圍棋機器人機械臂設計研究

摘 要：針對當前圍棋機器人機械臂體積大、精度低和成本高的問題，設計出一種雙臂平行水平布置的機器人。首先詳細介紹機器人的整體結構，然后對機械臂結構形式、大臂和小臂長度及末端執行器吸盤直徑進行分析和計算，最后給出電機選型依據和結果。該款圍棋機器人機械臂在定位精度、轉速和穩定性方面表現優異，有效提升了人機對弈體驗，并推動了圍棋機器人的商業化應用。

關鍵詞：圍棋機器人；機械臂；驅動系統；運動特性

中圖分類號：TP242.3" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）07-0040-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.07.010

0" " 引言

圍棋作為我國傳統文化瑰寶，擁有深厚的歷史底蘊和廣泛的群眾基礎，在兒童與老年群體中圍棋愛好者尤為眾多。然而，隨著社會老齡化加劇，許多老年圍棋愛好者面臨著缺乏對弈伙伴的困境[1]。盡管電子設備提供了線上對弈途徑，但脫離真實棋盤的虛擬環境嚴重削弱了對弈體驗和學習效果，且電子顯示屏對視力有潛在影響，加上老年人在操作電子產品時存在不便，這就進一步凸顯了開發新型圍棋對弈工具的必要性。

近年來，圍棋機器人的研究雖取得一定進展，部分產品借助工業機械臂實現了人機對弈功能，但普遍存在體積龐大、成本高昂等問題，難以滿足市場的多元化需求[2-4]。在此背景下，本研究聚焦于設計一款高精度、低成本且用戶體驗良好的圍棋機器人機械臂，旨在填補市場空白，推動圍棋文化的傳承與發展。

1" " 圍棋機器人機械臂結構設計

1.1" " 圍棋機器人整體結構

圍棋機器人的機械臂模仿人類對弈動作，在軟硬件系統的控制下，能夠實現空間轉動、落子、取子等動作，自主完成整盤棋局的對弈。設計的圍棋機器人機械臂整體結構方案如圖1所示。

圍棋機器人機械臂主要由固定基座、大臂桿組件、小臂桿組件、末端執行器和棋盤五部分組成。大臂桿組件由大臂桿外殼、大臂桿支撐桿和大臂驅動電機組成，由于大臂桿承受整個臂體的重量且重量相對較大，故大臂支撐桿設計成鋁合金材質，大臂外殼是PC材質。大臂驅動電機一端固定在大臂支撐件的端部用來驅動整個大臂的轉動，另一端通過大臂驅動電機支架固定在基座上，這樣可有效減小整個機械臂的轉動慣量。小臂桿組件的一端通過軸承與大臂桿組件固定連接，且在固定連接處固定有小臂桿驅動電機，用來驅動小臂桿的轉動；另一端固定有末端執行器，小臂桿內部固定有能夠帶動末端執行器上吸嘴升降的電機。由于小臂桿組件上的零部件重量相對較輕，故小臂桿組件的外殼采用PC材質，以減輕其重量和小臂的轉動慣量。機械臂位于棋盤上方，與棋盤邊緣保持適當距離，大臂和小臂關節水平布置，使得機械臂結構緊湊、操作靈活，工作空間得以最大化利用，同時便于收納和轉運。

1.2" " 機械臂長度搭配方案分析

為實現機械臂在棋盤范圍內的高效取落子操作，確定機械臂與棋盤的相對位置關系至關重要。通過三維軟件模擬大臂和小臂的運動過程，綜合考慮末端執行器的抓取動作和運動干涉因素，確定大臂轉動中心點與棋盤邊緣豎直距離為98 mm，并將棋盤中心點與大臂轉動中心點在豎直方向上對齊，使底座位于棋盤中線。

在此基礎上，進一步分析大臂和小臂長度關系。對比不同長度組合方案發現，當大臂長度大于小臂長度時（如L大＞L小），雖存在一定的遍歷盲區，但可將主要工作區域置于棋盤外，且大臂靠近機架，結構剛度和受力性能更優；而當大臂長度小于小臂長度時（如L大＜L小），雖遍歷范圍較大，但受力狀況不佳。因此，綜合考慮選擇前者作為設計方案。

1.3" " 機械臂臂桿長度設計

根據上述已知機械臂大臂轉動中心點與圍棋棋盤邊緣在豎直方向的距離和大臂的長度L大要大于小臂的長度L小兩方面信息，確定大臂和小臂的具體長度，使得機械臂臂桿的伸展范圍足夠達到棋盤上的最遠點，末端執行器能夠遍歷棋盤和棋盒上的所有點。

對于19×19標準棋盤，經過測量得出整個棋盤的總長度和總寬度分別為484、464 mm，其中有效棋盤（整個棋盤除去四周邊框區域）長度和寬度分別為435、420 mm。所有棋格是平均分布的，單個棋格長度和寬度分別為24.2、23.3 mm。最終確定機械臂相對于棋盤的位置如圖3所示。

根據圖3中的棋盤最大外形尺寸L1、H1和機械臂相對棋盤的位置尺寸H2，由于機械臂的末端吸嘴要遍歷棋盤上的所有點，故可以求出棋盤最遠點A相對于大臂轉動中心的距離L：

經計算，機械臂所能達到的最長距離須大于等于626.5 mm，大臂的長度L大和小臂的長度L小之和須大于等于626.5 mm，即L大+L小≥626.5 mm。

同時，為優化整體重量分布，不但使大臂承擔主要質量，而且使臂桿的總長度最小，則最優解為小臂在棋盤最近點的位置與大臂重合，此時大臂與小臂長度差等于98 mm，即L大-L小=98 mm。

當L大+L小=626.5 mm，且L大-L小=98 mm時，臂體滿足功能需求且質量最小，計算可得L大=362.25 mm，L小=264.25 mm。這兩個長度均為大臂、小臂旋轉中心軸之間的距離，能夠確保末端執行器遍歷棋盤及棋盒所有位置，實現精準操作。

1.4" " 機械臂末端執行器設計

穩定抓取棋子是圍棋機器人正常運行的關鍵環節，而末端執行器的設計直接影響其性能。市面上常見的抓取方式包括夾取式、磁吸式和吸盤式[5-7]，其中吸盤式憑借負壓真空泵產生吸力，結構簡單，且能夠兼容市場上絕大多數的圍棋棋子，故末端執行器選擇吸盤式，用于吸放棋子。

常規的塑料圍棋棋子重量約2.5 g，直徑大約22 mm。對于圍棋機器人的末端執行器而言，吸嘴的直徑與結構設計起著至關重要的作用。合適的吸嘴直徑與精巧的結構，不僅能夠確保在取子操作過程中穩穩地吸附住棋子，使其在移動過程中不會輕易脫落，而且還能顯著提升取子的成功率，優化整個對弈流程的效率。

在確定吸嘴直徑的最優值時，需要遵循一個重要的原則，就是在保證能夠成功吸起圍棋棋子的基本前提之下，盡可能選擇最小的直徑。這是因為較小的吸嘴直徑有助于減少不必要的空氣阻力和能量損耗，同時也能使末端執行器的結構更加緊湊和靈活，在執行取放子動作時能夠更加迅速和精準地定位。

真空吸盤盤徑大小D為：

式中：D為吸盤直徑（mm）；P為真空度，選型的真空泵P=-90 kPa；W為吸附力（N）；n為參與工作的吸盤數量；f為安全系數，被吸物水平懸掛時，安全系數f≥4。

最終計算得吸盤直徑的最小值為16 mm。

2" " 機械臂驅動電機選型

機械臂共有3個驅動電機，分別是驅動整個臂體（大臂桿組件和小臂桿組件）的大臂驅動電機、驅動小臂桿組件的小臂驅動電機和能夠使得吸嘴垂直方向升降的提升電機。

電機選型要結合整機性能參數的要求，整機對機械臂的性能參數要求有：1）絕對定位精度≤1 mm；2）重復定位精度≤0.5 mm；3）臂體轉動速度≥150（°）/s；4）棋子被吸附后，轉動過程中不掉落；5）末端垂直高度的穩定性≤1 mm；6）坐在棋盤對面，距離主機50 cm處，噪聲小于30 dB。經過深入分析與篩選，最終選定直流無刷外轉子電機作為大臂桿組件和小臂桿組件的驅動電機。此類電機集成化程度頗高，在有限空間內高度整合了多種功能組件，極大地提升了系統的緊湊性與穩定性；同時，它擁有強大的輸出扭矩，能夠為大臂和小臂的運動提供充足且強勁的動力支持；此外，該電機巧妙地設計有中心孔，這種結構為布線工作帶來了極大的便利。對于吸嘴提升電機的選擇，鑒于其工作特性，即提升速度相對較低，且在提升過程中所需的力矩也較小，最終選用了步進電機。

選型的3款電機參數如表1所示。

3" " 結束語

本研究通過系統的結構設計、科學的臂長優化、合理的末端執行器和驅動電機選型，成功研制出一款性能優異、成本可控的圍棋機器人機械臂。在定位精度、運動速度和穩定性等關鍵性能方面，該機械臂達到了預期目標，有效彌補了現有產品的不足。其良好的用戶交互體驗為圍棋愛好者提供了更加真實、便捷的對弈環境，有力地推動了圍棋機器人在市場中的應用與普及。

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收稿日期：2024-12-31

作者簡介：李明會（1988—），男，安徽阜陽人，碩士研究生，機械工程師，主要從事機器人設計開發工作。