摘 要

设计的目标是在已知对弈策略的条件下，设计抓取、移动、定位及释放棋子过程中的机器人操控策略和实现技术。主要工作如下：

（1）利用几何分析法建立对弈机器人的运动学模型，在此基础上，提出了在人机对弈中的机器人对棋子的操控策略，对机器人的对弈轨迹进行了规划。

（2）针对具有三旋转自由度的对弈机械臂，设计了对弈机器人三轴联动的同步控制策略。

（3）对弈机器人采用两级计算机控制，采用Arduino Mega2560与RAMPS1.4套件设计了对弈机器人底层控制器，上位机采用PC机；开发了两级控制器的控制程序，两级控制器通过串口通信，从而实现发送控制指令，下位机接收、解析并执行等功能。

(4) 基于机械臂平台开展实验，结果表明控制效果良好，达到预期效果。

关键词：象棋机器人；运动学模型；轨迹规划；步进电机；多轴同步控制

Abstract

The goal of the design is to design robot manipulation strategies and implementation techniques in the process of grasping, moving, positioning and releasing chess pieces under the conditions of known game strategies. The main work is as follows:

(1) The kinematic model of chess robot is established by geometric analysis. On this basis, the robot's manipulation strategy of chess is put forward, and the robot's chess path is planned.

(2) Aiming at the robot manipulator with three rotational degrees of freedom, the synchronous control strategy of three axis linkage of chess robot is designed.

(3) The two level computer control chess robot, using Arduino Mega2560 and RAMPS1.4 suite designed chess robot controller, the host computer adopts PC; The control program of the two level controller is developed, and the two level controller is communicated with the serial port to realize the sending control instruction, and the lower computer receives, parses and executes.

(4) The experiment is carried out on the robot arm platform, and the result shows that the control effect is good and the expected effect is achieved.

Key Words：Chess robot; Kinematics model; Trajectory planning; Stepping motor; Multi axis synchronous control

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 论文研究背景与研究对象 1

1.2 论文的国内外研究现状 1

1.3 论文工作的目的及意义 2

1.4 论文工作的主要研究内容 2

第2章 任务分析与控制策略 3

2.1 任务分析 3

2.2 控制策略 3

第3章 对弈机械手的结构及其运动控制 5

3.1 机械手的结构 5

3.2 机械手臂的运动学分析 6

3.2.1 正运动学模型 6

3.2.2 逆运动学模型 7

3.3 机械手的运动控制 8

第4章 对弈机械手控制程序设计 10

4.1 程序原理、作用与组成 10

4.2 下位机程序设计 11

4.2.1 下位机程序流程图 11

4.2.2 控制指令设计 11

4.2.3 运动学反解 13

4.2.4 棋子操控程序 14

4.3 上位机程序设计 16

4.3.1 上位机程序流程图 16

4.3.2 串口参数设置与打开 16

4.3.3 械臂初始化命令 17

4.3.4 对弈策略输入与解析 17

4.3.5 对弈指令合成与发送 17

4.3.6 反馈信息接收 18

第5章 样机与实验 19

5.1 实验样机 19

5.1.1 机械臂 19

5.1.2 控制单元 20

5.1.3 棋盘与棋子 20

5.2 实验设计 21

5.3 实验过程、结果与分析 21

第6章 全文总结与展望 30

6.1 全文总结 30

6.2 未来展望 31

参考文献 32

致 谢 33

第1章 绪论

1.1 论文研究背景与研究对象

当今世界，科技以前所未有的速度快速发展。可以预见，未来将是更加智能的时代。事实上，在过去几年里，人工智能的进展有目共睹，2016年甚至被称为人工智能元年。2017年初，创新工场创始人、人工智能著名学者李开复先生宣布成立人工智能研究院，并发布人工智能战略白皮书。文中称，未来五到十年，家庭机器人将会得到普及^[1]。

我国在2015年便发布了《中国制造2025》，其中机器人发展规划便已在其中。据工信部统计，我国2016年机器人产量已达7.24万台，而且每年都在大量进口国外的机器人。今年年初，美的集团宣布完成德国库卡机器人的收购，由此可见中国制造业对于机器人的迫切需要和急切追求。智能机器人是机器人技术发展的终极目标，机器人将无处不在、无人不用，机器人时代即将到来^[2]。在这样的时代背景下，对于机器人的研究，特别是对智能机器人的研究应受到高度重视。

论文主要针对服务机器人中的象棋机器人的控制策略进行研究，希望能为未来机器人走进千家万户做出贡献。具体来说，希望开发一种低成本、人机友好的控制方式，用于人机象棋对弈。在设计中，计划对象棋机器人在现实世界中的行为建立相应实现方法，准确实现对棋子的操作，促进象棋机器人的研究，同时也希望为象棋机器人操控策略的研究抛砖引玉。

1.2 论文的国内外研究现状