智能黑白棋機器人設計

三亞學院理工學院 汪 源 黃文敏

智能黑白棋機器人設計

三亞學院理工學院 汪 源 黃文敏

通過電子技術和機械裝置設計智能黑白棋機器人，機器人由電子棋盤模塊、機械臂控制裝置及計算機控制程序三部分組成。電子棋盤基于霍爾傳感器不受環境光線影響，能準確識別黑棋子和白棋子在棋盤上的位置及顏色；提供了實現棋子翻轉的解決方案，利用設計的機械臂控制裝置可以提高棋子翻轉及擺放的效率；計算機控制程序基于LabVIEW環境編寫，通過數據采集系統讀取霍爾傳感器信息來識別棋局，利用程序設計己方的走棋策略，并將走棋策略通過控制機械臂進行實施，保證系統整體正常運行。機器人可以實現自主識別棋局、智能走棋設計和自主棋子翻轉和擺放等功能，系統的設計、制作及維護的難度低，系統各部分運行穩定性較高。

人工智能；下棋機器人；霍爾傳感器；LabVIEW

1.引言

機器人（Robot）是自動執行工作的機器裝置，一般由執行機構、驅動裝置、檢測裝置和控制系統和復雜機械等組成。它既可以接受人類指揮，又可以運行預先編排的程序，也可以根據以人工智能技術制定的原則綱領行動。它的任務是協助或取代人類工作的工作。[1-2]而下棋機器人是機器人在棋類博弈中一種具體的應用，能像人類一樣，自主的完成下棋的整個過程。在現有技術中，下棋機器人通常采用攝像頭來獲取圖像，完成棋子識別，使用具有較多關節的機械臂傳動來完成棋子擺放，其不僅結構復雜，成本高而且需要占據很大的空間。[3-4]

現有大多數下棋機器人設計復雜，占用空間大，成本高昂，基于圖像識別棋子位置，易受環境光線亮度變化而影響識別的準確度，并且以現有的技術，還沒有能解決棋子翻轉的機械設計方案。本文通過選用霍爾傳感器來識別黑白棋子的位置及棋子顏色，提高了棋子識別的可靠性；提供了實現棋子翻轉的解決方案，利用設計的機械臂控制裝置可以提高棋子翻轉及擺放的效率；計算機控制程序基于LabVIEW環境編寫，通過數據采集系統讀取霍爾傳感器信息來識別棋局，利用程序設計己方的走棋策略，并將走棋策略通過控制機械臂進行實施，保證系統整體正常運行。

2.黑白棋游戲規則

黑白棋是19世紀末英國人發明的，每顆棋子由黑白兩色組成，一面白，一面黑，共64個；棋盤由8*8的正方格組成，共64格，下棋時棋子要落在格內，棋盤可分為“角”、“邊”以及“中腹”；正式的比賽中使用棋鐘對選手的時間進行限制。

黑白棋的下棋方法：（1）棋局開始時在棋盤正中有兩白兩黑四個棋子交叉放置；（2）黑方先行，雙方交替下棋；（3）一步合法的棋步包括：在一個空格新落下一個棋子，并且翻轉對手一個或多個棋子；（4）新落下的棋子與棋盤上已有的同色棋子間，對方被夾住的所有棋子都要翻轉過來，可以是橫著夾，豎著夾，或是斜著夾，夾住的位置上必須全部是對手的棋子，不能有空格；（5）一步棋可以在數個方向上翻棋，任何被夾住的棋子都必須被翻轉過來，棋手無權選擇不去翻某個棋子；（6）除非至少翻轉了對手的一個棋子，否則就不能落子，如果一方沒有合法棋步，也就是說不管下到哪里，都不能至少翻轉對手的一個棋子，那這一輪只能棄權，而由對手繼續落子直到有合法棋步可下；（7）如果一方至少有一步合法棋步可下，他就必須落子，不得棄權；（8）棋局持續下去，直到棋盤填滿或者雙方都無合法棋步可下；（9）當雙方都沒有棋子可以下時棋局結束，以棋子數目來計算勝負，棋子多的一方獲勝，在棋盤還沒有下滿時，如果一方的棋子已經被對方吃光，則棋局也結束，將對手棋子吃光的一方獲勝。

3.智能黑白棋機器人設計方法

黑白棋的規則與其他的棋類有很大的不同，黑白棋涉及到將對方棋子翻轉為己方棋子的動作，因此在機器人的機械動作方面有非常高的要求。根據黑白棋的下棋規則，設計智能黑白棋機器人由電子棋盤模塊、機械臂控制裝置及計算機控制程序三部分組成。其中電子棋盤模塊實現對棋子位置及顏色的識別，機械臂控制裝置實現棋子的高效率翻轉及擺放，計算機控制程序進行走棋策略的設計及控制機械裝置正常運行。

3.1 電子棋盤模塊

電子棋盤的設計目的是為了實現對棋子位置及顏色的識別，在黑白棋中，一枚棋子的兩面分別對應兩種顏色，一面是黑色，一面是白色，而棋盤則是8*8的方格。

具體的實施方案是：在每個棋子的內部安裝有磁鐵，磁鐵有兩級，分別為s極和n極，不同磁極對應棋子的不同顏色面。例如令s極對應棋子的白顏色面，那么n及就對應棋子的黑色面，當然也可以反過來定義。由于棋子中有磁鐵，當棋子被移動到某個位置后，該處的磁場就大大增強。在每個棋盤的格點處放置一個具有雙極性的霍爾元件[5]，從而構成8*8的霍爾元件陣列，這樣一來，每個棋格下面都有一個的霍爾元件，當棋格里有棋子時，該棋格處磁場會大大增強，且根據棋子朝上面的顏色不同，在棋子正下方的霍爾元件檢測到的磁場的極性不一樣，進而霍爾元件會輸出不同的電壓，通過檢測棋盤上每個霍爾元件的輸出電壓，就可以確定棋格上有沒有棋子，若有棋子時可以根據輸出電壓的不同來判斷棋子是黑面朝上還是白面朝上，從而實現棋子的位置識別及顏色識別的任務。棋盤的具體電路由驅動電路、霍爾元件陣列、電壓比較電路及信息處理電路四部分組成，如圖1所示。圖1中具體每個區域的功能劃分為A區為增加驅動能力的驅動電路，如圖2所示。B區為8*8的霍爾元件陣列，功能是根據棋格里有無棋子及棋子的顏色輸出不同的電壓，如圖3所示。C區主要完成電壓的比較功能，對B區霍爾元件輸出的電信號進行處理，通過電壓比較，將每個棋格的三種狀態（1沒有棋子，2有棋子且棋子黑面朝上，3有棋子且棋子白面朝上）分別處理成對應的“00，10，01”或“00，01，10”的數字信號對，如圖4所示。D區為電子棋盤的信息處理區，如圖5所示，該區有一定的計算能力，能完成對C區輸出信號的接收和進一步處理，并通過串行口，將最后處理的棋盤信息數據發送到計算機，方便計算機的進一步處理。

圖1 棋盤總電路圖

圖2 A區部分電路圖

圖3 B區部分電路圖

圖4 C區部分電路圖

圖5 D區電路圖

3.2 機械臂控制裝置

機械臂設計的目的是為了實現棋子的落子及翻轉，機械臂的整體效果圖如圖6所示，效果圖由CAD軟件繪制。為了方便描述，對各個軸向及關鍵部件進行了標注。從整體上看，是一個三軸運動控制平臺，各個軸向相互垂直，且每個軸向都由不同的步進電機來控制，實現在軸向上的直線運動。由于該平臺能實現在xyz三維空間上的運動，可以很輕松的將棋子投送到想要落子的棋格里。該機械臂的重點在于能實現棋子的翻轉，即能將棋盤上的棋子由原來的一面朝上翻轉成另一面朝上，而棋子所在的位置不變。為了實現此目的，在設計中采用了兩個Z軸，分別為Z1，Z2，Z1、Z2可以分別帶動兩個舵機實現上下直線運動，為了方便描述，兩舵機分別命名為D1、D2，如圖6所示。為了實現棋子的抓取，在D1、D2的支架上有分別放置電磁吸盤（棋子本身內部裝有磁鐵，電磁吸盤可以吸取帶有磁鐵的棋子）。在對棋子翻轉前，機械臂所處的狀態如圖所示，假設D1正下方就是待翻轉的棋子（這個假設很容易實現，只要通過X軸及Y軸的運動，就可使D1移動到要翻轉的棋子上方），實現翻轉過程的控制步驟為：（1）Z1軸步進電機帶動D1向下運動，使D1支架上的電磁吸盤貼近待翻轉的棋子，并使吸盤通電吸取棋子；（2）使D2的支架順時針旋轉90度；（3）Z1軸步進電機帶動D1向上運動一定距離，再使D1控制支架逆時針轉動90度；（4）Z1軸步進電機繼續帶動D1向上運動，直到使得D1、D2支架上的吸盤處于同一水平線上，效果圖如圖7所示，此時棋子就在兩吸盤中間；（5）D1帶吸盤斷電的同時D2所帶吸盤通電，將棋子從D1的吸盤交換到了D2的吸盤上；（6）Z2軸步進電機帶動D2向下運動一定距離，再使D2控制支架逆時針轉動90度，同時通過X軸和Y軸電機的調整，使得D2正下發就是要落子的位置；（7）Z2軸步進電機繼續帶動D2向下運動，直到D2所帶的吸盤上的棋子貼近棋盤，再使該吸盤斷電，將棋子落到棋盤上；（8）機械臂恢復原來開始的狀態。至此完成了棋子的落子及翻轉的全部過程。

圖6 機械臂整體效果圖

圖7 翻轉棋子機構細節放大圖

3.3 計算機控制程序

電腦程序主要通過對電子棋盤傳送的棋盤信息進行接收處理，以此來獲取棋盤上棋子的分布信息，進而通過算法，給出計算機下一步要行棋的位置，并將此信息傳送到機器臂的控制裝置，讓機械臂控制裝置來控制機械臂的具體操作來完成在棋盤上的行棋過程。在本次設計過程中，電腦程序的開發選用了LabVIEW圖形化計算機語言來開發。

4.結論

通過電子技術和機械裝置設計了智能黑白棋機器人，機器人由電子棋盤模塊、機械臂控制裝置及計算機控制程序三部分組成。電子棋盤基于霍爾傳感器不受環境光線影響，能準確識別黑棋子和白棋子在棋盤上的位置及顏色；提供了實現棋子翻轉的解決方案，利用設計的機械臂控制裝置可以提高棋子翻轉及擺放的效率；計算機控制程序基于LabVIEW環境編寫，通過數據采集系統讀取霍爾傳感器信息來識別棋局，利用程序設計己方的走棋策略，并將走棋策略通過控制機械臂進行實施，保證系統整體正常運行。機器人可以實現自主識別棋局、智能走棋設計和自主棋子翻轉和擺放等功能，系統的設計、制作及維護的難度低，系統各部分運行穩定性較高。

[1]譚民,王碩．機器人技術研究進展[J]．自動化學報,2013,39(7)：963-972．

[2]黃永安,熊蔡華,熊有倫．智能機器人與應用的現狀與發展趨勢[J]．國際學術動態,2009(4)：38-39．

[3]方園,趙姝穎,聞時光,田祥章,胡彬．人機博弈技術展示——下棋機器人[J]．機器人技術與應用,2013(2)：39-42．

[4]張韋唯,張永德．下棋機器人操作臂及手爪的計算機輔助設計[J]．哈爾濱理工大學學報,2005,10(3)：19-21．

[5]邱召運．雙霍爾元件組合模型設計與應用研究[J]．自動化儀表,2009,30(9)：10-13．

[6]CAD/CAM/CAE技術聯盟．AutoCAD 2014中文版從入門到精通[M]．北京：清華大學出版社,2014．

The paper designed intelligent robot through electronic technology and mechanical devices. The robot consists of three parts: the electronic board module, the manipulator control device and the computer control program. The electronic board is based on hall sensor, and not af f ected by ambient light, it can accurately identify the position and color of chess on the board. The paper provides a solution to the flip of the pieces, and the design of the manipulator can improve the efficiency of the turnover and placement of the pieces. The computer control program is based on LabVIEW environment, and the computer reads hall sensor information through data acquisition system to identify chess board. Using the program to design the strategy of the game, the strategy is to control the manipulator to ensure the normal operation of the system. Intelligent robot can realize autonomous recognition, smart moves turn design and independent pieces and put the function, such as the difficulty of system design, manufacture and maintenance of the low, system running stability of the parts is higher.

Artificial intelligence；chess robot；hall sensor；LabVIEW

2016年度國家級大學生創新創業訓練計劃項目（No：201613892119）資金資助。

汪源（1984—），男，安徽歙縣人，三亞學院理工學院院長助理，副教授，研究方向：電工電子技術、虛擬儀器技術。