开题报告-下围棋机器人手臂设计.docx

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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：IOOO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35BYJo1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CN1O2198326A。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，I1IM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VBu1dyzhov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3361Q174X10172。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1196%）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