一种基于实物棋盘人机对弈象棋机器人装置

摘要

本发明提供一种基于实物棋盘人机对弈象棋机器人装置，由三维机械臂系统、控制系统、木质棋盘和棋子组成，象棋棋子内置有磁铁，象棋棋盘每个棋位处埋有霍耳元件，霍耳元件与控制系统相连，控制系统与三维机械臂系统通过控制三维臂机械臂连接线相连，三维机械臂系统包括两根平行的纵滑杆，一横滑杆通过左、右滑块垂直连接于两根纵滑杆之间，并能通过左右滑块在左、右滑杆上移动，步进电机一、二、三分别控制电磁体在行、列和上下移动，控制系统包括计算机、单片机，控制步机电机一、步进电机二和步进电机三的工作。本发明能够基于实物棋盘妻子，实现人机对弈的问题，而不需要光电传感器、摄像头等设备。

说明书

技术领域

本发明属于一种机电一体化装置，基于实物中国象棋的棋盘、棋子，用于人机对弈的下 棋机器人装置。

背景技术

象棋爱好者有两个困惑，一是找不到对手无法下棋或者对手水平低不过瘾，二是与计算 机下棋，总是对着屏幕费眼神。为此，开发基于实物象棋、棋子，能用于人机对弈的下象棋 机器，下棋人只需要专心孜孜地考虑棋局，移动实物棋子，不需要考虑对方是人还是机器。 据查，下棋机器人方面已申请了一些专利，其中“象棋机器人的棋盘识别装置”（林颖，庄剑 毅.申请号201110101492.x，公开号CN102198326A）公开了在象棋棋位上分布光敏电阻与相 应的二极管、普通电阻等接在电路板上，当由透光材料制成的棋子移动至某一棋位时，相应 棋位上的光敏电阻两端的电压由高变低，来判断下棋的信息；“下棋机器人”（肖占春,庞作 伟.申请号201210419264.1，公开号CN103252077A）公开了通过摄像头，获取下棋的信息； “一种下棋机器人”（丛德宏,孙双福,常皓,等.申请号201120120542.4，公开号 CN102698429A）公开了由光电传感器记录每个棋位上相应的棋子的名字，当棋盘上棋子信息 变化时，键盘接口芯片产生的中断信号送至单片机，与上一次信息比对后通过串口将走动棋 子的信息发送到ARM9处理器，再决策最优的走棋方案。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于实物棋盘人机对弈象棋机器人装置，解决了 基于实物中国象棋的棋盘、棋子，实现人机对弈的问题，而不需要光电传感器、摄像头等设 备。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种基于实物棋盘人机对弈象棋机器人装置，由三维机械臂系统、控制系统、木质棋盘 和象棋棋子组成，象棋棋子内嵌有磁铁，象棋棋盘每个棋位处埋有霍耳元件，霍耳元件与控 制系统相连，控制系统与三维机械臂系统通过控制三维机械臂连接线相连，三维机械臂系统 包括两根平行的纵滑杆，一横滑杆通过左、右滑块垂直连接于两根纵滑杆之间，并能通过左 右滑块在左、右滑杆上移动，左、右滑块受步进电机一驱动；横滑杆上设有电磁铁装载体， 该装载体受步进电机二驱动能在横滑杆上滑动；该装载体上还设有升降机构，升降机构受步 进电机三驱动带动电磁铁上下移动；三维机械臂系统设于棋盘上方，且左滑杆、右滑杆和横 滑杆构成的平面平行于棋盘平面，控制系统包括计算机、单片机，控制步机电机一、步进电 机二和步进电机三的工作。

在象棋棋盘每个棋位处挖有上小下大的两个同心圆柱用于嵌入霍耳元件，组成10行9的 阵列，当棋子落下时，霍耳电压达到施密特触发器的触发电压，输出端与地相接，输出低电 平信号反馈给控制系统，反之当棋子离开时，霍耳元件输出端保持与高电平接触，输出高电 平。

采用电磁铁，当需要电磁铁吸取棋子时，控制系统会发出一个信号，电磁铁控制模块对 此信号做出响应，接通电磁铁回路，吸取棋子；当需要落子时，控制系统发出一个信号，电 磁铁控制模块切断回路，实现落子。

由单片机精确控制三维机械臂；

机械臂由步进电机控制，横向的为x机械臂，竖向的为y机械臂，纵向的为z机械臂， 其中x,y机械臂主要负责移动到目标位置，z机械臂主要负责控制电磁铁的位置，当电磁铁足 够靠近棋子时能产生足够的吸收力；

在控制机械臂的时候，首先确定步进电机的步距角以及工作频率，控制系统通过输出不 同的频率来控制步进电机的移动速度，控制系统通过计算脉冲输出时间经过复杂的计算来计 算机械臂的行进距离；

当控制系统得到一组对应的原始坐标和目标坐标之后，通过计算可以得出需要输出脉冲 的频率以及时间，从而做到对机械臂的精确控制，同时在行进的过程中难免产生误差，我们 设计了一种误差矫正机制：每一步操作结束时，3个步进电机均回到临近终点位置，再通过 放置在终点的霍耳传感器进行最慢速回零，确保最后停止位置与起点相同。

木质棋子上表面设有一个铁制图钉。

在落放棋子时，由于存在剩磁，控制系统加上20ms反向电压，确保棋子正常落放。

本发明所涉及的基于实物棋盘人机对弈象棋机器人装置，只要下棋人开启电源，选择红 棋下第一步，机器人就接着下棋，只需要钻研棋局，不需要考虑对方是人还是机器。该装置 制造成本低，性能可靠；老少皆宜，特别适合于中老年人自娱自乐。

附图说明

图1  装置结构图

图2  三维机械臂系统

图3  实物象棋坐标定义图

图4  霍耳元件

图5  霍耳元件阵列电路连接图

图6  棋子结构

图7  控制部分连接图。

在图中，1.三维机械臂系统，2.木质棋盘，3.棋位，4.棋子，5.支架，6.控制系统，7.数 据线接口，8.三维机械臂接线孔，9.控制三维机械臂连接线，10.步进电机一，11.步进电机 二，12.左滑块，13.步进电机三，14.电磁铁，15.纵滑杆，16.右滑块，17.横滑杆，18.霍耳 元件，19.霍耳元件第一脚（接+5V高电平和输出），20.霍耳元件第二脚（接地），21.霍耳 元件第三脚（接扫描信号），22.接+5V高电平，23.输出，24.电阻，25.计算机，26.单片机， 27.第一步机电机电源（控制电磁铁行方向运动），28.第二步进电机电源（控制电磁铁列方向 运动），29.第三步进电机电源（控制电磁铁上下方向运动），30.步进电机驱动线接口，31.霍 耳元件扫描线、高电平线、输出线接口，32.铁图钉，33.圆柱形薄磁铁。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明的具体实施方式：

如图1所示，基于实物棋盘人机对弈象棋机器人装置包括三维机械臂运动系统1、木质 棋盘2、棋子4、控制系统6组成。

木质棋盘2上固定三维机械臂运动系统1，木质棋盘2分十行九列共九十个棋位3，坐标 定义如图3所示。右上角为（0,0），从上向下行数依次增大，从右向左列数依次增大。而且 下棋人默认择红，即图3下方，机器人默认择黑，即图3上方。每个棋位3处钻两个同轴圆 柱孔，这两个同轴圆柱孔从棋盘2背后通到棋盘2正面，靠近正面的圆柱孔较小只能容纳霍 耳元件集成块部分，靠近背面的圆柱孔直径大些，可以容纳霍耳元件的三只脚及其连接线。 霍耳元件18的第一脚19用于接高电平+5V22和输出端23，霍耳元件18的第二脚用于接地 20，霍耳元件18的第三脚21用于接扫描信号21，九十个棋位处霍耳元件18连接线路图如 图5所示。

棋子4是由普通的木质棋子背面嵌入圆柱形钕铁硼薄磁铁33和正面打一铁图钉32加工 而成。当棋子移近某一棋位3时，该棋位3处的霍耳元件18所处的磁感应强度增大，侧面霍 耳电压也增大。通过放大系统后达到施密特触发器的触发电压时，输出低电平。电路系统是 一列一列扫描的，当扫描到该棋位3所在行时，该行由高电平变成低电平。因此输出高电平 说明该棋位3上没有棋子4，输出低电平说明该棋位3上有棋子4。当棋子4离开某一棋位3 时，该棋位3处的霍耳元件18所处的磁感应强度变小，侧面霍耳电压也变小。电路系统一列 一列扫描，当扫描到该棋位3所在行时，该行由低电平变成高电平。

在图2中，三维机械臂运动系统1是接受控制系统6的驱动信息将电磁铁移动到棋盘2 上相应的棋位，完成吸收棋子、移动、到目标位置落放棋子，再回到初始状态。包括走棋和 打吃对方棋子两种。三维机械臂系统包括两根平行的纵滑杆15，一横滑杆17通过左滑块12、 右滑块16垂直连接于两根纵滑杆15之间，并能通过左右滑块在左、右滑杆上移动，左、右 滑块受步进电机一10驱动；横滑杆17上设有电磁铁装载体，该装载体受步进电机二11驱动 能在横滑杆17上滑动；该装载体上还设有升降机构，升降机构受步进电机三13驱动带动电 磁铁14上下移动。当步进电机一10正转时，驱动左滑块12和右滑块16向行数增加的方向 运动。成功的实例是步进电机一10每秒触发6268个脉冲，每个脉冲驱动步进电机一10转动 1.8度，控制脉冲的个数来定位电磁铁14行的位置；步进电机一10触发相同的脉冲个数将 电磁铁14回到初始行位置。当步进电机二11正转时，驱动电磁铁14向列数增加的方向运动。 成功的实例是步进电机二11每秒触发6268个脉冲，每个脉冲驱动步进电机二11转动1.8度， 控制脉冲的个数来定位电磁铁14列的位置；步进电机二11触发相同的脉冲个数将电磁铁14 回到初始列的位置。当步进电机三13正转时，驱动电磁铁14向下运动，准备吸取棋子。成 功的实例是步进电机三13每秒触发6268个脉冲，每个脉冲驱动步进电机三13转动1.8度， 控制脉冲的个数来定位电磁铁14列的位置；步进电机三13触发相同的脉冲个数将电磁铁14 回到初始高度的位置。当电磁铁14被移动到相应的行和列位置，且向下运动到准备取棋子的 位置时，接通电磁铁14回路，电磁铁吸引木质棋子4，木质棋子4背面钻了一个薄的圆形孔 用于嵌入圆体形薄磁铁33，成功的例子是钕铁硼磁铁；电磁铁14移动时，为了使棋子4移 动时不落下，改进了棋子，在木质棋子4上方打上一铁图钉32，如图6所示；当到达目标位 置时，成功的例子是，先加上20ms反向电压后再切断电磁铁14回路电流，有效地使棋子4 落下。三维机械臂运动系统1完成棋子4的移动步骤，包括电磁铁14先移动到机器人择黑的 某一棋位3上方，再下移，接通电磁铁14回路，吸取棋子4，移动到目标棋位3，切断电磁 铁14回路，落下棋子4，电磁铁14移动到初始位置；三维机械臂运动系统1完成棋子4的 打吃过程，包括电磁铁14先移动到下棋人择红的被吃的某一棋位3上方，再下移，接通电磁 铁14回路，吸取红方棋子4，移动到棋盘2外，切断电磁铁14回路电源，落下棋子4，电磁 铁14移动到初始位置，然后再完成机器人择黑的棋子4的移动步骤。

如图7，控制系统6包括计算机25、单片机26、第一步机电机电源27、第二步进电机电 源28（控制电磁铁14列方向运动）、第三步进电机电源29。其中计算机25负责处理由单片 机接收的信息，即下棋人所下棋子4移动的情况，作出决策，将机器人下棋策略指令通过单 片机26驱动相应的步机电机和接通或者断开电磁铁14的电源。第一步进电机27用于控制电 磁铁14行方向的运动，即用于确定行的位置，第二步进电机28用于控制电磁铁14列方向的 运动，即用于确定列的位置，第三步进电机29用于控制电磁铁14上下方向运动的位置。单 片机26接收来自于霍耳元件扫描线、高电平线、输出线接口31对棋盘2各棋位3的扫描信 息和输出电平信息，确定下棋人移动棋子4的具体位置，再传送到计算机25进行决策，决策 指令通过单片机26接通相应步进电机电源，通过步进电机驱动线接口30驱动相应的步进电 机正转或者反转，来完成行、列、高度位置的改变。

为此以物理学原理为基础，结合机械运动原理与电子控制技术，制作了智能型实物棋盘 人机对弈象棋机器人。具体地说，利用霍耳元件感知磁场、利用电磁铁吸引棋子和落放棋子、 利用三维机械臂移动棋子，利用单片机程序控制三维机械臂的运动，完成人与机械人对弈象 棋的整个过程。结果表明，设计制作的智能型实物棋盘人机对弈象棋机器人完全能与下棋者 在实物棋盘进行下象棋，该机器人下棋能力强，动作自如，这一休闲项目，老少皆宜，乐趣 无穷。

具体地说，在下棋开始时，下棋者选择红棋先下第一步，智能型实物棋盘人机对弈象棋 机器人，通过霍耳元件感知信息变化，这种变化就是通过单片机的I/O口扫描，被单片机感 知，从而迅速地定位棋子的位置。然后单片机将棋子的位置信息数据帧，发送给计算机，计 算机上的下棋软件在接收到坐标信息后，进行计算，在计算机界面棋盘上移动棋子，同时将 棋子移动的坐标信息发送给单片机，单片机在接收到坐标信息的数据帧之后，控制三维机械 臂移动、吸收相应的棋子、移动或者打吃对方棋子，然后等待红方移动棋子或者打吃黑子， 如此一步一步进行下去。值得注意的是，如果打吃对方棋子，需要先将被吃掉的棋子移走， 再移动打吃的棋子。