CN105082144A - 下棋机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属机器人技术领域，具体为下棋机器人。下棋机器人包括棋子、棋盘、螺旋数据采集器、机械手、PLC控制器，其中，螺旋数据采集器包括编码器、螺旋升降机、为螺旋升降机和编码器提供动力的步进电机、触头筒、锁存器、外部电路板；机械手采用二轴关节型机械手，包括底座、大臂及大臂步进电机、小臂及小臂步进电机、可编程控制器及步进电机驱动器。本发明棋子和棋盘摸得着看得见，人用手拿起棋子、水平移动棋子、放下棋子，即走一步棋，随后机器人用机械手拿起棋子、水平移动棋子、放下棋子，接着走一步棋，从布局、中局、到残局，最终，人与下棋机器人决出胜负或平局。

Description

下棋机器人

技术领域

本发明属于机器人领域，尤其涉及可根据棋盘布局，分析判断走法，使用机械手移动看得见摸得着的实体棋子，与人对弈的机器人，具体为一种下棋机器人。

背景技术

中国象棋起源于战国时代，由棋盘和棋子组成，棋子红方和黑方各16个子，棋盘九纵十横90个交点，棋盘上设“九宫”与“河界”，7个兵种中，将、仕不可出“九宫”，兵只可前行，炮必须隔棋才可吃子，马走日，象走田，行走多变，规则繁多，两人轮流走子，以“将死”或“困毙”对方将（帅）为胜。可以两人当面对弈，还可以通过互联网两人用鼠标在电脑显示屏上移动棋子远地对弈，也可以一人用鼠标在电脑显示屏上移动棋子与电脑对弈，它不仅能丰富文化生活，陶冶情操，更有助于开发智力，启迪思维，锻炼辨证分析能力和培养顽强的意志，但人机对弈用鼠标移动棋子略显不足，没有真枪实弹、拿棋、运棋、放棋的物理空间动态。

发明内容

本发明为了解决中国象棋人机对弈时存在的只能在电脑显示屏上移动棋子的问题，提供了可与人下棋的下棋机器人。

本发明是采用如下的技术方案实现的：下棋机器人，包括棋子、棋盘、螺旋数据采集器、机械手和其内存储有棋谱的PLC控制器，

每个棋子底面上开有定位盲孔，顶面上设有一层铁板，每个棋子底面上还设有33个动触点，该33个动触点中包括1个主动触点和32个辅动触点，主动触点和32个辅动触点中的一个触点用导线连接，连接的主动触点和辅动触点作为棋子的识别触点对代表一个棋子，主动触点和不同的辅动触点用导线连接，代表不同的棋子，形成32种线路连接，代表32个棋子；

棋盘上从1号交点到90号交点每个交点上都设有一个定位销，定位销周围分布有33个定触点，该33个定触点能和棋子上的33个动触点配合，33个定触点中包括1个主定触点和32个辅定触点，主定触点和每个辅定触点都组成一个定触点对，总共组成32个定触点对来对应32个棋子的识别触点对，整个棋盘90个交点位置，每个交点处有32个定触点对，因此，整个棋盘形成2880个定触点对；

螺旋数据采集器包括螺旋升降机、步进电机、锁存器、编码器、外部电路和触头筒，触头筒内壁上从下到上螺旋分布有2880对触头对，2880对触头对对应32个棋子在棋盘上出现的90个交点位置，触头筒内设置有编码器、螺旋升降机和用于控制螺旋升降机的步进电机，螺旋升降机的摇臂的端部和触头对接触（摇臂的端部有导电层），步进电机的输出轴上连接有编码器，编码器的输出端和锁存器连接，外部电路包括蓄电池，蓄电池的正极和锁存器锁存使能端LE连接，蓄电池正极和电阻R的一端连接，正极还通过继电器J的常闭触点J2和锁存器的输出使能端OE连接，电阻R的另一端通过继电器J的常开触点J1和锁存器的输出使能端OE连接，电阻R的另一端和1号交点处的主定触点连接，1号交点处的32个辅定触点中的一个触点和触头筒上的一个触头对中的一个触头连接，该触头对中的另一个触头通过继电器J的线圈和蓄电池的负极连接，1号交点处的32个辅定触点中的另一个触点和触头筒上的另一个触头对中的一个触头连接，该触头对中的另一个触头通过继电器J的线圈和蓄电池的负极连接，依次类推，1号交点处的其余辅定触点完成电路连接，

电阻R的另一端还和和2号交点处的主定触点连接，2号交点处的32个辅定触点中的一个触点和触头筒上的一个触头对中的一个触头连接，该触头对中的另一个触头通过继电器J的线圈和蓄电池的负极连接，2号交点处的32个辅定触点中的另一个触点和触头筒上的另一个触头对中的一个触头连接，该触头对中的另一个触头通过继电器J的线圈和蓄电池的负极连接，依次类推，2号交点处的其余辅定触点完成电路连接，同样的其余交点处的定触点完成电路连接，即棋盘电路上的2880个定触点对和对应的2880个触头筒触点对串接；

机械手包括支座，支座上固定有大臂步进电机，大臂步进电机的输出轴上固定有机械手大臂，机械手大臂的端部固定有小臂步进电机，小臂步进电机的输出轴上固定有机械手小臂，机械手小臂的端部通过竖直杆固定有电磁铁，机械手小臂的端部还设有定向管，定向管内活动连接有竖直的滑杆，滑杆的底端固定有活动电磁铁；

PLC控制器的输入端和锁存器的输出端连接，PLC控制器的输出端和大臂步进电机、小臂步进电机、电磁铁、活动电磁铁和步进电机连接，PLC控制器内还存储有棋盘上各个交点大小臂转角统计表。

本发明是这样实现的，棋子放到棋盘上的一个交点上，棋子的识别触头对和棋盘上的这个交点的与该棋子对应的定触头对接触，即将该交点处的电路接通，棋子离开棋盘上的一个交点时，棋子将棋盘上的这个交点处的电路断开，交点处的电路接通或断开的信号传到外部电路，由PLC控制器控制的步进电机正反转时，螺旋升降机和编码器同步旋转，螺旋升降机摇臂沿螺旋轨迹依次接通和断开触头筒上的触头对，编码器生成一系列码值，触头筒上的触头对接通和断开的信号同时也传到外部电路，触头筒上的触头对接通时外部电路的电信号输入锁存器的输出使能端OE，使编码器发出的格雷码有选择地进入锁存器，这样进入锁存器的码值就表示了棋子在棋盘上的信号。PLC控制器将扫描到的一系列格雷码值，异或逻辑运算转换成能运算的二进制码值，每个二进制码值对应一个PLC控制器内部的保持型辅助继电器，通过逻辑运算，得到若干个保持型辅助继电器的并运算的逻辑值，这个逻辑值即为适时棋局状态。将运算结果与程序中预先设定的棋谱进行判断比较，选择一种合规的最优的走法即走哪个棋，从什么地方走到哪里，驱动预先编制的程序中设定的机械手对应动作，可编程控制器发出脉冲指令，控制机械手大臂步进电机和机械手小臂步进电机各按一定旋转方向旋转一定角度（该旋转方向和旋转角度可根据交点大小臂转角统计表确定，机械手在每次完成移动后回到初始位置，等待下一次移动），完成水平方向棋子的搬运，PLC控制器的定时器和输出继电器控制机械手电磁铁和活动电磁铁，完成垂直方向拿起放下棋子的搬运。

触头筒上的2880对触头对对应32个棋子在棋盘上出现的90个交点位置，且每个触头对和棋盘上的对应交点处的对应定触点对连接在外部电路中，当一个棋子摆放到棋盘上的一个交点位置时，首先棋子的识别触点对和这个交点的与该棋子对应的定触点对接触，即将该交点处的电路接通，仅当螺旋升降机摇臂沿螺旋轨迹旋转到该棋子在该交点位置对应的触头对时，锁存器的输出使能端OE为低电平，编码器发出的与该棋子在该交点对应的格雷码有进入锁存器，这样进入锁存器的码值就表示了棋子在棋盘上的信号，其余棋子在棋盘上的位置信号用同样的方法进入锁存器，进而被PLC控制器读出当时的棋盘状体。

本发明实现了人用手拿起棋子、水平移动棋子、放下棋子，即走一步棋，随后机器人用机械手拿起棋子、水平移动棋子、放下棋子，接着走一步棋，从布局、中局、到残局，最终，人与下棋机器人决出胜负或平局，解决了中国象棋人机对弈时存在的只能在电脑显示屏上移动棋子的问题。

附图说明

图1为棋子的结构示意图；

图2为棋盘上一交点处的结构示意图；

图3为螺旋数据采集器触头筒示意图；

图4为螺旋数据采集器外部电路原理图；

图5为螺旋数据采集器编码器和螺旋升降机安装位置示意图；

图6为机械手示意图；

图7为下棋机器人原理框图；

图8为棋盘交点与机械手大小臂转角示意图；

图9为棋盘的示意图。

图中：1-棋子，2-定位盲孔，3-动触点，4-定位销，5-触头筒，6-触头对，7-编码器，8-螺旋升降机，9-步进电机，10-摇臂，11-支座，12-大臂步进电机，13-机械手大臂，14-小臂步进电机，15-机械手小臂，16-电磁铁，17-定向管，18-滑杆，19-活动电磁铁，20-定触点。

具体实施方式

下棋机器人，包括棋子1、棋盘、螺旋数据采集器、机械手和其内存储有棋谱的PLC控制器，

每个棋子1底面上开有定位盲孔2，顶面上设有一层铁板，每个棋子底面上还设有33个动触点3，该33个动触点3中包括1个主动触点和32个辅动触点，主动触点和32个辅动触点中的一个触点用导线连接，连接的主动触点和辅动触点作为棋子的识别触点对代表一个棋子，主动触点和不同的辅动触点用导线连接，代表不同的棋子，形成32种线路连接，代表32个棋子；

棋盘上从1号交点到90号交点每个交点上都设有一个定位销4，定位销周围分布有33个定触点20，该33个定触点能和棋子上的33个动触点配合，33个定触点中包括1个主定触点和32个辅定触点，主定触点和每个辅定触点都组成一个定触点对，总共组成32个定触点对来对应32个棋子的识别触点对，整个棋盘90个交点位置，每个交点处有32个定触点对，因此，整个棋盘形成2880个定触点对；

螺旋数据采集器包括触头筒5、外部电路和锁存器，触头筒内壁上从下到上螺旋分布有2880对触头对6，2880对触头对6对应32个棋子在棋盘上出现的90个交点位置，触头筒5内还设置有编码器7、螺旋升降机8和用于控制螺旋升降机的步进电机9，螺旋升降机8的摇臂10的端部和触头对接触，步进电机9的输出轴上连接有编码器7，编码器7的输出端和锁存器连接，外部电路包括蓄电池，蓄电池的正极和锁存器锁存使能端LE连接，蓄电池正极和电阻R的一端连接，正极还通过继电器J的常闭触点J2和锁存器的输出使能端OE连接，电阻R的另一端通过继电器J的常开触点J1和锁存器的输出使能端OE连接，电阻R的另一端和1号交点处的主定触点连接，1号交点处的32个辅定触点中的一个触点和触头筒上的一个触头对中的一个触头连接，该触头对中的另一个触头通过继电器J的线圈和蓄电池的负极连接，1号交点处的32个辅定触点中的另一个触点和触头筒上的另一个触头对中的一个触头连接，该触头对中的另一个触头通过继电器J的线圈和蓄电池的负极连接，依次类推，1号交点处的其余辅定触点完成电路连接，

电阻R的另一端还和和2号交点处的主定触点连接，2号交点处的32个辅定触点中的一个触点和触头筒上的一个触头对中的一个触头连接，该触头对中的另一个触头通过继电器J的线圈和蓄电池的负极连接，2号交点处的32个辅定触点中的另一个触点和触头筒上的另一个触头对中的一个触头连接，该触头对中的另一个触头通过继电器J的线圈和蓄电池的负极连接，依次类推，2号交点处的其余辅定触点完成电路连接，同样的其余交点处的定触点完成电路连接，即棋盘电路上的2880个定触点对和对应的2880个触头筒触点对串接；

机械手包括支座11，支座11上固定有大臂步进电机12，大臂步进电机12的输出轴上固定有机械手大臂13，机械手大臂13的端部固定有小臂步进电机14，小臂步进电机14的输出轴上固定有机械手小臂15，机械手小臂15的端部通过竖直杆固定有电磁铁16，机械手小臂的端部还设有定向管17，定向管内活动连接有竖直的滑杆18，滑杆18的底端固定有活动电磁铁19；

PLC控制器的输入端和锁存器的输出端连接，PLC控制器的输出端和大臂步进电机、小臂步进电机、电磁铁、活动电磁铁和步进电机连接，PLC控制器内还存储有棋盘上各个交点大小臂转角统计表。

具体实施时，棋子主体为木质结构，棋子顶部设有一层铁板，棋子底面上的定位盲孔形状为三角形，三角形状的定位盲孔可使得棋子识别触点对与棋盘交点处的定触点对对应，避免棋子由于摆放的问题而出现不对应的情况，使得棋局混乱，每个棋子底面上还设有33个动触点，动触点为铜触点，红方和黑方各16个棋子共计32个棋子，外形一样但每个棋子对应一个识别触点对，棋子落到哪个交点上，则哪个交点的电路接通，发出这个棋子来到这个位置的信息，棋子离开哪个交点上，则哪个交点的电路断开，发出这个棋子离开这个位置的信息。

棋盘主体为木质结构，棋盘格由9条竖线和10条横线相交而成，每个交点处分布有定位销，定位销也为对应的三角形状，定位销周围分布有33个定触点，定触点为铜触点，各个交点处的定触点用导线和外部电路连接，棋盘上的交点号布置如图9所示。

触头筒为塑料板材围成的圆筒，沿筒内壁螺旋分布2880对常开触头对，由触头筒步进电机控制的螺旋升降机摇臂旋转并升降，反复接通和断开触头对，与棋盘电路一起向锁存器提供使能信号。

螺旋数据采集器外部电路将触头筒上触头对的通断信息与棋盘电路通断信息经并运算后，向锁存器提供使能信号。

编码器安装于触头筒步进电机的另一轴头，向锁存器输入格雷码。

锁存器将编码器和其它外部电路送来的信号送进PLC控制器。

PLC控制器将锁存器送来的格雷码转换为二进制码，通过逻辑运算，对应的辅助继电器动作，得到一系列辅助继电器的开关状态，即得到适时棋局状态，将运算结果与程序中预先设定的棋谱进行判断比较，选择一种合规的最优的走法，即走哪个棋，从什么地方走到哪里，PLC控制器根据棋盘上各个交点大小臂转角统计表，PLC控制器发出脉冲指令和输出继电器接通断开指令。

机械手采用2轴关节型，包括底座、大臂及大臂步进电机、小臂及小臂步进电机。机械手步进电机接到可编程控制器发出脉冲指令和输出继电器接通断开指令后，控制机械手的步进电机正反转，大小摇臂水平转动，活动电磁铁和固定电磁铁在垂直方向上移动并吸合、放开棋子，完成拿起、移动、放下棋子的动作。机械手每次移动完棋子后回到原位，等待下一次的移动。

下表为棋盘上各个交点大小臂转角统计表

点号

大臂转角

小臂转角

点号

大臂转角

小臂转角

点号

大臂转角

小臂转角

1

84°38′

32°41′

31

72°33′

37°56′

61

65°16′

32°41′

2

77°18′

50°1′

32

65°19′

53°51′

62

56°47′

50°1′

3

72°8′

62°56′

33

59°44′

66°16′

63

50°19′

62°56′

4

68°3′

73°47′

34

55°3′

76°54′

64

44°47′

73°47′

5

64°41′

83°24′

35

50°55′

86°25′

65

39°45′

83°24′

6

61°55′

92°9′

36

47°14′

95°10′

66

35°4′

92°9′

7

59°40′

100°16′

37

43°53′

103°21′

67

30°36′

100°16′

8

57°55′

107°55′

38

40°51′

111°6′

68

26°14′

107°55′

9

56°44′

115°9′

39

38°7′

118°31′

69

21°56′

115°9′

10

56°10′

122°4′

40

35°41′

125°41′

70

17°35′

122°4′

11

80°5′

35°40′

41

69°34′

37°21′

71

64°15′

28°3′

12

72°57′

52°10′

42

62°3′

53°26′

72

54°54′

46°54′

13

67°43′

64°48′

43

56°14′

65°54′

73

48°1′

60°17′

14

63°28′

75°31′

44

51°16′

76°33′

74

42°8′

71°20′

15

59°56′

85°1′

45

46°51′

86°5′

75

36°49′

81°2′

16

56°54′

93°45′

46

42°49′

94°50′

76

31°50′

89°49′

17

54°20′

101°54′

47

39°5′

103°0′

77

27°2′

97°54′

18

52°14′

109°36′

48

35°35′

110°45′

78

22°19′

105°28′

19

50°36′

116°57′

49

32°17′

118°9′

79

17°36′

112°36′

20

49°31′

124°0′

50

29°10′

125°16′

80

12°48′

119°20′

21

76°4′

37°21′

51

67°6′

35°40′

81

64°32′

20°46′

22

68°57′

53°26′

52

59°11′

52°10′

82

53°37′

42°37′

23

63°35′

65°54′

53

53°5′

64°48′

83

46°12′

56°45′

24

59°7′

76°33′

54

47°50′

75°31′

84

39°58′

68°8′

25

55°17′

86°5′

55

43°7′

85°5′

85

34°21′

77°59′

26

51°55′

94°50′

56

38°45′

93°49′

86

29°4′

86°48′

27

48°58′

103°0′

57

34°38′

101°59′

87

23°59′

94°53′

28

46°23′

110°45′

58

30°41′

109°40′

88

18°58′

102°22′

29

44°13′

118°9′

59

26°51′

117°1′

89

13°56′

109°22′

30

84°67′

42°28′

60

23°5′

124°3′

90

8°47′

115°57′

Claims (1)

1.下棋机器人，其特征在于包括棋子（1）、棋盘、螺旋数据采集器、机械手和其内存储有棋谱的PLC控制器，

每个棋子（1）底面上开有定位盲孔（2），顶面上设有一层铁板，每个棋子底面上还设有33个动触点（3），该33个动触点（3）中包括1个主动触点和32个辅动触点，主动触点和32个辅动触点中的一个触点用导线连接，连接的主动触点和辅动触点作为棋子的识别触点对代表一个棋子，主动触点和不同的辅动触点用导线连接，代表不同的棋子，形成32种线路连接，代表32个棋子；

棋盘上从1号交点到90号交点每个交点上都设有一个定位销（4），定位销周围分布有33个定触点（20），该33个定触点能和棋子上的33个动触点配合，33个定触点中包括1个主定触点和32个辅定触点，主定触点和每个辅定触点都组成一个定触点对，总共组成32个定触点对来对应32个棋子的识别触点对，整个棋盘90个交点位置，每个交点处有32个定触点对，整个棋盘形成2880个定触点对；

螺旋数据采集器包括触头筒（5）、外部电路和锁存器，触头筒内壁上从下到上螺旋分布有2880对触头对（6），2880对触头对（6）对应32个棋子在棋盘上出现的90个交点位置，触头筒（5）内还设置有编码器（7）、螺旋升降机（8）和用于控制螺旋升降机的步进电机（9），螺旋升降机（8）的摇臂（10）的端部和触头对接触，步进电机（9）的输出轴上连接有编码器（7），编码器（7）的输出端和锁存器连接，外部电路包括蓄电池，蓄电池的正极和锁存器锁存使能端LE连接，蓄电池正极和电阻R的一端连接，正极还通过继电器J的常闭触点J2和锁存器的输出使能端OE连接，电阻R的另一端通过继电器J的常开触点J1和锁存器的输出使能端OE连接，电阻R的另一端和1号交点处的主定触点连接，1号交点处的32个辅定触点中的一个触点和触头筒上的一个触头对中的一个触头连接，该触头对中的另一个触头通过继电器J的线圈和蓄电池的负极连接，1号交点处的32个辅定触点中的另一个触点和触头筒上的另一个触头对中的一个触头连接，该触头对中的另一个触头通过继电器J的线圈和蓄电池的负极连接，依次类推，1号交点处的其余辅定触点完成电路连接，电阻R的另一端还和和2号交点处的主定触点连接，2号交点处的32个辅定触点中的一个触点和触头筒上的一个触头对中的一个触头连接，该触头对中的另一个触头通过继电器J的线圈和蓄电池的负极连接，2号交点处的32个辅定触点中的另一个触点和触头筒上的另一个触头对中的一个触头连接，该触头对中的另一个触头通过继电器J的线圈和蓄电池的负极连接，依次类推，2号交点处的其余辅定触点完成电路连接，同样的其余交点处的定触点完成电路连接，即棋盘电路上的2880个定触点对和对应的2880个触头筒触头对串接；

机械手包括支座（11），支座（11）上固定有大臂步进电机（12），大臂步进电机（12）的输出轴上固定有机械手大臂（13），机械手大臂（13）的端部固定有小臂步进电机（14），小臂步进电机（14）的输出轴上固定有机械手小臂（15），机械手小臂（15）的端部通过竖直杆固定有电磁铁（16），机械手小臂的端部还设有定向管（17），定向管内活动连接有竖直的滑杆（18），滑杆（18）的底端固定有活动电磁铁（19）；

PLC控制器的输入端和锁存器的输出端连接，PLC控制器的输出端和大臂步进电机、小臂步进电机、电磁铁、活动电磁铁和步进电机连接，PLC控制器内还存储有棋盘上各个交点大小臂转角统计表。