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1、上海电机学院毕业设计（论文）开题报告课题名称下围棋机器人手臂设计学院机械学院专业机械电子工程班级学号一姓名指导教师定稿日期：20XX年XX月XX日下围棋机器人手臂设计1选题背景及其意义世界围棋人口正在飞速增长，目前总数已达4120万，其中中国：2500万；韩国：100O万；日本500万，台湾100万。每天登陆联众、上海热线、新浪等各对弈站点的国内围棋迷估计在10万人。1999-2003年已成功举办了5届中国围棋联赛（围甲、围乙），成为仅次于足球联赛的比赛。美国盖洛普网络调查（韩国）公司分析称，网络围棋的发展和电视对围棋的转播在其中起着关键性的作用。有理由认为，围棋机器人系统的开发有广阔的市场前
2、景。而对照目前世界上陆续出现的象棋和国际象棋机器人（手）等下棋机器人娱乐设备，围棋机器人方面仍显空白，其人机交互功能方面也有所欠缺。原因有三点：一是由于象棋和国际象棋长期以来在国内和国际占据统治地位，而国粹又过分阳春白雪；二是由于围棋的特殊性，如棋盘点多格密（定位精度要求高），一开局就没有固定的棋子位置（棋子需要从棋罐中抓取），棋子形状（夹持装置），棋子越下越多且位置和数量随机（图像识别构成闭环系统，国际象棋、象棋系统可以采用开环控制），有提子（需要敏捷的提子装置）、打劫、多种禁着（游戏程序的复杂性）等特殊的对弈规则，因此动作控制系统与象棋有较大差别；三是下棋机器人相关设备还只作为高科技玩具来
3、开发，实际使用较少，没有重视交互性。本课题中下围棋机器人手臂设计主要是对仿人的五自由度的机器人手臂、手抓的设计以及手臂、手爪的动作控制，使得机器人能够完成棋子的精确抓取和落子。2文献综述（国内外研究现状与发展趋势）1. 2002年12月上海交通大学杨汝清、王春香、张伟军发明了一个象棋大师机器人。申请号20112261.X,公开号CN1385224A。这个发明主要包括：计算机、机器人手臂机器人控制器、棋盘、棋子及光电传感器，其连接方式为：计算机通过并行端口与机器人手臂控制器连接，棋盘上有棋子，棋盘上的网格共有90个交点，每个网格交点处都设置光电传感器，棋盘上90个光电传感器为阵列式分布。2. 2
4、003年8月上海交通大学王春香、杨汝清、贺继林申请了一个名为“机器人电子专用棋盘”的发明项目。申请号03115680.0公开号CN1433824A。这个发明由棋盘和棋子组成，将霍尔元件阵列式排布在棋盘上，该棋盘共有M行、N歹U，在棋盘基座背面每个格子的交叉点处有一个方孔，作为霍尔元件定位用，孔底距离棋盘基座正面约1.5mm,每个孔内放置一个霍尔元件，共有MXN个霍尔元件，棋盘基座的每一列处开一窄槽，在棋盘行向中间处开一宽槽，作为总出线接口。3. 2004年6月上海交通大学黄立波、夏庭错、王春香、赵维江发表了一篇名为“实时环境下的对弈机器人控制系统设计与分析”的文章，该对弈机器人主要由工控机、控
5、制柜和机器人本体三大部分组成，机器人手臂采用了SCARA结构，大小手臂的电机同轴安装在基座上，以减小手臂转动惯量，提高手臂的快速运动能力。手臂末端安装的手爪可以完成上下运动（接近和离开棋盘）和开合运动（放下和抓起棋子）。机器人本体前方平台上安放有电子棋盘，可感知棋局变化。控制柜中安装有电机驱动器、继电器组、电源等。系统软件采用了基于RTX的单处理器体系结构。4. 2004年9月上海交通大学王春香、杨汝清、赵维江发明了一个“象棋大师机器人专用手爪”。申请号03151042.6,公开号CN1524665A。该发明包括：直流电机，电机座，角架，连接套，导轨，升降螺钉，固定螺母，销钉，螺母，电磁铁，行
6、程开关，电机设置在电机座上，角架、电机座、直流电机通过螺钉连接在一起，电机轴和连接套通过锥端紧固螺钉固定，连接套通过螺纹和升降螺钉连接，固定螺母通过锥端紧固螺钉和升降螺钉固定，销钉通过螺纹和固定螺母连接，导轨通过螺钉固定在角架上，销钉在导轨的导向槽内滑动，行程开关通过螺钉设置在导轨的导向槽两端，电磁铁通过螺纹和升降螺钉连接在一起。5. 2004年在上海电器技术上，同济大学的俞清发表了一个基于单片机的围棋机器人驱动模块设计。针对围棋中独有的多子、提子现象以及围棋子的特点，他开发了一种新颖实用的围棋机器人（Go-Robot）系统。整套系统由落提子执行机构、单片机驱动模块、棋盘图像实时采集处理系统、
7、网络对弈系统、智能围棋决策系统和语音交互系统组成。其中，单片机驱动模块用于驱动落、提子执行机构准确有序的动作。在落、提子执行机构中，由两台步进电机控制SST型机械臂的转动，实现机械手的xY定位；由第三台步进电机实现机械手绕Z轴的转动，使机械手上按棋格位置均布的9只机械指与棋盘纵横线对正，从而实现高效提子。机械指的升降通过牵线电磁铁驱动，机械指对含铁棋子的吸合通过吸合式电磁铁驱动。单片机驱动模块对执行机构的驱动是通过对步进电机和电磁铁的控制实现的。6. 2005年6月哈尔滨理工大学学报上张韦唯，张永德发表了一篇名为下棋机器人操作臂及手爪的计算机辅助设计的文章。该计算机辅助系统以SCARA机器人为
8、载体，下棋机器人采用3个自由度的SCARA机器人，其中有2个回转关节，1个移动关节。移动关节采用的是螺母丝杠形式，实现手爪抓棋子的时候上下移动。共有4个电机，其中3个步进电机，1个直流电机。型号为35BYJol的步进电机控制第1个回转关节，28BYJ01的步进电机控制第二个回转关节，25BY24I132控制第三个移动关节，直流电机控制手爪的开合。7. 2005年在青少年科技博览上刊登了一篇名为“弈行天下”象棋机器人的报道。“博弈天行”象棋机器人，是北京师范大学附属实验中学郑鑫、王晨谷和鲍等三名同学在刘海欧老师的指导下，研制成功的一款能真正与人对弈的第三代象棋机器人。他们的这一作品，荣获第十九届
9、全国青少年科技创新大赛二等奖。8. 2006年3月同济大学机械工程大学王四灵的硕士学位论文设计了一个4自由度的围棋机器人的动作控制系统。该围棋机器人机构由机座、手臂和末端执行器组成。主要由回转副和移动副组成的具有4个自由度、能实现落子和提子操作的功能的平面关节型机器人。其中，机座采用步进电机驱动，丝杠螺母传动实现机器人整体的升降运动；大臂使用齿轮减速器，小臂使用同步带传动，都采用步进电机，大臂和小臂共同实现机器人在平面内的定位；末端执行器采用气动装置直接驱动，工作行程比较小，主要实现对围棋棋子的吸合和松开。动作控制系统采用上位机和下位机两级控制方式实现末端执行器的落子和提子的动作。图像传感器将
10、棋盘的信息反馈给上位机，下位机主要将上位机传送的步进电机脉冲数转化为步进电机的转动，并附有棋钟电路和中断电路等。9. 2007年在上海电器技术上，同济大学的陈李、刘帅设计了一个用于围棋机器人的光电感应棋盘。该光电棋盘为机器人提供了一种新的外部信息获取方式。它采用红外光电耦合的原理，采集对应棋盘位置的电压信号值。该电压信号通过模数转换器后,由单片机进行数据分析，单片机则根据预存的信号值范围“判断”落子位置与棋子颜色,从而完成对棋盘信息的读取。10. 2007年9月安徽大学电子科学与技术学院、中国科技大学精密机械与精密仪器系赵吉文、张志伟、谢芳、刘永斌、程蒲在系统仿真学报上发表了名为“基于SVM的
11、仿人对弈机器人视觉图像处理”的文章。该视觉系统针对对弈的实际状况，采用彩色空间变换，阈值分割、形态学骨架化及霍夫变换等图像处理技术，对棋局中的棋子进行检测、定位和分割。通过提取棋子旋转不变的径向像素点数特征，克服了棋子方向随意性。而后采用支持向量机分类方法，对棋子信息进行分类识别，同时分析处理了误差对识别准确率的影响。实验表明，该方法能够实现定位、分割、识别棋子准确无误。11. 2008年2月中国科学技术大学精密机械与精密仪器系张志伟、孔凡让、赵吉文、何清波、吴增荣在计算机与软件上发表了名为“对弈机器人的视觉图像处理和识别”的文章。其视觉系统提出了彩色空间变换，阈值分割、形态学骨架化及霍夫变换
12、等图像处理技术对棋局中的棋子进行检测、定位和分割的方法。在棋子识别过程中，为克服棋子摆放方向的随意性,提取棋子旋转不变的径向像素点数特征;用BP神经网络进行识别，并采用贝叶斯正则化方法提高了网络的推广性。实验表明，该方法定位、分割棋子准确无误,识别率较高。12. 2009年6月青岛大学赵艳云在其名为“机器人手臂下棋运动的逆运动学分析与仿真”中设计了这样一个机器人。该机器人有一个五自由度机器人手臂，主体关节结构由回转底座、大臂、小臂、腕部、手指等组成，共有5个关节自由度，类似人的腰部和手臂部分。机器人手臂的底座水平旋转实现机器人手臂的整体回转。大臂的上端关节用于支撑小臂，大小臂可做上下俯仰运动。
13、机器人的腕部位于小臂臂体的前端，具有手腕的回转和俯仰转动。13. 2011年4月华南理工大学林颖、庄剑毅申请的名为象棋机器人棋盘识别装置”。申请号201110101492.X,申请公布号CNlO2198326A。其结构为：棋盘上每个棋位开有一个小通孔，电路板安装在棋盘底部，光敏电阻分布在每个棋位的小孔里，与二极管、普通电阻逐一串联焊接于电路板上，16通道数字控制模拟开关、单片机系统也焊接在电路板上。机器人所持的棋子为透光材料，单片机系统通过光敏电阻电压的变化获知期盼的动态。14. 1997年，IlIM公司的超级计算机“深蓝”与当时的国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫进行了一场大肆渲染的比赛。这次被卡斯
14、帕罗夫称作“终于来临的一天”的比赛以卡氏的失败而告终。IBM公司将“深蓝”的获胜称作是人工智能领域的一个里程碑。并且这场比赛取得的宣传效果好得出奇，大概没有多少人不知道“深蓝”了；而卡斯帕罗夫虽败尤荣，无数对国际象棋一无所知的人们也因此知道了卡氏的大名。但是“深蓝”只是一个超级计算机，一台只是负责策略计算的计算机而不是机器人。15. 乌克兰州立海运大学(USMTU)的VBuldyzhov和KBrezhnev在2000年设计了一台能与人对弈国际象棋的机器人。这个机器人的机械部分是一套液压系统来驱动一个机械手爪的移动，由电机驱动手爪上F移动和开合，从而实现棋了的移动功能。电气部分由一个计算机控制，
15、程序可以运行在DOS或者WindOWS操作系统下。虽然用的是普通的国际象棋棋盘和棋子，但这个机器人还不算“真一的”与人对弈，因为机器人无法自己获得玩家的棋子移动信息，而必须玩家在计算机上输入棋子移动信息，然后由计算机计算对策，接着控制机器人移动棋子。目前全世界的电脑仍然无法模拟出围棋的人工智能，原因在于围棋算法过于复杂。深蓝西洋棋虽然可以击败世界棋王卡斯帕洛夫，这是由于西洋棋目标明确，只要杀死国王即可(跟象棋、将棋系出同源)，因此算法并不困难，但围棋不一定须要智杀对方棋子，每一步有数百种以上的走法，黄山谷有诗：“心似蛛丝游碧落，身如蜩甲化枯枝。”算法的困难度明显要高得多。宋代的梦溪笔谈已对围棋
16、做了数学式表述，沈括称“大约连书万字五十二个，即是局之大数”，意思是说要写52个万（一个万即4位数，共52个4位数）字，这是错误的，应该连书万字四十三个，约为3361QL74X10172。根据围棋规则，没有气的子不能存活，扣除这些状态后的合法状态（占L196%）约有2.08X100种。Robertson与MUnro在1918年证得围棋是一种PSPACE难的问题，其必胜法之记忆计算量在IO600以上，这远远超过宇宙的原子总数10,目前围棋的电脑算法还不足以抗衡围棋职业初段，1985年台湾著名实业家应昌期悬赏一百万美金，找寻能够打败职业棋士的电脑程式而不可得。“深蓝”设计人许峰雄在2007年10月
17、一期的IEEESpectrum杂志上表示，相信10年内以穷举法为基础的超级电脑将能挑战世界冠军级别的棋手，早年（上世纪90年代）中国陈志行开发的手谈曾屡获世界围棋大赛冠军，而目前最强的围棋对弈软件是法国的MOGO,朝鲜的KCCIG0（银星），日本的ZEN等电脑围棋程式，而最普遍应用且功能较齐全的是开源围棋程序GNUG0。综上所述，棋类游戏是娱乐机器人产业进军家庭和民间市场的重要领域，己呈出快速发展的态势。但围棋机器人动作控制相关落子、提子设备仍有很大改进空间，特别是具有良好自然性能使用自然的棋盘和棋子，系统人性化，不能分散棋手注意力，装置动作敏捷、噪音并具有良好的可移植性的围棋机器人动作控制系
18、统还有待研窕。3研究内容3. 1机器人机械部分的结构和工作原理机器人的机械部分通常包括执行机构和驱动装置。执行机构即机器人本体，为了让机器人能够自己抓放棋盘内所有位置的棋子，机器人手臂须到达任意棋盘上点的上方，并且可以到达棋篓所在位置的上方以及完成靠进期盼的垂直方向的动作。手爪部分为了能够顺利抓取棋子，并且保持在运动中棋子不会掉落，所以要求手爪要足够细巧且结实，并能完成90度的旋转。由于棋盘空间限制，同时要求机械部分占用空间不能过大。其臂部一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副（转动副或移动副）常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。根据关节配置型式和运动坐标形式的不同，机器人执行机构可
19、分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节坐标式等类型。出于拟人化的考虑，常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部（夹持器或末端执行器）和行走部（对于移动机器人）等。驱动装置是驱使执行机构运动的机构，为了使机器人在运动中能够到达系统指定的位置且在运动中棋子不掉落，要求机器人手臂及手爪的驱动装置运动平稳，惯性小，可控性高，最好具有反馈功能。按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人进行动作。它输入的是电信号，输出的是线、角位移量。机器人使用的驱动装置主要是电力驱动装置，如步进电机、伺服电机等，此外也有采用液压、气动等驱动装置。4. 2机器人传感部分的设计和工作原理机器
20、人的传感部分即检测装置，为了使机器人能够实时获取外部环境信息即棋局的战况以及机器人手臂的位姿和机器人手爪抓取部分的位置，要求机器人具有一套分辨能力较强的视觉传感器，以及能够反馈手爪末端位置的传感器。对传感器要求精度较高，反应较快，以便提高围棋机器人的运转速度。检测装置是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。作为检测装置的传感器大致可以分为两类：一类是内部信息传感器，用于检测机器人各部分的内部状况，如各关节的位置、速度、加速度等，并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器，形成闭环控制。一类是外部信息传感器
21、，用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息，以使机器人的动作能适应外界情况的变化，使之达到更高层次的自动化，甚至使机器人具有某种“感觉”，向智能化发展，例如视觉、声觉等外部传感器给出工作对象、工作环境的有关信息，利用这些信息构成一个大的反馈回路，从而将大大提高机器人的工作精度。3.3机器人控制部分的设计和工作原理控制系统的设计为了能够控制操作机的末端执行器按规定的点位（PTP）和连续轨迹（CP）运动。运动平稳、准确，且能够根据系统的反馈自动调整偏差。控制系统有两种方式：一种是集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。另一种是分散（级）式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制
22、，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个CPU,进行插补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。根据作业任务要求的不同，机器人的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力（力矩）控制。4研究方案5. 1总体方案（1）机械结构要实现总体机构在空间位置提供的5个自由度，可以有不同的运动组合，出于围棋机器人手臂拟人化的考虑，同时又要让机器人在对弈的时候不至于占用太大的空间而给对手造成压迫感，现将其设计成手臂伸缩性较好的关节坐标型机器人。这种机器人的关节都是旋转的类似于人
23、的手臂，所有关节都是回转关节，这种机器人一般由立柱和大小臂组成，立柱即为腰关节，可以回转，立柱与大臂间形成肩关节，大臂和小臂间形成肘关节，可以使大臂和小臂作俯仰摆动，小臂和手腕之间组成腕关节，实现手腕的俯仰，同时手腕自身可以回转。其特点是工作空间范围大，动作灵活，通用性强、能抓取近距离的物体，工艺操作精度高。手爪部分采用四爪开合式的原因是考虑到围棋棋盘上棋子分部的密集度。出于控制精度和方便性的考虑，以上所有关节驱动均采用步进电机驱动，使用谐波齿轮减速机构减速。为实现机器人对于棋盘信息的获取并反馈给计算机以实行下一步动作，要求传感部分具有良好的图像获取和分辨能力，而位置传感器要能够快速告知计算机
24、机器人手爪是否已经到位。现根据本课题的要求，拟采用图像传感器和压敏传感器，将图像传感器的摄像头安装在棋盘的正上方，压敏传感器安装在手爪的末端。这样，图像传感器可以采集到棋盘上棋子的位置信息，可以准确控制机械手在x-y平面的精确位置，压敏传感器可以准确反馈手爪是否接触到棋子。（3）控制部分对弈机器人的控制系统是控制机器人，能像人的大脑一样，指挥机器人如何动作，能够判断棋盘的状态，能够与计算机进行实时的交换数据，并能够用机械手移动该走的棋子，从而实现机器人与人的对弈。系统初始化完成之后，围棋机器人处于待机状态，等待棋手下棋，待棋手落子按下计时器后，图像传感器采集棋盘图像，送入计算机分析，计算机将下
25、一步要走的轨迹及位置发送给单片机，单片机将接收到的轨迹及位置信息处理之后控制步进电机的动作，同时由图像传感器实时反馈手臂位姿，以控制计算机到达准确位置，落子完毕后，机器人手臂按照预定轨迹回到棋盘后面，等待棋手下一步走棋。这个控制系统框图如下：（开机初始化待机程序开始由单片机驱动步进 电机动作执行落 子、提子的动作4.2拟采取的技术措施通过机械部分计算实现手臂在棋盘范围内的动作空间的可行。通过步进电机参数的分析和选用实现机器人手臂的驱动。通过运动学计算验证机器人手臂末端达到空间位置的可行性和轨迹的合理性。通过运动学仿真验证机器人手臂设计系统的可行性。5进度计划2011年12月一一2012年1月：
26、收集资料，确定设计系统总体方案，翻译有关外文资料及阅读技术文献，书写开题报告。2012年1月一一2012年2月：开始总体设计，完成机械部分，传动部分设计。完成总装配图，AO图纸1张，完成部分零件图Al图纸3张等。2012年2月2012年3月：完成电气控制部分设计，完成电气控制系统图，Al图纸1张，撰写说明书。2012年3月2012年4月：中期答辩2012年4月2012年5月：编写毕业论文。2012年5月2012年6月：毕业答辩准备和答辩。参考文献1杨汝清、王春香、张伟军.象棋大师机器人.发明专利，申请号20112261.X,公开号CN1385224A2002年2王春香、杨汝清、贺继林.机器人电
27、子专用棋盘.发明项目，申请号03115680.0公开号CN1433824A2003年3黄立波、夏庭楷、王春香、赵维江.实时环境下的对弈机器人控制系统设计与分析.2004年机械2004年第31卷第6期4王春香、杨汝清、赵维江.象棋大师机器人专用手爪.发明专利，申请号03151042.6,公开号CN1524665A2004年5俞清.基于单片机的围棋机器人驱动模块设计.上海电器技术2004年NO.26张韦唯，张永德.下棋机器人操作臂及手爪的计算机辅助设计.哈尔滨理工大学学报2005年67郑鑫、王晨谷.“弈行天下”象棋机器人.青少年科技博览.2005年8王四灵.围棋机器人动作控制系统的实现.硕士学位论
28、文.2006年3月9陈李、文U帅.用于围棋机器人的光电感应棋盘.上海电器技术.2007N0.310赵吉文、张志伟、谢芳、刘永斌、程蒲基于SVM的仿人对弈机器人视觉图像处理,系统仿真学报2007年9月第19卷第18期11张志伟、孔凡让、赵吉文、何清波、吴增荣.对弈机器人的视觉图像处理和识别，计算机与软件2008年2月第25卷第2期12赵艳云，机器人手臂下棋运动的逆运动学分析与仿真，硕士学位论文.2009年6月13林颖、庄剑毅，象棋机器人棋盘识别装置,发明专利，申请号201110101492.X,公布号CNlO2198326A2011年4月14 http:WWw.people,15 Vladimi
29、rBUU)YZHOV个人主页，WWW.指导教师总见指导教师签名：年月日开题答辩小组意见1、论文选题：口有理论意义：有工程背景；口有实用价值；口意义不大。2、论文的难度：口偏高；口适当；口偏低。3、论文的工作量：口偏大；口适当；口偏小。4、设计或研究方案的可行性：口好；口较好；口一般；口不可行。5、学生对文献资料及课题的了解程度：口好；口较好；口一般；口较差。6、学生在论文选题报告中反映出的综合能力和表达能力：口好；口较好；口一般；口较差。7、学生在论文选题报告中反映出的创新能力：口好；口较好；口一般；口较差.8、对论文选题报告的总体评价：口好；口较好；口一般；口较差（在相应的方块内作记号“J”）建议结论评议小组组长签名：评议小组组员签名：年月日
