□ 沈孟鋒 □ 何劍敏 □ 虞潤堯 □ 周建鋒 □ 余蔚迪

杭州科技職業(yè)技術(shù)學院機電工程學院 杭州 311402

1 研究背景

中國象棋歷史悠久，愛好者眾多，是老年人休閑娛樂的一項重要活動。國內(nèi)研究象棋機器人的項目眾多，如上海交通大學研制了實時環(huán)境下的對弈象棋機器人控制系統(tǒng)，哈爾濱理工大學設計了具有3個自由度的平面關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)象棋機器人［1］，鄭州機械研究所研制了采用視覺傳感器識別的高智能化象棋對弈機器人等［2-4］。以上項目研究的象棋機器人體積大，成本高，在安全性能方面存在問題，不適合普通象棋愛好者使用。再者，象棋只有在對弈者之間真切進行，才更具觀賞性和娛樂性［5］。

筆者研制了一款價格低廉、操作簡單、使用方便、適用范圍廣的自動象棋整理機，旨在實現(xiàn)象棋的識別、整理和擺譜等功能，以提高下棋效率，降低對弈者的勞動強度。

2 整體設計

象棋棋子采用三維打印技術(shù)打印，內(nèi)嵌有無線射頻識別（RFID）電子標簽。棋盤上裝有集棋機構(gòu)，可以將棋子全部集入梯形導槽。棋子通過凹型輪逐一導入至裝有RFID檢測裝置的設定位置，該位置即為三坐標定位機構(gòu)的初始位置。控制系統(tǒng)檢測到棋子并進行身份識別后，通過機械卡爪對棋子進行定位擺放，直至全部棋子按規(guī)則擺放完畢。由推棋機構(gòu)和電動升降機構(gòu)將擺放齊全的棋子推至上棋面，整個流程結(jié)束，等待下一次整理。自動象棋整理機系統(tǒng)框圖如圖1所示，其主要設計特點如下：①結(jié)合機械及電控原理設計一鍵操作，降低了對弈者的勞動強度，適用范圍廣；②采用三維打印技術(shù)實現(xiàn)個性化棋子設計需求，拓展私人定制功能；③基于RFID技術(shù)，采用單片機控制對棋子進行身份識別；④配合精密絲杠導軌，設計三坐標定位機構(gòu)，對已識別的棋子進行擺位，成本低，控制方法簡單；⑤采用閉環(huán)控制，由凹型輪配合梯形導槽對棋子進行篩選分離處理，使識別區(qū)域每次僅有一顆棋子，控制精度高。

▲圖1 自動象棋整理機系統(tǒng)框圖

3 機械結(jié)構(gòu)設計

自動象棋整理機機械結(jié)構(gòu)由集棋機構(gòu)、棋子分離機構(gòu)、RFID機構(gòu)、三坐標定位機構(gòu)、推棋機構(gòu)、電動升降機構(gòu)等組成，并包括型材、控制按鈕、移動滑輪等輔助件。

自動象棋整理機機械結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用立體設計，分成三層，上層為下棋平臺，中層為自動整理平臺，下層為控制裝置。機械部分與控制部分分離，便于控制與維護，同時做到使用安全。下層由供電電源、單片機控制系統(tǒng)等構(gòu)成。中層部分的機械機構(gòu)根據(jù)工作步驟縱向排布，并在操作位置設置開始、急停按鈕。

▲圖2 自動象棋整理機機械結(jié)構(gòu)

3.1 集棋機構(gòu)

集棋機構(gòu)位于棋盤的一側(cè)，由步進電機、聯(lián)軸器、滑塊、滑軌、掃棋器組成。步進電機位于上棋面下側(cè)，通過聯(lián)軸器與掃棋器相連接。掃棋器為一個平面連桿機構(gòu)，由步進電機帶動曲柄旋轉(zhuǎn)，使與搖桿相連的滑塊作水平運動，水平運動的滑塊帶動梯形導槽將棋子推入棋子分離機構(gòu)。

集棋機構(gòu)主要通過步進電機帶動來實現(xiàn)梯形板的水平推移，從而實現(xiàn)將所有散亂棋子全部推入指定位置的功能。

3.2 棋子分離機構(gòu)

棋子分離機構(gòu)位于自動象棋整理機的側(cè)面，由步進電機、棋子滑道、凹型輪、梯形導槽組成，如圖3所示。棋子分離機構(gòu)上半部分是一個梯形導槽，棋子被推入導槽口，因重力下滑，在導槽壁的作用下全部變?yōu)樨Q直排列且不重疊堆放狀態(tài)。梯形導槽下側(cè)出口只允許一個棋子通過，與凹型輪連接。

▲圖3 棋子分離機構(gòu)

棋子分離機構(gòu)下半部分是棋子分離器，當所有棋子堆放完畢后，步進電機開始工作，帶動凹型輪旋轉(zhuǎn)。凹型輪是一個帶有缺口的圓凸輪，每旋轉(zhuǎn)一周，能將一顆棋子帶到滑道口，并通過滑道滑到夾取平臺，從而實現(xiàn)棋子的分離。凹型輪結(jié)構(gòu)如圖4所示。

棋子分離機構(gòu)外表面框面由亞克力板搭建而成，美觀輕便，強度高，便于拆卸更換。

▲圖4 凹型輪結(jié)構(gòu)

3.3 RFID機構(gòu)

RFID機構(gòu)由RC522讀卡器芯片和平臺組成［6］。棋子內(nèi)嵌RFID電子標簽，RC522讀卡器芯片安裝于平臺下，棋子通過滑道停留在平臺上，就會被芯片掃描識別。平臺只允許一個棋子停留，當芯片識別到棋子時，棋子分離機構(gòu)的轉(zhuǎn)盤將停止旋轉(zhuǎn)，直到平臺上的棋子放置好位置。

3.4 三坐標定位機構(gòu)

三坐標定位機構(gòu)由十字坐標系及機械爪、步進電機組成，可實現(xiàn)X軸、Y軸、Z軸三個方向的控制［7］。每次啟動時，坐標軸會進行初始化，回歸零位，之后便可以實現(xiàn)正常的抓取放置功能。舵機帶動爪片上的齒輪，齒輪轉(zhuǎn)動帶動兩個卡爪張開和閉合，通過卡爪的張閉來抓取棋子。因為棋子的直徑為46 mm，所以卡爪的夾緊范圍為46～47 mm。卡爪中間有個圓弧結(jié)構(gòu)，剛好可以卡住一顆棋子，以保證抓取的棋子在傳輸過程中不會脫落。

3.5 推棋機構(gòu)

自動象棋整理機棋面包括上棋面和下底面。上棋面是使用者對弈的棋面，下底面是另一副棋子的預擺放棋面，兩棋面共用一個升降面。升降面即開局時棋子擺放所處的面，共四塊，為兩個車-帥（將）面和兩個兵（卒）-炮（砲）面。當使用者在對弈時，下底面在擺棋，此時升降面作為上棋面，可見下底面擺放并不是在升降面的位置，而是在升降面錯開一格棋的位置。當對弈者弈完一盤棋后，升降臺下降，此時需要推棋機構(gòu)將棋子推到升降臺的升降面。

推棋機構(gòu)用到了鉸鏈滑塊及滑軌［8］，如圖5所示。由步進電機帶動滑軌使兩塊平行板平移，實現(xiàn)兵（卒）、車、帥（將）棋子的放置。同時，平行板移動帶動鉸鏈滑塊機構(gòu)，將炮（砲）棋子推入升降臺。完成推棋動作后，推棋機構(gòu)歸位，等待升降。

▲圖5 推棋機構(gòu)

3.6 電動升降機構(gòu)

電動升降機構(gòu)由支撐架、電動推桿和升降棋面等組成［9］，如圖6所示，圖中升降棋面未顯示。當使用者按下開關(guān)，上棋面棋子全部進入梯形導槽后，電動推桿帶動支架下降至下底面，推棋機構(gòu)將已擺好的棋子從下底面推送至升降面。推送完成后，電動推桿上升，將升降面和擺好的棋子推送至上棋面，至此，電動升降機構(gòu)流程結(jié)束。

▲圖6 電動升降機構(gòu)

4 控制系統(tǒng)及程序設計

控制系統(tǒng)主要完成自動象棋整理機部件的時序控制及執(zhí)行機構(gòu)的動作控制，功能包括顯示、自動收棋、棋子檢測、棋子抓取、棋子擺放、棋子移位、棋面升降、系統(tǒng)復位等。控制系統(tǒng)選用STC12C5A60S2單片機作為控制單元，執(zhí)行機構(gòu)采用3臺步進電機、2個絲杠滑臺模組、1個舵機，檢測部件采用3個金屬接近開關(guān)、1塊RC522讀卡器芯片。控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)信號讀取及反饋功能，實現(xiàn)對步進電機的精確控制［10］。圖7為自動象棋整理機控制系統(tǒng)的程序框圖。

▲圖7 自動象棋整理機控制系統(tǒng)程序框圖

5 試驗驗證

經(jīng)過方案設計及相關(guān)計算后，采用30 mm×30 mm鋁合金型材搭建自動象棋整理機，外形尺寸為 0.9 m×0.9 m×0.8 m，如圖8所示。

▲圖8 自動象棋整理機照片

筆者通過大量試驗驗證了以下功能：①混亂棋子的收集；②棋子在收集處單一下落；③RFID檢測出每個棋子的屬性；④通過機械卡爪抓取棋子；⑤通過三坐標擺放棋子；⑥推棋機構(gòu)將棋推到指定位置；⑦電動推桿實現(xiàn)升降。

6 總結(jié)

基于RFID的自動象棋整理機控制系統(tǒng)軟硬件設計正確，各模塊機構(gòu)能完成設定動作，一鍵式操作簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)對32顆棋子的位置擺放，且編程控制具有性能好、可靠性高、易于修改和擴展等優(yōu)點。這一自動象棋整理機可實現(xiàn)自動收棋、棋子檢測、棋子定位擺放、棋子推送、棋面升降等整理動作，棋子擺放整齊，工作可靠。對弈者在對弈過程中，設備已經(jīng)開始整理棋子，對弈者弈完一盤棋后，第二副棋子直接上升，可以繼續(xù)進行對弈。自動象棋整理機降低了對弈者的勞動強度，且能耗低，操作簡單，適合廣大象棋愛好者使用。

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