毕业设计论文下围棋机器人手臂设计.docx

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1、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），棋子形状（夹持装置），棋子越下越多且位置

2、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

3、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ABSTRACTAccordingtostatistics,thenumberofGointhewor1disincreasing,andnotjustthetraditiona1chessnetwork,Goa1soemerging.Withthedeve1opmentofrobottechno1ogy,itsapp1icationsaregradua11yexpandingfromthetraditiona1industria1areastotheentertainmentfie1d,soavarietyofches

4、srobotareproduct.Thereisreasontobe1ievethatthedeve1opmentofchessrobotsystemhasabroadmarketprospect.Contro1,emerginginthewor1dofchessandchessrobotsp1ayingchessrobotentertainmentdevices,Gorobotsremainedb1ank,anditsinteractivefeaturesarea1so1acking.Therearethreereasons:First,chessandchesshas1ongbeendom

5、inantinthedomesticandinternationa1,whi1ethequintessenceofover1yhighbrow;isduetotheparticu1arityofchess,suchasthecheckerboardpointgriddensity(positioningaccuracyrequireshigh),astartthereisnofixedpositionofapawn(apawnfromthechesstankscraw1),apawnshape(c1ampingdevices),thepiecesharderandmoreandthe1ocat

6、ionandnumberofrandom(imagerecognitionconstituteac1osed-1oopsystem,chess,chesscanbeusedopen-1oopcontro1),grapes(toagi1egrapesdevice),robbery,avarietyofforbidden(thecomp1exityofthegameprogram)andotherspecia1chessru1esarequitedifferent,sothemotioncontro1systemandchess;chessmachinepeop1ere1atedequipment

7、on1yasahigh-techtoystodeve1op,theactua1useof1ess,thereisnoemphasisoninteractivity.IdesignedtheGoundertherobotarm,robotarmisthemaincomponentsoftherobot,howtomaketherobotsactionismorehumane,moreefficient,stab1eandhasbeenoneofthemainrobotarm.TheGoIdesignedrobotarmconsistsoffivedegreesoffreedom,usingthe

8、jointcoordinatesystem,actionjointsteppermotor-drivenreducerreducertoavoidthec1eaningofthehydrau1icdriveandpneumaticinstabi1ity.Grippertograbactiondrivenbyane1ectromagnet,theuseofindependentMotionContro1Cardcontro1.Keywords:chess,robotarm,fivedegreesoffreedom,steppermotor,reducer目录1 .绪论11.1. 引言11.2.

9、国内外发展概况12 .q52.1. 电机种类的选择及传动方案的确定52.1.1. 驱动电机种类的选择52.1.2. 机械结构传动方案63.机械结构的设计73.1. 机器人手爪的设计73.1.1. 手指的设计73.1.2. 锥形块的设计及弹簧的选择73.1.3. 电磁铁的选择83.1.4. 手爪外壳尺寸设计83.2. 腕部的设计93.2.1. 腕部角度电机的选择93.2.2. 联轴器选用103.2.3. 连接轴5的设计123.2.4. 腕部垂直电机4的选用153.3. 肘部的设计213.3.1. 小臂的设计213.3.2. 肘部电机3的选择213.4. 肩部的设计263.4.1. 大臂的设计26

10、3.4.2. 肩部电机2的设计273.5. 底座的设计323.5.1. 肩板的设计323.5.2. 底座电机1的设计324口B71*334.1. 控制方案的总体设计334.2. 围棋软件334.3. 机械手的工作的流程344.4. 机械手的简介354.4.1. 机械臂的机构和传动系统354.5. 步进电机驱动部分364.5.1. 手腕角度步进电机5驱动器的选择374.5.2. 带谐波减速器的步进电机驱动器的选择374.6. 步进电机的制动384.7. 棋盘信号检测和反馈394.8. 运动控制卡的选用404.8.1. 运动控制卡型号415.结论426 .参考文献447 .致谢1 .绪论1.1.

11、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

12、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。(2) 2003年8月上海交通大学王

13、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、夏庭铭、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

14、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: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，

15、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。(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(GoRobot)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、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X-Y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