三亞學(xué)院理工學(xué)院 汪 源 黃文敏

智能黑白棋機(jī)器人設(shè)計(jì)

三亞學(xué)院理工學(xué)院 汪 源 黃文敏

通過(guò)電子技術(shù)和機(jī)械裝置設(shè)計(jì)智能黑白棋機(jī)器人，機(jī)器人由電子棋盤(pán)模塊、機(jī)械臂控制裝置及計(jì)算機(jī)控制程序三部分組成。電子棋盤(pán)基于霍爾傳感器不受環(huán)境光線影響，能準(zhǔn)確識(shí)別黑棋子和白棋子在棋盤(pán)上的位置及顏色；提供了實(shí)現(xiàn)棋子翻轉(zhuǎn)的解決方案，利用設(shè)計(jì)的機(jī)械臂控制裝置可以提高棋子翻轉(zhuǎn)及擺放的效率；計(jì)算機(jī)控制程序基于LabVIEW環(huán)境編寫(xiě)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)讀取霍爾傳感器信息來(lái)識(shí)別棋局，利用程序設(shè)計(jì)己方的走棋策略，并將走棋策略通過(guò)控制機(jī)械臂進(jìn)行實(shí)施，保證系統(tǒng)整體正常運(yùn)行。機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)自主識(shí)別棋局、智能走棋設(shè)計(jì)和自主棋子翻轉(zhuǎn)和擺放等功能，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制作及維護(hù)的難度低，系統(tǒng)各部分運(yùn)行穩(wěn)定性較高。

人工智能；下棋機(jī)器人；霍爾傳感器；LabVIEW

1.引言

機(jī)器人（Robot）是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置，一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、檢測(cè)裝置和控制系統(tǒng)和復(fù)雜機(jī)械等組成。它既可以接受人類(lèi)指揮，又可以運(yùn)行預(yù)先編排的程序，也可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)。它的任務(wù)是協(xié)助或取代人類(lèi)工作的工作。[1-2]而下棋機(jī)器人是機(jī)器人在棋類(lèi)博弈中一種具體的應(yīng)用，能像人類(lèi)一樣，自主的完成下棋的整個(gè)過(guò)程。在現(xiàn)有技術(shù)中，下棋機(jī)器人通常采用攝像頭來(lái)獲取圖像，完成棋子識(shí)別，使用具有較多關(guān)節(jié)的機(jī)械臂傳動(dòng)來(lái)完成棋子擺放，其不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高而且需要占據(jù)很大的空間。[3-4]

現(xiàn)有大多數(shù)下棋機(jī)器人設(shè)計(jì)復(fù)雜，占用空間大，成本高昂，基于圖像識(shí)別棋子位置，易受環(huán)境光線亮度變化而影響識(shí)別的準(zhǔn)確度，并且以現(xiàn)有的技術(shù)，還沒(méi)有能解決棋子翻轉(zhuǎn)的機(jī)械設(shè)計(jì)方案。本文通過(guò)選用霍爾傳感器來(lái)識(shí)別黑白棋子的位置及棋子顏色，提高了棋子識(shí)別的可靠性；提供了實(shí)現(xiàn)棋子翻轉(zhuǎn)的解決方案，利用設(shè)計(jì)的機(jī)械臂控制裝置可以提高棋子翻轉(zhuǎn)及擺放的效率；計(jì)算機(jī)控制程序基于LabVIEW環(huán)境編寫(xiě)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)讀取霍爾傳感器信息來(lái)識(shí)別棋局，利用程序設(shè)計(jì)己方的走棋策略，并將走棋策略通過(guò)控制機(jī)械臂進(jìn)行實(shí)施，保證系統(tǒng)整體正常運(yùn)行。

2.黑白棋游戲規(guī)則

黑白棋是19世紀(jì)末英國(guó)人發(fā)明的，每顆棋子由黑白兩色組成，一面白，一面黑，共64個(gè)；棋盤(pán)由8*8的正方格組成，共64格，下棋時(shí)棋子要落在格內(nèi)，棋盤(pán)可分為“角”、“邊”以及“中腹”；正式的比賽中使用棋鐘對(duì)選手的時(shí)間進(jìn)行限制。

黑白棋的下棋方法：（1）棋局開(kāi)始時(shí)在棋盤(pán)正中有兩白兩黑四個(gè)棋子交叉放置；（2）黑方先行，雙方交替下棋；（3）一步合法的棋步包括：在一個(gè)空格新落下一個(gè)棋子，并且翻轉(zhuǎn)對(duì)手一個(gè)或多個(gè)棋子；（4）新落下的棋子與棋盤(pán)上已有的同色棋子間，對(duì)方被夾住的所有棋子都要翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，可以是橫著夾，豎著夾，或是斜著夾，夾住的位置上必須全部是對(duì)手的棋子，不能有空格；（5）一步棋可以在數(shù)個(gè)方向上翻棋，任何被夾住的棋子都必須被翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，棋手無(wú)權(quán)選擇不去翻某個(gè)棋子；（6）除非至少翻轉(zhuǎn)了對(duì)手的一個(gè)棋子，否則就不能落子，如果一方?jīng)]有合法棋步，也就是說(shuō)不管下到哪里，都不能至少翻轉(zhuǎn)對(duì)手的一個(gè)棋子，那這一輪只能棄權(quán)，而由對(duì)手繼續(xù)落子直到有合法棋步可下；（7）如果一方至少有一步合法棋步可下，他就必須落子，不得棄權(quán)；（8）棋局持續(xù)下去，直到棋盤(pán)填滿或者雙方都無(wú)合法棋步可下；（9）當(dāng)雙方都沒(méi)有棋子可以下時(shí)棋局結(jié)束，以棋子數(shù)目來(lái)計(jì)算勝負(fù)，棋子多的一方獲勝，在棋盤(pán)還沒(méi)有下滿時(shí)，如果一方的棋子已經(jīng)被對(duì)方吃光，則棋局也結(jié)束，將對(duì)手棋子吃光的一方獲勝。

3.智能黑白棋機(jī)器人設(shè)計(jì)方法

黑白棋的規(guī)則與其他的棋類(lèi)有很大的不同，黑白棋涉及到將對(duì)方棋子翻轉(zhuǎn)為己方棋子的動(dòng)作，因此在機(jī)器人的機(jī)械動(dòng)作方面有非常高的要求。根據(jù)黑白棋的下棋規(guī)則，設(shè)計(jì)智能黑白棋機(jī)器人由電子棋盤(pán)模塊、機(jī)械臂控制裝置及計(jì)算機(jī)控制程序三部分組成。其中電子棋盤(pán)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)棋子位置及顏色的識(shí)別，機(jī)械臂控制裝置實(shí)現(xiàn)棋子的高效率翻轉(zhuǎn)及擺放，計(jì)算機(jī)控制程序進(jìn)行走棋策略的設(shè)計(jì)及控制機(jī)械裝置正常運(yùn)行。

3.1 電子棋盤(pán)模塊

電子棋盤(pán)的設(shè)計(jì)目的是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)棋子位置及顏色的識(shí)別，在黑白棋中，一枚棋子的兩面分別對(duì)應(yīng)兩種顏色，一面是黑色，一面是白色，而棋盤(pán)則是8*8的方格。

具體的實(shí)施方案是：在每個(gè)棋子的內(nèi)部安裝有磁鐵，磁鐵有兩級(jí)，分別為s極和n極，不同磁極對(duì)應(yīng)棋子的不同顏色面。例如令s極對(duì)應(yīng)棋子的白顏色面，那么n及就對(duì)應(yīng)棋子的黑色面，當(dāng)然也可以反過(guò)來(lái)定義。由于棋子中有磁鐵，當(dāng)棋子被移動(dòng)到某個(gè)位置后，該處的磁場(chǎng)就大大增強(qiáng)。在每個(gè)棋盤(pán)的格點(diǎn)處放置一個(gè)具有雙極性的霍爾元件[5]，從而構(gòu)成8*8的霍爾元件陣列，這樣一來(lái)，每個(gè)棋格下面都有一個(gè)的霍爾元件，當(dāng)棋格里有棋子時(shí)，該棋格處磁場(chǎng)會(huì)大大增強(qiáng)，且根據(jù)棋子朝上面的顏色不同，在棋子正下方的霍爾元件檢測(cè)到的磁場(chǎng)的極性不一樣，進(jìn)而霍爾元件會(huì)輸出不同的電壓，通過(guò)檢測(cè)棋盤(pán)上每個(gè)霍爾元件的輸出電壓，就可以確定棋格上有沒(méi)有棋子，若有棋子時(shí)可以根據(jù)輸出電壓的不同來(lái)判斷棋子是黑面朝上還是白面朝上，從而實(shí)現(xiàn)棋子的位置識(shí)別及顏色識(shí)別的任務(wù)。棋盤(pán)的具體電路由驅(qū)動(dòng)電路、霍爾元件陣列、電壓比較電路及信息處理電路四部分組成，如圖1所示。圖1中具體每個(gè)區(qū)域的功能劃分為A區(qū)為增加驅(qū)動(dòng)能力的驅(qū)動(dòng)電路，如圖2所示。B區(qū)為8*8的霍爾元件陣列，功能是根據(jù)棋格里有無(wú)棋子及棋子的顏色輸出不同的電壓，如圖3所示。C區(qū)主要完成電壓的比較功能，對(duì)B區(qū)霍爾元件輸出的電信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)電壓比較，將每個(gè)棋格的三種狀態(tài)（1沒(méi)有棋子，2有棋子且棋子黑面朝上，3有棋子且棋子白面朝上）分別處理成對(duì)應(yīng)的“00，10，01”或“00，01，10”的數(shù)字信號(hào)對(duì)，如圖4所示。D區(qū)為電子棋盤(pán)的信息處理區(qū)，如圖5所示，該區(qū)有一定的計(jì)算能力，能完成對(duì)C區(qū)輸出信號(hào)的接收和進(jìn)一步處理，并通過(guò)串行口，將最后處理的棋盤(pán)信息數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)，方便計(jì)算機(jī)的進(jìn)一步處理。

圖1 棋盤(pán)總電路圖

圖2 A區(qū)部分電路圖

圖3 B區(qū)部分電路圖

圖4 C區(qū)部分電路圖

圖5 D區(qū)電路圖

3.2 機(jī)械臂控制裝置

機(jī)械臂設(shè)計(jì)的目的是為了實(shí)現(xiàn)棋子的落子及翻轉(zhuǎn)，機(jī)械臂的整體效果圖如圖6所示，效果圖由CAD軟件繪制。為了方便描述，對(duì)各個(gè)軸向及關(guān)鍵部件進(jìn)行了標(biāo)注。從整體上看，是一個(gè)三軸運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)，各個(gè)軸向相互垂直，且每個(gè)軸向都由不同的步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制，實(shí)現(xiàn)在軸向上的直線運(yùn)動(dòng)。由于該平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)在xyz三維空間上的運(yùn)動(dòng)，可以很輕松的將棋子投送到想要落子的棋格里。該機(jī)械臂的重點(diǎn)在于能實(shí)現(xiàn)棋子的翻轉(zhuǎn)，即能將棋盤(pán)上的棋子由原來(lái)的一面朝上翻轉(zhuǎn)成另一面朝上，而棋子所在的位置不變。為了實(shí)現(xiàn)此目的，在設(shè)計(jì)中采用了兩個(gè)Z軸，分別為Z1，Z2，Z1、Z2可以分別帶動(dòng)兩個(gè)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)上下直線運(yùn)動(dòng)，為了方便描述，兩舵機(jī)分別命名為D1、D2，如圖6所示。為了實(shí)現(xiàn)棋子的抓取，在D1、D2的支架上有分別放置電磁吸盤(pán)（棋子本身內(nèi)部裝有磁鐵，電磁吸盤(pán)可以吸取帶有磁鐵的棋子）。在對(duì)棋子翻轉(zhuǎn)前，機(jī)械臂所處的狀態(tài)如圖所示，假設(shè)D1正下方就是待翻轉(zhuǎn)的棋子（這個(gè)假設(shè)很容易實(shí)現(xiàn)，只要通過(guò)X軸及Y軸的運(yùn)動(dòng)，就可使D1移動(dòng)到要翻轉(zhuǎn)的棋子上方），實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)過(guò)程的控制步驟為：（1）Z1軸步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)D1向下運(yùn)動(dòng)，使D1支架上的電磁吸盤(pán)貼近待翻轉(zhuǎn)的棋子，并使吸盤(pán)通電吸取棋子；（2）使D2的支架順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度；（3）Z1軸步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)D1向上運(yùn)動(dòng)一定距離，再使D1控制支架逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90度；（4）Z1軸步進(jìn)電機(jī)繼續(xù)帶動(dòng)D1向上運(yùn)動(dòng)，直到使得D1、D2支架上的吸盤(pán)處于同一水平線上，效果圖如圖7所示，此時(shí)棋子就在兩吸盤(pán)中間；（5）D1帶吸盤(pán)斷電的同時(shí)D2所帶吸盤(pán)通電，將棋子從D1的吸盤(pán)交換到了D2的吸盤(pán)上；（6）Z2軸步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)D2向下運(yùn)動(dòng)一定距離，再使D2控制支架逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90度，同時(shí)通過(guò)X軸和Y軸電機(jī)的調(diào)整，使得D2正下發(fā)就是要落子的位置；（7）Z2軸步進(jìn)電機(jī)繼續(xù)帶動(dòng)D2向下運(yùn)動(dòng)，直到D2所帶的吸盤(pán)上的棋子貼近棋盤(pán)，再使該吸盤(pán)斷電，將棋子落到棋盤(pán)上；（8）機(jī)械臂恢復(fù)原來(lái)開(kāi)始的狀態(tài)。至此完成了棋子的落子及翻轉(zhuǎn)的全部過(guò)程。

圖6 機(jī)械臂整體效果圖

圖7 翻轉(zhuǎn)棋子機(jī)構(gòu)細(xì)節(jié)放大圖

3.3 計(jì)算機(jī)控制程序

電腦程序主要通過(guò)對(duì)電子棋盤(pán)傳送的棋盤(pán)信息進(jìn)行接收處理，以此來(lái)獲取棋盤(pán)上棋子的分布信息，進(jìn)而通過(guò)算法，給出計(jì)算機(jī)下一步要行棋的位置，并將此信息傳送到機(jī)器臂的控制裝置，讓機(jī)械臂控制裝置來(lái)控制機(jī)械臂的具體操作來(lái)完成在棋盤(pán)上的行棋過(guò)程。在本次設(shè)計(jì)過(guò)程中，電腦程序的開(kāi)發(fā)選用了LabVIEW圖形化計(jì)算機(jī)語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā)。

4.結(jié)論

通過(guò)電子技術(shù)和機(jī)械裝置設(shè)計(jì)了智能黑白棋機(jī)器人，機(jī)器人由電子棋盤(pán)模塊、機(jī)械臂控制裝置及計(jì)算機(jī)控制程序三部分組成。電子棋盤(pán)基于霍爾傳感器不受環(huán)境光線影響，能準(zhǔn)確識(shí)別黑棋子和白棋子在棋盤(pán)上的位置及顏色；提供了實(shí)現(xiàn)棋子翻轉(zhuǎn)的解決方案，利用設(shè)計(jì)的機(jī)械臂控制裝置可以提高棋子翻轉(zhuǎn)及擺放的效率；計(jì)算機(jī)控制程序基于LabVIEW環(huán)境編寫(xiě)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)讀取霍爾傳感器信息來(lái)識(shí)別棋局，利用程序設(shè)計(jì)己方的走棋策略，并將走棋策略通過(guò)控制機(jī)械臂進(jìn)行實(shí)施，保證系統(tǒng)整體正常運(yùn)行。機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)自主識(shí)別棋局、智能走棋設(shè)計(jì)和自主棋子翻轉(zhuǎn)和擺放等功能，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制作及維護(hù)的難度低，系統(tǒng)各部分運(yùn)行穩(wěn)定性較高。

[1]譚民,王碩．機(jī)器人技術(shù)研究進(jìn)展[J]．自動(dòng)化學(xué)報(bào),2013,39(7)：963-972．

[2]黃永安,熊蔡華,熊有倫．智能機(jī)器人與應(yīng)用的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J]．國(guó)際學(xué)術(shù)動(dòng)態(tài),2009(4)：38-39．

[3]方園,趙姝穎,聞時(shí)光,田祥章,胡彬．人機(jī)博弈技術(shù)展示——下棋機(jī)器人[J]．機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2013(2)：39-42．

[4]張韋唯,張永德．下棋機(jī)器人操作臂及手爪的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)[J]．哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào),2005,10(3)：19-21．

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[6]CAD/CAM/CAE技術(shù)聯(lián)盟．AutoCAD 2014中文版從入門(mén)到精通[M]．北京：清華大學(xué)出版社,2014．

The paper designed intelligent robot through electronic technology and mechanical devices. The robot consists of three parts: the electronic board module, the manipulator control device and the computer control program. The electronic board is based on hall sensor, and not af f ected by ambient light, it can accurately identify the position and color of chess on the board. The paper provides a solution to the flip of the pieces, and the design of the manipulator can improve the efficiency of the turnover and placement of the pieces. The computer control program is based on LabVIEW environment, and the computer reads hall sensor information through data acquisition system to identify chess board. Using the program to design the strategy of the game, the strategy is to control the manipulator to ensure the normal operation of the system. Intelligent robot can realize autonomous recognition, smart moves turn design and independent pieces and put the function, such as the difficulty of system design, manufacture and maintenance of the low, system running stability of the parts is higher.

Artificial intelligence；chess robot；hall sensor；LabVIEW

2016年度國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（No：201613892119）資金資助。

汪源（1984—），男，安徽歙縣人，三亞學(xué)院理工學(xué)院院長(zhǎng)助理，副教授，研究方向：電工電子技術(shù)、虛擬儀器技術(shù)。