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1、下围棋机器人手臂设计 I 摘要 据统计现在世界下围棋的人数正在不断增加，而且不仅仅是传统的对弈，还有网络 围棋也在兴起。随着机器人技术的发展，其应用领域正在逐渐扩大，从传统的工业领域 走向娱乐领域，于是产生了各种棋类机器人。有理由认为，围棋机器人系统的开发有广 阔的市场前景。对照目前世界上陆续出现的象棋和国际象棋机器人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)
2、，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开发，实际使用较 少，没有重视交互性。 本次我设计的是下围棋的机器人手臂，机器人手臂是机器人的主要部件，如何让机 器人的动作更加人性化，更加高效、稳定一直是机器人手臂研究的主要内容之一。这次 我设计的围棋机器人手臂包括五个自由度，采用关节式坐标系，动作关节采用步进电机 驱动谐波减速器减速，避免了液压驱动的清洁性问题和气
3、动的不稳定问题。手爪抓取动 作由一个电磁体进行驱动，所有的电机和运动控制卡控制。 关键字：围棋，机器人手臂，五自由度，步进电机，谐波减速器 下围棋机器人手臂设计 II ABSTRACT According to statistics, the number of Go in the world is increasing, and not just the traditional chess network ,Go also emerging. With the development of robot technology, its applications are gradually ex
4、panding from the traditional industrial areas to the entertainment field, so a variety of chess robot are product. There is reason to believe that the development of chess robot system has a broad market prospect. Control, emerging in the world of chess and chess robots playing chess robot entertain
5、ment devices, Go robots remained blank, and its interactive features are also lacking. There are three reasons: First, chess and chess has long been dominant in the domestic and international, while the quintessence of overly highbrow is due to the particularity of chess, such as the checkerboard po
6、int grid density (positioning accuracy requires high), a start there is no fixed position of a pawn (a pawn from the chess tanks crawl), a pawn shape (clamping devices), the pieces harder and more and the location and number of random (image recognition constitute a closedloop system, chess, chess c
7、an be used openloop control), grapes (to agile grapes device), robbery, a variety of forbidden (the complexity of the game program) and other special chess rules are quite different, so the motion control system and chess chess machine people related equipment only as a hightech toys to develop, the
8、 actual use of less, there is no emphasis on interactivity. I designed the Go under the robot arm, robot arm is the main components of the robot, how to make the robots action is more humane, more efficient, stable and has been one of the main robot arm. The Go I designed robot arm consists of five
9、degrees of freedom, using the joint coordinate system, action joint stepper motordriven reducer reducer to avoid the cleaning of the hydraulic drive and pneumatic instability. Gripper to grab action driven by an electromagnet, the use of independent Motion Control Card control. Keywords: chess, robo
10、t arm, five degrees of freedom, stepper motor, reducer 下围棋机器人手臂设计 III 目录 1. 绪论 .1 1.1. 引言 .1 1.2. 国内外发展概况1 2. 总体方案5 2.1. 电机种类的选择及传动方案的确定 .5 2.1.1. 驱动电机种类的选择.5 2.1.2. 机械结构传动方案 6 3. 机械结构的设计7 3.1. 机器人手爪的设计 7 3.1.1. 手指的设计7 3.1.2. 锥形块的设计及弹簧的选择.7 3.1.3. 电磁铁的选择8 3.1.4. 手爪外壳尺寸设计 8 3.2. 腕部的设计9 3.2.1. 腕部角度电机的
11、选择.9 3.2.2. 联轴器选用10 3.2.3. 连接轴 5 的设计12 3.2.4. 腕部垂直电机 4 的选用.15 3.3. 肘部的设计21 3.3.1. 小臂的设计21 3.3.2. 肘部电机 3 的选择 21 3.4. 肩部的设计26 3.4.1. 大臂的设计26 3.4.2. 肩部电机 2 的设计 27 3.5. 底座的设计32 3.5.1. 肩板的设计32 3.5.2. 底座电机 1 的设计 32 4. 控制部分设计33 4.1. 控制方案的总体设计.33 4.2. 围棋软件33 下围棋机器人手臂设计 IV 4.3. 机械手的工作的流程.34 4.4. 机械手的简介35 4.4
12、.1. 机械臂的机构和传动系统.35 4.5. 步进电机驱动部分 36 4.5.1. 手腕角度步进电机 5 驱动器的选择37 4.5.2. 带谐波减速器的步进电机驱动器的选择37 4.6. 步进电机的制动38 4.7. 棋盘信号检测和反馈.39 4.8. 运动控制卡的选用 40 4.8.1. 运动控制卡型号41 5. 结论 .42 6. 参考文献43 7. 致谢 .44 下围棋的机器人手臂设计 1 1. 绪论绪论 1.1. 引言 近年来，各个国家和众多研究机构都在积极投入机器人的研究，覆盖各个领域。机 器人作为 20 世纪人类最伟大的发明之一，是现代机械学、自动控制学、计算机科学与 工程学、人
13、工智能学、微电子学、光学、通讯技术、仿生技术、社会学等多种学科和技 术发展和结合的产物。即机器人技术是一门建立在机械、微电子、控制、人工智能技术 等基础上的高度综合的先进科学技术。最初的机器人诞生于本世纪 60 年代，目前已经 发展到第三代(智能机器人)。纵观机器人的发展史和科学技术的发展趋势，可以确定， 机器人必将成为现代化发展中不可缺少的工具。故当今世界各国都在竞相发展机器人技 术，使得机器人技术无论在技术的成熟度上、数量上还是其应用领域上都有前所未有的 发展，因此一个世界范围的机器人研制热潮必将掀起。研究仿人机械手的目的，在于克 服目前一般机器人末端操作手爪的局限性，扩大智能机器人在实际
14、生产生活中的应用范 围，使机器人能够真正灵巧地进行精细的、复杂的操作作业。 1.2. 国内外发展概况 (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。 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 1 。 (2) 2003 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。这个发明由棋盘和棋子组成，将霍尔
15、元件阵列式排布在棋盘 上，该棋盘共有 M 行、N 列，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 2 。 (3) 2004 年 6 月上海交通大学黄立波、夏庭锴、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
16、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 3 。 下围棋的机器人手臂设计 2 (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” 。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 4 。 (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
