一种象棋机器人的制作方法

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种象棋机器人。

背景技术：

现市场上暂无中国象棋机器人的产品，多为围棋和五子棋等仅双色的棋类。现市场上棋类机器人产品多采用已经上市的机械臂，或者龙门架等动作执行系统，需要对设备进行维护设计，降低用户体验满意度。现市场上的能精准识别棋子并完成下棋过程的设备过于昂贵，而价位较低的产品，很大机率无法完整完成一盘棋的对弈。智能棋盘多采用电子棋盘感知位置坐标的方式，其感知的位置坐标点是一个固定死的坐标点，从而导致棋子真实坐标位置与棋盘得出的坐标位置存在较大偏差，容易导致机械臂拿棋不正或者无法准确拿棋。现市场上的棋类机器的拿棋动作机构多为真空吸的形式，而真空吸要求补吸棋子表面必须光滑，并且需要真空吸盘尽量在棋子中心，从而导致机械臂的运动极需精准，并且能够精准识别棋子的真实位置。但是中国象棋经典棋子表面是凹凸不平，所以无法采用真空吸的形式。现棋类机器人吃棋过程仅由单个执行工具端组成，完成完整的吃棋过程需要机械臂重复两次动作，从而增加机器人下棋所需时间，降低客户体验。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本专利申请所要解决的技术问题是：如何提供一种能够更好的陪护和训练象棋爱好者，精确识别棋子位置，取棋和吃棋动作稳定，用户体验度高，成本低的象棋机器人。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种象棋机器人，包括棋盘座、机械臂和视觉组件；所述棋盘座包括棋盘座支架，所述棋盘座支架上表面设置有棋盘区域和棋子存放区，所述棋盘座支架一侧设置有操作屏、急停按钮以及下棋确认键，所述棋盘座支架内设置有电控系统，所述操作屏、急停按钮以及下棋确认键均与所述电控系统电连接设置；所述视觉组件包括摄像头和摄像头支架，所述摄像头支架下端固定安装在所述棋盘座支架上，所述摄像头支架上端固定安装有所述摄像头，所述摄像头的摄像采集端正对所述棋盘区域设置，所述摄像头与所述电控系统电连接设置；所述机械臂包括小臂骨架、大臂骨架、工具端组件和机械臂支架组件，所述机械臂支架组件固定安装在所述棋盘座支架上，所述机械臂支架组件上设置有用于带动大臂骨架转动的第一动力机构，所述大臂骨架上设置有用于带动所述小臂骨架转动的第二动力机构，所述小臂骨架的自由端固定安装有工具端组件。

本技术方案中，用户通过使用操作屏，棋盘座内设置的电控系统获得信号，启动摄像头对棋盘区域进行拍照获取图像并上传至电控系统，由电控系统对图像进行分析，并上传至服务器，再从服务器利用强化学习后得出数据，再把数据返回至电控系统，由电控系统得出机械臂的运动参数与指令下达第一动力机构和第二动力机构，使得机械臂带动工具端组件进行运动，利用工具端组件进行取棋或吃棋动作。

具体的，本机器人的机械臂借故偶和工作端组件的结构简化，使得机械臂轴数减少，控制部件个数降低，从而降低了成本。采用视觉技术来确认棋子的位置，即使人为摆偏了棋子或摆乱了棋子扔可通过视觉或机器学习技术来确认某个棋子在某个位置，提高了智能化程度。

进一步的，利用摄像头对棋盘区域拍照，利用机器学习识别棋子的颜色和种类，并得出棋子的位置点。

进一步的，所述工具端组件包括工具端支架、法兰铜套、主导轨滑杆和电磁铁；所述工具端支架固定安装在所述小臂骨架上，所述工具端支架下端与所述法兰铜套固定连接，所述法兰铜套内上下滑动配合有两个主导轨滑杆，所述主导轨滑杆上端固定安装有限位板，所述限位板与所述法兰铜套下端通过复位机构连接设置，所述法兰铜套下端设置有允许所述主导轨滑杆穿过的穿孔，所述主导轨滑杆下端通过辅助机构与所述电磁铁固定连接设置；所述工具端支架内还设置有用于带动所述限位板沿竖直方向运动的滑杆运动机构。

这样，在进行取棋时，滑杆运动机构带动主导轨滑杆沿竖直方向向下滑动，通过辅助机构带动电磁铁与棋子接触，本专利申请中，棋子由磁铁材料制得或棋子上安装有磁铁，电磁铁通电，电磁铁与棋子的磁性相吸引，电磁铁与棋子吸合，然后复位机构带动主导轨滑杆复位，带动棋子向上运动，实现取棋。当需要放棋时，滑杆运动机构带动主导轨滑杆沿竖直方向向下滑动，电磁铁电压方向反向接通，则电磁铁磁性与棋子的磁性相排斥，实现放棋动作。同理，在进行吃棋时，其中一个主滑杆导轨向下滑动将主吃棋的棋子吸合并复位，机械臂带动工具端组件运动至待吃棋位置，另一个主滑杆导轨向下滑动将被吃棋的棋子吸合并复位，之后机械臂动作，使得主吃棋的棋子运动至被吃棋的棋子的位置，然后进行放棋操作，完成吃棋。利用电磁铁对棋子进行取放，克服了真空吸合不能吸附表面不光滑棋子的缺点。工具端组件，利用一个滑杆运动机构驱动两个主导轨滑杆运动，即可以实现两个电磁铁的分别动作，减少机械臂在吃棋过程中重复运动两次，即电磁铁吃棋过程需要先把被吃棋取出，再把主吃棋放置在被吃棋的位置上。

进一步的，所述滑杆运动机构包括固定安装在所述工具端支架内的数字舵机，所述数字舵机转动连接有舵机摆臂，所述舵机摆臂的自由端转动安装有凸轮轴承；初始状态时，所述凸轮轴承正对设置在两个所述限位板之间且位于所述限位板上方或与所述限位板接触。

这样，数字舵机动作，带动舵机摆臂转动，利用舵机摆臂上设置的凸轮轴承对限位板进行压动，实现主导轨滑杆的动作，使用方便。

进一步的，所述复位机构包括竖向套接在所述主导轨滑杆外侧的主弹簧，所述主弹簧下端位于所述法兰铜套内，上端与所述限位板接触。

这样，主弹簧复位，带动主导轨滑杆向上运动，实现取棋以及吃棋动作，方便下一次使用，节省一个支臂，降低成本。

进一步的，所述辅助机构包括副弹簧、副导轨滑杆和限位杆，所述主导轨滑杆内设置有盲孔，所述盲孔开口向下设置，所述副弹簧上端与所述盲孔上端固定连接，所述副弹簧下端与所述限位杆上端固定连接，所述限位杆位于所述盲孔内，所述限位杆下端与所述副导轨滑杆上端固定连接，所述副导轨滑杆与所述盲孔滑动配合，所述副导轨滑杆下端与所述电磁铁固定连接。

这样，在进行取棋或者吃棋操作时，副弹簧处于在电磁铁与副导轨滑杆的重力作用下的自然状态，在数字舵机动作时，其未动作至标准位置，电磁铁即与棋子接触，在数字舵机继续动作，副弹簧压缩，使得电磁铁与棋子充分接触，更好的进行吸合。最重要的是，数字舵机会出现转动误差，导致电磁铁与棋子之间存在间隙，避免主弹簧被压缩至最大量，电磁铁与棋子还无法吸合，设置有副弹簧，可以弥补因为数字舵机转动出现的误差，弥补间隙，提高吸合率。

进一步的，所述电磁铁呈与棋子直径匹配的圆柱状。

这样，电磁铁与棋子在吸附时，可以实现定心，对棋子位置进行纠正。

进一步的，所述第一动力机构包括固定安装在所述机械臂支架组件上的第一步进电机，所述第一步进电机通过第一谐波减速器与大臂骨架一端固定连接设置。

这样，第一步进电机动作，通过第一谐波减速器进行调整转速，带动大臂骨架转动。

进一步的，所述第二动力机构包括固定安装在所述大臂骨架一端的第二步进电机，所述第二步进电机的输出轴竖向向下设置且位于所述大臂骨架内，所述大臂骨架另一端固定安装有第二谐波减速器，所述第二谐波减速器的输出端与所述小臂骨架一端固定连接设置；所述第二步进电机与所述第二谐波减速器之间通过传动机构传动连接。

这样，第二步进电机动作，通过传动机构以及第二谐波减速器带动小臂骨架转动。

进一步的，所述传动机构包括设置在所述大臂骨架内部的锥齿轮传动机构或链轮链条传动机构。

这样，锥齿轮传动机构或链轮链条传动机构可以更好的对动力进行传递。

进一步的，所述机械臂支架组件上设置有支耳，所述支耳上贯穿设置有穿孔，所述摄像头支架下端固定安装在所述支耳内。

这样，方便对摄像头支架进行安装。

本专利申请具有以下有益效果：

1.填补中国象棋机器人的市场空白。

2.价格成本合理：机器人核心部件成本低和数量少，机械臂仅由2闭环步进电机(相对市面上成熟机械臂采用的伺服电机，其价格较低)、2个谐波减速器，以及末端的1个数字舵机)；摄像头侧采用数百元内的普通摄像头，相较于工业级别摄像头，价位降低一个量级；采用电磁吸铁原理来实现抓取棋子，替换采用真实吸的方式，减少真空泵或真空发生器等设备。即可降低设备成本，又能减少产品的体积和噪音。

3.动作执行精准:机械臂重复定位可在±0.1mm内,视觉定位精度可在±3mm内。因此下棋过程中人为摆偏棋子，机器人仍可精准识别定位，完成对弈过程。

4.产品功能丰富：具有人机对战、机机对战、机器复盘、机器摆棋等等多种功能。

5.吃棋过程时间减少：本产品的机械臂工具端具有一个驱动源驱动的2个执行端。使机器臂一个运行动作就能完成一个完整的吃棋过程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图及实施例对本发明进一步说明，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图：

图1为本象棋机器人的整体结构示意图；

图2为图1中视觉组件的结构放大示意图；

图3为图1中机械臂与视觉组件的结构放大示意图；

图4为图1中棋盘座的结构放大示意图；

图5为图1中工具端组件的结构放大示意图；

图6为图5的剖视图；

图7为工具端组件的数字舵机处于原始位置的结构示意图；

图8为工具端组件的数字舵机处于工作位置，主弹簧压缩最大量的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明的部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照图1-8，一种象棋机器人，包括棋盘座3、机械臂2和视觉组件1；所述棋盘座3包括棋盘座支架34，所述棋盘座支架34上表面设置有棋盘区域35和棋子存放区36，所述棋盘座支架34一侧设置有操作屏32、急停按钮31以及下棋确认键33，所述棋盘座支架34内设置有电控系统，所述操作屏32、急停按钮31以及下棋确认键33均与所述电控系统电连接设置；所述视觉组件1包括摄像头11和摄像头支架12，所述摄像头支架12下端固定安装在所述棋盘座支架34上，所述摄像头支架12上端固定安装有所述摄像头11，所述摄像头11的摄像采集端正对所述棋盘区域35设置，所述摄像头11与所述电控系统电连接设置；所述机械臂2包括小臂骨架22、大臂骨架24、工具端组件21和机械臂支架组件28，所述机械臂支架组件28固定安装在所述棋盘座支架34上，所述机械臂支架组件28上设置有用于带动大臂骨架24转动的第一动力机构，所述大臂骨架24上设置有用于带动所述小臂骨架22转动的第二动力机构，所述小臂骨架22的自由端固定安装有工具端组件21。

本技术方案中，用户通过使用操作屏，棋盘座内设置的电控系统获得信号，启动摄像头对棋盘区域进行拍照获取图像并上传至电控系统，由电控系统对图像进行分析，并上传至服务器，再从服务器利用强化学习后得出数据，再把数据返回至电控系统，由电控系统得出机械臂的运动参数与指令下达第一动力机构和第二动力机构，使得机械臂带动工具端组件进行运动，利用工具端组件进行取棋或吃棋动作。

具体的，用户通过使用操作屏，棋盘座内设置的电控系统获得信号，启动摄像头对棋盘区域进行拍照获取图像并上传至工控电脑主机，工控机运行linux实时系统以及gros机器人控制系统，工控机利用深度学习进行cnn分类训练和测试，并且计算出网络模型，进而通过模型和图片匹配认识棋子，识别出棋子的颜色和棋子的字体，进而确定当前象棋棋面的状态，在与上一次棋面状态对比，推断出当期象棋的变化情况，并通过https网络上传至服务器，服务器利用alphagozero算法巧妙的结合使用mcts搜索树和神经网络一起，通过mcts搜索树优化神经网络参数，反过来又通过优化的神经网络指导mcts搜索。两者一主一辅，解决了象棋策略的获取，再通过https网络回传象棋决策数据到象棋机器人的工控机，工控机得到决策数据后进行机器人的运动学处理，其包括运动学正逆解算法、多传感器融合算法、路径规划算法、运动控制算法，外部io驱动控制算法，最终得出机械臂下达第一动力机构和第二动力机构需要转动的参数，其包括马达转动的速度、角度、加减速度、时间、启停速度、起跳速度等参数，通过can现场总线技术按照机械臂第一动力机构和第二动力机构需要转动的参数实时控制象棋机器人第一动力机构和第二动力机构，进而配合利用工具端组件控制机械臂按照下棋策略完成下棋动作。进一步的，机器人的电控系统属于现有技术，不再具体描述。

具体的，本机器人的机械臂借故偶和工作端组件的结构简化，使得机械臂轴数减少，控制部件个数降低，从而降低了成本。采用视觉技术来确认棋子的位置，即使人为摆偏了棋子或摆乱了棋子扔可通过视觉或机器学习技术来确认某个棋子在某个位置，提高了智能化程度。

进一步的，利用摄像头对棋盘区域拍照，利用机器学习识别棋子的颜色和种类，并得出棋子的位置点。

进一步的，所述工具端组件21包括工具端支架2101、法兰铜套2105、主导轨滑杆2106和电磁铁2111；所述工具端支架2101固定安装在所述小臂骨架22上，所述工具端支架2101下端与所述法兰铜套2105固定连接，所述法兰铜套2105内上下滑动配合有两个主导轨滑杆2106，所述主导轨滑杆2106上端固定安装有限位板，所述限位板与所述法兰铜套2105下端通过复位机构连接设置，所述法兰铜套2105下端设置有允许所述主导轨滑杆2106穿过的穿孔，所述主导轨滑杆2106下端通过辅助机构与所述电磁铁2111固定连接设置；所述工具端支架2101内还设置有用于带动所述限位板沿竖直方向运动的滑杆运动机构。

这样，在进行取棋时，滑杆运动机构带动主导轨滑杆沿竖直方向向下滑动，通过辅助机构带动电磁铁与棋子接触，本专利申请中，棋子由磁铁材料制得或棋子上安装有磁铁，电磁铁通电，电磁铁与棋子的磁性相吸引，电磁铁与棋子吸合，然后复位机构带动主导轨滑杆复位，带动棋子向上运动，实现取棋。当需要放棋时，滑杆运动机构带动主导轨滑杆沿竖直方向向下滑动，电磁铁电压方向反向接通，则电磁铁磁性与棋子的磁性相排斥，实现放棋动作。同理，在进行吃棋时，其中一个主滑杆导轨向下滑动将主吃棋的棋子吸合并复位，机械臂带动工具端组件运动至待吃棋位置，另一个主滑杆导轨向下滑动将被吃棋的棋子吸合并复位，之后机械臂动作，使得主吃棋的棋子运动至被吃棋的棋子的位置，然后进行放棋操作，完成吃棋。利用电磁铁对棋子进行取放，克服了真空吸合不能吸附表面不光滑棋子的缺点。工具端组件，利用一个滑杆运动机构驱动两个主导轨滑杆运动，即可以实现两个电磁铁的分别动作，减少机械臂在吃棋过程中重复运动两次，即电磁铁吃棋过程需要先把被吃棋取出，再把主吃棋放置在被吃棋的位置上。

进一步的，所述滑杆运动机构包括固定安装在所述工具端支架2101内的数字舵机2102，所述数字舵机2102转动连接有舵机摆臂2103，所述舵机摆臂2103的自由端转动安装有凸轮轴承2104；初始状态时，所述凸轮轴承2104正对设置在两个所述限位板之间且位于所述限位板上方或与所述限位板接触。

这样，数字舵机动作，带动舵机摆臂转动，利用舵机摆臂上设置的凸轮轴承对限位板进行压动，实现主导轨滑杆的动作，使用方便。

进一步的，所述复位机构包括竖向套接在所述主导轨滑杆2106外侧的主弹簧2110，所述主弹簧2110下端位于所述法兰铜套2105内，上端与所述限位板接触。

这样，主弹簧复位，带动主导轨滑杆向上运动，实现取棋以及吃棋动作，方便下一次使用，节省一个支臂，降低成本。

进一步的，所述辅助机构包括副弹簧2109、副导轨滑杆2107和限位杆2108，所述主导轨滑杆2106内设置有盲孔，所述盲孔开口向下设置，所述副弹簧2109上端与所述盲孔上端固定连接，所述副弹簧2109下端与所述限位杆2108上端固定连接，所述限位杆2108位于所述盲孔内，所述限位杆2108下端与所述副导轨滑杆2107上端固定连接，所述副导轨滑杆2107与所述盲孔滑动配合，所述副导轨滑杆2107下端与所述电磁铁2111固定连接。

这样，在进行取棋或者吃棋操作时，副弹簧处于在电磁铁与副导轨滑杆的重力作用下的自然状态，在数字舵机动作时，其未动作至标准位置，电磁铁即与棋子接触，在数字舵机继续动作，副弹簧压缩，使得电磁铁与棋子充分接触，更好的进行吸合。最重要的是，数字舵机会出现转动误差，导致电磁铁与棋子之间存在间隙，避免主弹簧被压缩至最大量，电磁铁与棋子还无法吸合，设置有副弹簧，可以弥补因为数字舵机转动出现的误差，弥补间隙，提高吸合率。

进一步的，所述电磁铁2111呈与棋子直径匹配的圆柱状。

这样，电磁铁与棋子在吸附时，可以实现定心，对棋子位置进行纠正。

进一步的，所述第一动力机构包括固定安装在所述机械臂支架组件28上的第一步进电机27，所述第一步进电机27通过第一谐波减速器26与大臂骨架24一端固定连接设置。

这样，第一步进电机动作，通过第一谐波减速器进行调整转速，带动大臂骨架转动。

进一步的，所述第二动力机构包括固定安装在所述大臂骨架24一端的第二步进电机25，所述第二步进电机25的输出轴竖向向下设置且位于所述大臂骨架24内，所述大臂骨架24另一端固定安装有第二谐波减速器23，所述第二谐波减速器23的输出端与所述小臂骨架22一端固定连接设置；所述第二步进电机25与所述第二谐波减速器23之间通过传动机构传动连接。

这样，第二步进电机动作，通过传动机构以及第二谐波减速器带动小臂骨架转动。

进一步的，所述传动机构包括设置在所述大臂骨架内部的锥齿轮传动机构或链轮链条传动机构。

这样，锥齿轮传动机构或链轮链条传动机构可以更好的对动力进行传递。

进一步的，所述机械臂支架组件28上设置有支耳，所述支耳上贯穿设置有穿孔，所述摄像头支架12下端固定安装在所述支耳内。

这样，方便对摄像头支架进行安装。

工作原理：用户通过使用操作屏，棋盘座内设置的电控系统获得信号，启动摄像头对棋盘区域进行拍照获取图像并上传至电控系统，由电控系统对图像进行分析，并上传至服务器，再从服务器利用强化学习后得出数据，再把数据返回至电控系统，由电控系统得出机械臂的运动参数与指令下达第一动力机构和第二动力机构，使得机械臂带动工具端组件进行运动，利用工具端组件进行取棋或吃棋动作。

具体的，本专利申请中的电气元件与电控系统电连接设置。具有连接方式为现有技术，不再重复阐述。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。