”（即右边的马向左上方跳一步）为例，执行本方法，包括如下步骤：

步骤1：开始下棋前，先将棋盘上的棋子按象棋开局摆法布置好，电路上电后，光电传感器记录当前每个位置，记住每个位置对应的棋子的名字，然后大臂和小臂旋转复位到初始位置，小臂躲在大臂下方；

步骤2：开始下棋后，光电传感器实时检测棋盘上各棋子位置的变化，键盘接口芯片产生中断信号；

步骤3：单片机接收中断信号后，读取当前棋盘上棋子位置信息，与上一次信息比对，得出走动棋子的坐标，通过串口将走动棋子的坐标信息发送到ARM9处理器；

步骤4：ARM9处理器执行象棋算法程序，根据接收到的坐标信息计算最优走棋方案，完整下棋机器人的下棋决策，即走棋坐标，本实施例中，决策下棋机器人走棋决策为“马二进三”；

步骤5：此时，会有两种情况：1.“马二进三”处没有棋子，此时为走棋；2. “马二进三”处有棋子，此时为吃子。

走棋时，根据下棋决策算出的走棋坐标，算出大臂和小臂的转动角度，即第一驱动电机和第二驱动电机旋转的脉冲数，第一驱动电机脉冲数为-13022，第二驱动电机脉冲数为5463，通过CAN总线控制第一驱动电机和第二驱动电机走到相应脉冲，即大臂和小臂运动到相应点位，末端小手运动到要走的“马”上方，向下运动抓起“马”后再升起，升起后第一驱动电机会转到-9835脉冲数，同时第二驱动电机转到10712脉冲数，第三驱动电机再控制机械手向下运动放下“马”，然后升起末端小手；

下棋机器人需要吃掉对方棋子时，假设“马二进三”处有敌方一个“炮”，根据象棋算法程序给出的下棋决策算出走棋坐标，第一驱动电机和第二驱动电机先走到“炮”所在坐标的脉冲数，即第一驱动电机转到-9835脉冲数，同时第二驱动电机转到10712脉冲数，此时，末端小手运动到“炮”上方，向下运动抓起“炮”后再升起，然后回到初始位置，末端小手向下运动，将被吃的“炮”放到棋盘外，然后上升回到初始位置，再重复走棋时的步骤，实现“马二进三”；

其中，第一驱动电机、第二驱动电机旋转的脉冲数是相对于初始位置驱动电机脉冲数为0时的脉冲数。当脉冲数为正时，表示俯视时驱动电机逆时针旋转，当脉冲数为负时，表示驱动电机顺时针旋转。

步骤6：一步棋下完后，大臂和小臂都回到初始位置，如图13所示，小臂躲在大臂下方，等待这下一步的进行。

Claims (6)

1.一种下棋机器人，其特征在于：包括棋盘（1）、棋子（7）、躯干（2）、大臂（3）、小臂（4）和末端小手（5）；

所述棋盘（1）划分90个可放置棋子（7）的位置，即90个点位，按象棋棋盘绘制棋格； 

所述躯干（2）包括套筒（12）和大臂梁固定板（13）；

所述套筒（12）设置在棋盘（1）上方，套筒（12）底部套有躯干固定法兰（11），套筒（12）与躯干固定法兰（11）焊接固定，躯干固定法兰（11）与棋盘（1）通过四个螺钉固定；套筒（12）上方设置有大臂梁固定板（13）；

所述大臂（3）包括大臂梁（22）和第一驱动电机（17）；

第一驱动电机（17）位于套筒（12）内部，第一驱动电机（17）输出轴外套有第一驱动电机固定法兰（18），第一驱动电机（17）输出轴与第一驱动电机固定法兰（18）通过螺钉固定连接，且第一驱动电机固定法兰（18）固定在套筒（12）内，第一驱动电机固定法兰（18）外套有第一轴承（21），第一轴承（21）外套有第一轴承套（19），第一轴承套（19）位于大臂梁固定板（13）下方，且第一轴承套（19）与大臂梁固定板（13）焊接固定，大臂梁固定板（13）与大臂梁（22）焊接固定；

所述小臂（4）包括小臂驱动部分和小臂执行部分；

所述小臂驱动部分包括大臂梁端面固定板（27）、第一齿形带（30）、第一齿形带主动轮（28）、第二驱动电机（23）；

所述第二驱动电机（23）设置在大臂梁（22）下方，且位于躯干（2）左侧，大臂梁端面固定板（27）设置在大臂梁（22）左端，第一齿形带主动轮（38）位于大臂梁（22）上；

第二驱动电机（23）输出轴外套有第二驱动电机固定法兰（24），第二驱动电机固定法兰（24）与第二驱动电机（23）通过螺钉固定连接，第二驱动电机固定法兰（24）通过螺钉固定在大臂梁（22）下方，第二驱动电机固定法兰（24）左侧设置有第一齿形带张紧块（25），第一齿形带张紧块（25）与第二驱动电机固定法兰（24）焊接固定，第一齿形带张紧块（25）与大臂梁端面固定板（27）通过第二调整螺钉（26）固定连接，第二驱动电机（23）输出轴外套有第一齿形带主动轮（28），第一齿形带主动轮（28）的旋转带动第一齿形带（30）运动；

所述小臂执行部分位于大臂梁（22）下端，包括小臂梁（39）、旋转法兰（37）和第一齿形带从动轮（36）；

小臂梁（39）上方设置有旋转法兰（37），小臂梁（39）与旋转法兰（37）通过螺钉固定，旋转法兰（37）上方设置有第一齿形带从动轮（36）；

旋转法兰（37）的下端外侧套有第二轴承（38），第二轴承（38）外还套有第二轴承套（40），第二轴承套（40）的上端外侧设置第二轴承套固定法兰（33），第二轴承套固定法兰（33）左侧焊接有第三旋转定位块（32），第二轴承套（40）与第二轴承套固定法兰（33）焊接固定，第二轴承套固定法兰（33）与大臂梁（22）通过螺钉固定连接，第二轴承套固定法兰（33）上方设置第一齿形带从动轮（36），且第一齿形带从动轮（36）套在旋转法兰（37）外部，第一齿形带从动轮（36）上方还设有第一齿形带从动轮固定法兰（35），旋转法兰（37）、第一齿形带从动轮（36）、第一齿形带从动轮固定法兰（35）三者通过螺钉固定，第一齿形带从动轮固定法兰（35）上焊接有第四旋转定位块（34），第三调整螺钉（31）拧在第三旋转定位块（32）上，第三调整螺钉（31）尾端指向第四旋转定位块（34）；

第一齿形带主动轮（28）的旋转带动第一齿形带（30）运动，进而带动第一齿形带从动轮（36）旋转；第一齿形带从动轮（36）的旋转，进而带动小臂梁（39）的旋转；当第一齿形带从动轮（36）带动第四旋转定位块（34）旋转时，第三调整螺钉（31）尾部顶住第四旋转定位块（34）旋转；

所述末端小手（5）包括末端小手驱动部分和末端小手执行部分；

所述末端小手驱动部分包括第三驱动电机（41）、第二齿形带主动轮（45）、第三轴承（44）、第二齿形带（46）、第一联结件（48）、第二联结件（49）、滑块（47）和导轨（50）； 

第三驱动电机（41）通过螺钉安装在小臂梁（39）水平方向上，第二齿形带主动轮（45）安装在第三驱动电机（41）输出轴上，第一联结件（48）、第二联结件（49）、滑块（47）和导轨（50）均设置在小臂梁（39）下方，第一联结件（48）左端联结在第二齿形带（46）上，第一联结件（48）右端和第二联结件（49）的左端通过螺钉一起固定在滑块（47）上，导轨（50）位于第二齿形带（46）右侧，滑块（47）在导轨（50）上可以上下移动，在第二齿形带（46）与导轨（50）之间还设置有导轨法兰（51），导轨（50）通过螺钉固定在导轨法兰（51）上，导轨法兰（51）通过螺钉固定在小臂梁（39）下；

第三轴承（44）设置有第二齿形带从动轮固定法兰（43），第三轴承（44）套在第二齿形带从动轮固定法兰（43）内部的轴上，第四调整螺钉（42）拧在第二齿形带从动轮固定法兰（43）右侧凸起上，第四调整螺钉（42）的尾部顶在固定的导轨（50）上；

第三驱动电机（41）输出轴的旋转带动第二齿形带（46）上下移动，进而带动第一联结件（48）、导轨（50）上的滑块（47）以及第二联结件（49）上下移动；

所述末端小手执行部分包括联结螺钉（52）、第一弹簧（53）、第三联结件（54）、第二弹簧（55）、联结套（56）、第四联结件（57）、旋转轴（58）、抓取片（59）和乳胶管（60）；

第三联结件（54）位于导轨（50）右侧，且第三联结件（54）与第二联结件（49）右端通过螺钉固定连接，第三联结件（54）跟随第二联结件（49）上下移动；

第一弹簧（53）位于第二联结件（49）与联结套（56）之间；

第三联结件（54）下端设置有联结套（56），联结套（56）内设置有第四联结件（57），联结螺钉（52）穿过第二弹簧（55），两者共同联结第三联结件（54）和第四联结件（57）；

抓取片（59）和旋转轴（58）配合使用，共有3组，每组包含2个抓取片（59）和2个旋转轴（58），成对的2个抓取片（59）分别位于第四联结件（57）两侧，旋转轴（58）穿过抓取片（59）上端小孔，旋转轴（58）固定在联结套（56）上；乳胶管（60）套在联结套（56）上，卡在抓取片（59）凹槽位置；

下棋机器人还设有控制系统，包括棋盘数据采集系统、决策系统和驱动器；棋盘数据采集系统用于检测棋盘上棋子的位置变动和计算走动棋子的坐标信息，且输出端将走动棋子的坐标信息发送至决策系统输入端；决策系统用于根据棋盘数据采集系统发送的走动棋子坐标信息，计算第一、第二和第三驱动电机旋转的脉冲数，决策系统输出端将脉冲数输出至驱动器的输入端，驱动器用于根据决策系统计算出的脉冲数驱动第一、第二和第三驱动电机运动。

2.根据权利要求1所述的下棋机器人，其特征在于：所述大臂梁固定板（13）一侧设置有第一旋转定位块（14），且第一旋转定位块（14）与大臂梁固定板（13）固定连接，套筒（12）上方与第一选择定位块（14）同侧设置有第二旋转定位块（15），且与套筒（12）固定连接，第一调整螺钉（16）通过螺纹拧在第一旋转定位块（14）上，第一调整螺钉（16）的头部顶在第二旋转定位块（15）上。

3.根据权利要求1所述的下棋机器人，其特征在于：所述第一轴承套（19）外还套有第一张套（20）。

4.根据权利要求1所述的下棋机器人，其特征在于：所述第一齿形带主动轮（28）外还套有第二涨套（29）。

5. 根据权利要求1所述的下棋机器人，其特征在于：所述棋盘数据采集系统包括单片机、键盘接口芯片和光电传感器； 

所述光电传感器为90个，分别安装于棋盘上所有的90个点位下面。

6.采用权利要求1所述的下棋机器人的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：每一次开始下棋前，先将棋盘上的棋子按象棋开局摆法布置好，上电后，光电传感器记录当前每个位置，记住每个位置对应的棋子的名字，然后大臂和小臂旋转复位到初始位置，小臂躲在大臂下方；

步骤2：开始下棋后，光电传感器实时检测棋盘上各棋子位置的变化，键盘接口芯片产生中断信号；

步骤3：单片机接收中断信号后，读取当前棋盘上棋子位置信息，与上一次信息比对，得出走动棋子的坐标，通过串口将走动棋子的坐标信息发送到决策系统；

步骤4：决策系统根据接收到的坐标信息计算走棋方案，即走棋坐标；

步骤5：根据算出的走棋坐标，算出大臂和小臂的转动角度，即第一驱动电机和第二驱动电机旋转的脉冲数，通过CAN总线控制第一驱动电机和第二驱动电机走到相应脉冲，即大臂和小臂运动到相应点位，控制第三驱动电机带动末端小手的先下降，再升起，将棋子放到决策位置；

当下棋机器人要吃掉对方的棋子时，下棋机器人先拿走要吃掉的棋子，然后走到初始位置释放掉被吃的棋子，再将下棋决策的棋子拿起，放到相应的位置；

步骤6：每一步棋下完后，大臂和小臂都回到初始位置，等待着下一步的进行。

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