【论文】MOTOMAN机器人双机协调下棋系统设计

器人双机协调下棋系统设计 摘 要 随着工业化的飞速发展，机器人成为了替代人类手工的首要选择，承担了大部分的繁重工作，由其是在恶劣的，常人无法忍受的工作环境下。并且它们的工作质量远远高于人类。在这种在大环境下，对于机器人的研究已经成为了一个热门的话题。 本文主要研究了日本安川 器人双机协调下棋系统。 利用 +语言完成控制程序的编写，并在 上模拟人机做战过程。本实验中，两台 器人与计算机之间采用的是网口通信，采用这种通信方式，可以形成一个小的局域网络，通过计算机发送信号给两台机器人。在棋盘重绘过程中，提取人机双方棋子移动坐标，使机器人能够根据人的棋子移动和计算机博弈算法产生的象棋移动结果实现象棋的正确移动，并对机器人的各种运动位置进行了校正，整个控制程序可以满足下象棋的控制需求，这些工作为进一步进行双机器人实现人- 人对战奠定了基础，并为双机器人协调运动的要操作通信方式提供了一个较新颖的思路。 关键词：器人，象棋，程序，网口通讯 器人双机协调下棋系统设计 of to of in a or an to on a on by I + on In I to A is up a to to is is In of to in of So of by by on a a on of a 器人双机协调下棋系统设计 目 录 第一章 前言 1 题背景 1 内外多机器人协调系统的发展概况 1 操作概况 4 文研究内容、方案及步骤 5 第二章 双机器人协调下棋系统的构建 6 器人的硬件结构 6 器人的软件结构 9 机器人协调系统的构建 10 机器人中的真、假协调 10 件 I/O 平台的构建 10 件系统设计 12 章小结 13 第三章 通讯模块程序设计14 口通讯模式设计 14 讯模块程序 14 讯程序介绍 14 讯模块程序的运行 16 序流程图 18 章小结 18 第四章 对弈模块程序设计20 弈程序介绍 20 弈过程中相关判断程序介绍 21 索算法的设计 21 子坐标的提取和转换 22 器人双机协调下棋系统设计 棋和吃棋的判断 23 棋过程设计 24 章小结 26 第五章 示教程序调试 27 教程序设计 27 棋程序设计 27 棋程序设计 28 序名含义清单 28 子坐标表示 29 章小结 30 第六章 实验结果 31 操作通讯部分 31 讯部分实验 31 讯部分实验结果 32 体部分 32 体实验 32 体实验结果 33 章小结 34 第七章 结论和展望 35 论 35 术经济分析报告 35 术可行性分析 37 济优越性报告 37 进一步研究的展望 38 参考文献 39 致谢 40 附录 1 41 器人双机协调下棋系统设计 附录 248 声明50 器人双机协调下棋系统设计 第一章 前言 题背景 自从 20 世纪 50 年代第一台工业机器人面世以来，随着计算机、通信、电子、传感、控制等技术以及人工智能的飞速发展，集多种先进技术为一体的机器人技术在需求的牵引下已经得到了很大的发展。为了使机器人更好地服务于人类和社会，在目前的机器人技术水平下，通过采用多个机器人相互协作来弥补个体能力的不足是一个很好的思路。多机器人系统已受到国内外研究机构和产业界的重视。多机器人系统在工业、军事、航空航天、医学、运输、服务行业等领域具有非常广阔的应用前景。多机器人系统的应用必将带来巨大的经济效益和社会效益。 在研究和应用双重需求的推动下，多机器人系统、多机器人协调协作的研究已经成为机器人学研究中的一个充满省略、具有良好应用前景的研究方向。针对多机器人系统结构、多机器人协调协作等基础理论开展研究是一项具有重要的理论和现实意义的、充满挑战性的工作1。 多机器人协作系统有着广泛的应用背景，它与自动化向非制造领域的扩展有着密切的联系，由于应用环境转向非结构化，多移动机器人系统应能适应任务的变化以及环境的不确定性，必须具有高度的决策智能。因而，对多移动机器人系统的组织与控制方式在很大程度上决定了系统的有效性。 在当今机器人领域，世界各国都对双机器人协调运动加大了投资和研发力度，并且已有了丰富的成果。但是，双机协调仍有存在诸多问题： （1） 如何使机器人个体之间相互通信和相互作用； （2） 如何在各机器人之间表达、描述问题，分解和分配任务； （3） 如何保证机器人在行动中的行为协调一致； （4） 机器人彼此之间如何识别和解决冲突2。 内外多机器人协调系统的发展概况 在近 50 年中，伴随着计算机技术和人工智能的飞速发展，机器人技术也日新月异。近几年机器人已成为高技术领域内具有代表性的战略目标，机器人的应用领域不断扩展。从自动化生产线到海洋资源的探索，乃至太空作业等领域，机器人可谓是无处不在。然而就目前的机器人技术水平而言，单机器人在信息的获取、1器人双机协调下棋系统设计 处理及控制能力等方面都是有限的，对于复杂的工作任务及多变的工作环境，单机器人的能力更显不足3。于是人们考虑由多个机器人组成的多系统通过协调、协作来完成单机器人无法或难以完成的工作。多机器人系统比单机器人系统具有更强的优越性，主要表现在以下几方面: 设计和制造多个简单机器人比单个复杂机器人更容易、成本更低 ;使用多机器人系统可以大大 节约时间，提高效率 ;多机器人系统平行性和冗余性可以提高系统的柔性和鲁棒性等 ;通过多机器人系统内在特性提高完成任务的效率; 通过共享资源( 信息、知识等) 弥补单机器人能力的不足，扩大完成任务的能力范围 ;利用系统内机器人资源的冗余性提高完成任务的可能性，增加系统性能4。 近年来，多机器人系统的研究受到越来越多的关注，已成为机器人学的研究热点之一，这一特点和趋势发表在 1997 年以来，一些机器人研究工作者曾对多机器人系统的研究进展进行了全面深入地总结5。尤其是从生物学的气势、通信、体系结构、任务分配和控制等 7 个方面，对多机器人系统的研究进展作了介绍，讨论了多机器人系统的发展趋势，并且列出了许多代表性的文献6。 加拿大 学的研究小组开发了一个实现对昆虫社会的人工模拟的实验系统，集体机器人系统（。他们提出系统的初衷是将许多简单的机器人组织成一个团队来完成一些有意义的工作。为实现这个目标，研究针对集体任务（的机器人控制体系结构和算法以及传感信息地分析等。具体来说，在机器人之间没有建立显式通讯的条件下，如何利用分布式控制方式实现多机器人系统的协作。这种分布式无通讯系统易于机器人的添加、去除。多个移动机器人协作推箱子的实验结果表明，在不存在显式通讯和集中规划器的条件下，尽管运行的结果不是一个最优解，但可以得到一个可行解。 美国家实验室的作、自主讯的方面作了许多工作。例如人机协作，移动机器人协作，多 慧系等。他们研究的协作机器人是集成了感知、推理动作的智能系统、着重研究在环境未知且任务执行过程中环境动态变化的情况下，机器人如何协作完成任务7。 国内在该领域的研究起步较晚，但目前研究也在逐年增多。不过大部分的研究工作仍然停留在仿真和实验室阶段。表 1了我国近年来对多机器人系统研2器人双机协调下棋系统设计 究的快速增长；表 1对这些文章的研究领域分布所作的归类。从中可见国内对多机器人系统各研究领域的侧重不一样，有些领域如体系结构与控制、路径规划与编队等领域研究的较多；而有些领域像思想源泉、通信、多机器人学习等就较少8。 表 1 1994发表的多机器人系统研究的文章 年份 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004篇数 2 1 2 2 2 4 10 17 19 19 21 表 1 1994发表的多机器人系统研究领域的分布 领域 思想源泉 体系结构与控制 通信 学习 可重构机器人 路径规划与编队 其它 篇数 5 29 8 8 7 18 23 中科院沈阳自动化研究所以制造环境应用多机器人装配为背景，建立一个多机器人协作装配系统（。该系统采用集中和分散相结合的分层体系结构，分为合作组织和协调作业级。利用行多机器人协调装配工件的实验结果表明： 对多机器人写作系统的应用具有参考价值9。 哈尔滨工业大学机器人研究所研制出面向楼宇及危险环境监控、废墟搜救的履带式可生构机器人。单个机器人模块具有体积小、隐蔽性强的优点，多个模块可组合成蛇形、环形，可攀越障碍物、楼梯的功能，携带微型摄影机、 雾、有毒有害气体传感器。而且，他们在群机器人追捕目标系统、群机器人编队控制系统、群机器人舞蹈控制系统 机器人部队追捕 包围逃跑机器人系统 机器人部队编队侦察系统等方面取得了重要研究成果。 3器人双机协调下棋系统设计 图 1哈尔滨工业大学机器人研究所可重构机器人经过 20 几年的发展，机器人系统的研究还处于初期阶段，距离实用还有一定的差距10。 操作的国内外发展 机器人遥操作是以通讯技术为手段实现对远程机器人控制的技术。机器人的遥操作控制是由远程操作者作为机器人的主操作手，通过网络通信发送目标命令给现场服务器，通过现场服务器将目标命令传给机器人，来实现目标任务的完成。 遥操作使人的触角延伸到远处，如今为流行，在其上构建机器人遥操作系统具有架构容易、低成本和维护便利等优点，但却有时延、丢包和连接中断问题，尤以时延影响最为巨大11。 在遥操作发展的早期，图像是惟一的反馈形式，移动- 等待策略通常应用于系统中。但是在一些系统中，公有图像反馈是不行的，力和其他形式的反馈也是不可缺的。遥操作中多种反馈形式被称为多模态，它显著提高了系统的安全性和效率12。 目前，国内外基于西澳大利亚大学的人实现了控制 9 自由度的机械臂的工作；瑞士联邦工学院的n 第一个过程自主式移动机器人系统。在国内，有神州系列飞船的远程监控和控制，中科院沈阳自动化研究所开4器人双机协调下棋系统设计 展的基于互联网的机器人实时双向反馈遥控操作研究，以及同济大学机器人及智能控制研究室的基于3-14。 文研究内容、方案及步骤 本题目“器人结构设计与分析 ”就是基于我校机电工程系机器人专业实验室的两台首钢莫托曼机器人有限公司 配机器人设备，本课题引导学生在了解机器人的国内外应用和发展现状的基础上，研究该机器人的工作性能、控制方法，采用高级语言进行编程，开发双机器人协调完成下棋作业任务。 1、更改通信实现机器人之间的相互通信和相互作用 通过软件包中的通信协议文件，我们拟用 +编写一套通信程序，实现两机器人之间的信息通信。 2、保证机器人在行动中的行为协调一致 在所要设计的通信软件中，我们希望取胜实时的跟踪并记录两机器人的运动轨迹和坐标，并实现数据的相互传送，从而保证机器人在工作过程当中，行动的协调一致15。 本课题主要以 器人相互通信为设计中心，旨在基于其自带的通信软件包，设计出一套通信软件，以完成机器人之间的相互通信及协调控制，并能够通过计算机直接控制机器人完成较简单的协调动作。 5器人双机协调下棋系统设计 第二章 机器人的结构 器人的硬件结构 本设计所采用的机器人系统的硬件可划分为机器人、控制柜及远端控制平台。机器人是实验室现有的 器人（两台）；远端控制平台是 。 机器人的本体规格如表2示 表2器人的本体规格 型号 型 制轴数 6（垂直多关节） 负载 6复定位精度 S 轴（回转） 170 L 轴（下臂） +155 U 轴（下臂） +250 R 轴（腕部扭转） 180 B 轴（腕部俯仰） +225 最大 工作 范围 T 轴（腕部回转） 360 S 轴（回转） s， 150/s L 轴（下臂） s， 160/s 最大 U 轴（下臂） s， 170/s 6器人双机协调下棋系统设计 R 轴（腕部扭转） s， 340/s B 轴（腕部俯仰） s， 340/s 工作 速度 T 轴（腕部回转） s， 520/s R 轴（腕部扭转） 11.8 B 轴（腕部俯仰） 9.8 许用 扭矩 T 轴（腕部回转） 5.9 R 轴（腕部扭转） 2B 轴（腕部俯仰） 2许用转动惯量 （ ） 4/2（腕部回转） 2重量 130 +45 湿度 20 80不结霜） 振动 小于 2/ 境 其他 1：远离腐蚀性气体或液体、易燃气体。 2：保持环境干燥、清洁 3：远离电气、噪声源（等离子） 动力电源容量 制柜是本机器人系统的重要组成部分，其内、外部形状如图 27器人双机协调下棋系统设计 示。 制柜外部图 制柜外部图 图 21 控制柜内、外部形状控制柜的技术规格，见表 2 2件柜的技术规格 结构 独立式，封闭型 冷却系统 间接冷却 环境温度 0 至+ 45 (操作期间) +60 (运输和储存期间) 相对湿度 10% 至 90% 不结露) 电源 三相交流：200 10% 至 ，50/602%) 220 10% 至 ，602%) 接地 接地电阻：小于或等于 100 单独接地 数字输入/ 输出(I/O) 专用信号 （硬件） 17 个输入和 3 个输出 通用信号（标准，最大）40 个输入和 40 个输出 8器人双机协调下棋系统设计 自动位置调节系统 自动位置调节系统采用串行通讯方式（绝对值编码器） 驱动单元 交流(伺服电机的伺服包 加速度/ 负加速度 加速度/ 负加速度软件伺服控制 存储容量 60000 程序点，60000 条命令( 包括程序点) 外型尺寸 500(宽) 1200(高) 500( 宽) 系统设计主要侧重于操作方便，运行可靠稳定，主要具有以下特点： 1、结构紧凑，设备功能完备； 2、各结构之间通讯简单，但速度、实时性良好； 3、操作简单、方便。 器人的软件结构 系统已有的软件为 机器人之间的通讯软件 及高级编程软件 + 信软件是 器人自带的一款通信软件。通过这款软件，利用 线或以太网可以实现个人计算机和机器人之间的高速数据通信。 这款软件功能非常强大，并且可以在多种操作系统上运行。它的主要功能主要如下： 1高速工作指令传输功能：通过 先可以先利用个人计算机编辑机器人模式和运动程序，然后上传到机器人控制柜的程序内存中，这样就免除了必须利用编程器操作机器人的不便。 2主控制功能：此功能允许用户通过个人计算机读取机器人状态数据( 这包括当前位置、警报信息、错误信息、伺服信息等等) ，控制整个运动系统，用户还可以通过这个功能对机器人的 I/O 口进行读写。 3工作指令自动替换功能：当系统内存容量不足的时候，个人计算机空过by 输功能作为外内存接收机器人工作信息并返回相应工作指令。 9器人双机协调下棋系统设计 4应用数据传输功能：这项功能可以为用户提供如下功能以帮助用户设置信息通信： （1）提供机器人和个人计算机之间的数据传输功能(（2）通过包含上述功能的自带例程讲解功能应用过程。 机器人协调系统的构建 机器人中的真、假协调 在双机器人协调作业中存在着真协调与假协调。所谓真协调即两个机器人工作时共用一个主机，它们的指令都是由这一个主机发出的，主机控制着这两个机器人，通过其内部程序使两个机器人之间动作协调，不发生碰撞。而假协调则是分别由两个主机控制着两个机器人，这两个机器人的之间没有关系，是两个相对独立的个体。控制它们的主机中分别存着它们的运动程序，这样， 只要使存入 么主、从机器人之间就不会碰撞。 由以上可见，假协调在程序编写、机器人配置上要比真协调简单得多。在本设计中，我们使用的是假协调。在主机器人与从机器人的 分别存放了各自的走棋示教程序，都由不同的名字命名。计算机中的下棋的 +程序也是需要分别调用两个机器人的示教程序。只有这样完成下棋的全过程。 件 I/O 平台的构建 本实验的硬件由一台计算机和主、从两台 器人组成。在准备开始下棋完成后，控制者下红方棋子，计算机控制黑方棋子。控制者控制计算机中的红棋走出第一步，计算机把走棋信号传给主机器人，主机器人完成下棋步骤。接下来，由计算机根据红棋的走法，再通过计算机内部程序搜寻应对红棋走法的黑棋的最加走法。找到此走法后，把走棋信号传给从机器人，从机器人根据信号完成相应的下棋步骤。 在本系统中，两个控制柜之间我们采取I/O 通讯方式，连接在两个控制柜之间的 单元中的插口上。 单元（ 是由机器人 I/F 基板（ 和输入 / 输出基板(组成。连接机器人 I/F 单元的通用输入 / 输出插座（ 08，09，10）的电缆如图2机器人控制柜内部10器人双机协调下棋系统设计 图2连接机器人I/F 单元的通用输入/ 输出插座的电缆 机器人与计算机之间采用网中的通讯方式，在它们之间形成了一个小的局域图 2部 元近照 11器人双机协调下棋系统设计 网，计算机把数据传给机器人控制柜中的 由 制机器人的手抓完成计算机给出的指定动作。 件系统设计 本实验的软件系统中包括计算机中的用 +编写的下棋程序和机器人中的示教程序。软件系统运行流程图如图 2示 开始通讯对弈示教结束图 24 软件系统运行流程图d 程序运行开始后，首先要启动通讯程序，使机器人与计算机能够通过网口连接上，保证的连接畅通后，用户可以通过计算机上的棋盘同计算机进行对弈了。当用户代表的红方走完后，计算机把这一走棋信息通过网口传给了机器人的到这个信息后， 通过调用其内部的示教程序来指挥机器人手抓完成用户在真实棋盘上的走棋动作。这就是下一步棋的过程。完成这一步后，计算机再搜索程序中的应对用户所下棋的最佳走法以完成黑棋的对弈步骤。最佳走法找到后，以同样的过程使从机器人的手抓完成走棋过程。 12器人双机协调下棋系统设计 章小结 在本章中，对设计所要用的 器人做了一下介绍。首先用表格的方式列举了单个机器人的硬件的各种具体参数，并且对本实验所用的机器人与计算机每张的硬件连接流程与方式进行了阐述。用图片展示了机器人控制柜中的I/O 线图。接下来，说明了双机器人协调中的真、假协调，本实验中的双机器人协调采用了假协调的方式。 13器人双机协调下棋系统设计 第三章 通讯模块程序设计 口通讯模式设计 由于本部分是 与控制器的 接相连进行通信，所以我们采用了网口连接。同时需要设置 议（P ），把 制柜和电脑的地址设置，形成一个局域网，主要是设置 址、子网掩码。 这里，本系统设置计算机的 址 网掩码 认网关： 机器人控制柜中工业计算机的 址 机器人控制柜中工业计算机的 址 讯模块程序设计 讯模块程序介绍 在程序设计中，为了保持整个程序的可读性高，结构清晰，并充分显示 面向对象的特点，这里决定将所有对 机器人的通讯函数都放在一个名为类中。 以主机器人为例，介绍机器人网口通讯遥操作的程序。 1. 主机器人网口通讯连接程序为： ，16); ， 0 ， =0) ， ， =0) ， ， 14器人双机协调下棋系统设计 ， ， 00); 由程序可以看出，完成主机器人与 连接功能的函数为 中的 ，因为是网口通讯，所以要设置 址。程序中还有对连接是否成功的判断，并根据不同的情况返回相应信息。 2. 主机器人通讯断开程序为： 00); 与连接程序相似，当运行断开程序时，主机器人与 之间的连接就会自动断开。 在进行对弈之前，要首先打开机器人和计算机之间的连接，在这里可以通过一个对话框来完成。在菜单上添加一个机器人选项，里面加一个机器人设置菜单项。菜单项的各属性如下表 3示： 表 3器人设置属性 按钮名称 话框 接(1) 开(1) 接(2) 开(2) 5器人双机协调下棋系统设计 其中按钮：连接（1） 、断开（ 1） 、连接（ 1） 、断开（ 2）被摁下时，所执行的函数分别是： 、） 、）、） 。 讯模块程序的运行 1. 对 的设置 首先要使 使用 个 址，如图 3示，做好了对计算机的准备，接下来就可以和机器人连接了。 2. 机器人与 的连接 运行程序，出现如图 3示的界面。单击“ 机器人” 中的“ 机器人设置” ，就会出现如图 3示的对话框。此对话框是用来帮助用户建立计算机与机器人之间的连接的。正如在对话框中所看到的，计算机与机器人之间连接的断开也可以在这个对话框中完成。 图 3 址的设置16器人双机协调下棋系统设计 图 3机对弈界面 图 3器人与计算机连接对话框17器人双机协调下棋系统设计 序流程图 通讯部分程序流程图如图 3示。程序开始后，先要定义寝化变量，定义完成后，寻找通讯句柄，设置通讯参数打开连接。如果打开成功，则连接建立。如果无法打开，则系统提示“ 找不到通讯句柄！ ”则要继续寻找句柄直到建立连接。若建立连接成功，那么计算机与就与机器人连接上了。若连接不成功，那么系统提示“ 无法连接！” ，则要返回到 “定义初始化变量” ，直到计算机与机器人连接上为止。 图 3接响应函数流程图章小结 本章中着重介绍了机器人与 之间的通讯连接。在这里是用的网口的连接方式，这是一种对于通讯要求的提高，实现这种方式，就可以实现对 器人双机协调下棋系统设计 机器人的远程操作。在内容上，本章首先对程序中的连接函数进行了仔细的讲解，程序是用 +语言编写的。然后对执行计算机与机器人之间的连接操作做了介绍。 19器人双机协调下棋系统设计 第四章 对弈模块设计 弈程序介绍 本文设计的象棋主程序接口包括三部分：象棋棋盘，棋谱编辑框以及计算机思考时间进度条等。同时，在程序我们还额外添加停止，悔棋，还原等多个功能按钮。 本程序中棋盘是由一个 9二维数组表示的。棋子则是由 1数组来表示的。其中 1示黑色棋子， 8示红色棋子。电子棋盘中，黑子在上方，即数组的前五行；红子在下方，即数组的后五行。 表 4盘定义 宏定义 数据 注释 没有棋子 黑帅 黑车 黑马 黑炮 黑士 黑象 黑卒 红将 红车 0 红马 1 红炮 2 红仕 3 红相 4 红兵 20器人双机协调下棋系统设计 表 4示了 1 14 个数组分别代表了哪些棋子。没有棋子的点记录为 0。 弈过程中相关判断程序 索算法的设计 象棋对弈算法发展到现在已经形成了多种算法。首先我们先介绍一下博弈树的概念：设想一下两人对弈，我们将其中一位叫做甲，另一位叫做乙。假定现在该甲走棋，甲可以有 40 种走法（不论好坏）；而对甲的任一走法，乙也可以有与之相对的若干种走法。然后又轮到甲走棋，对乙的走法甲又有若干种方法应对如此往复。显然我们可以依次构建一个博弈树，将所有的走法所列出来。在这棵树的根部是棋局的初始局面。在末梢，是结束的棋局，甲胜或者乙胜或者双方都无法取胜的平局。现在应用比较成熟的算法都是基于博弈树的概念来设计的。本程序中主要用到以下三种算法： 1极大极小值算法：由于建立完全博弈树是非常困难的，所以我们用一个静态估值函数所计算的数值来代替超出固定深度的搜索结果。在这种算法中，叶子节点不必是终了状态，而只是固定深度的最深一层的节点，其值由上述静态估值函数确定。 2深度优先搜索：在生成极大极小值博弈树并对其进行搜索的方法上，我们面临着多种选择: 是先在内存中生成整棵树然后进行搜索，还是在搜索的过程中仅仅产生将要搜索的节点；对于树的搜索以什么顺序进行，是广度优先还是深度优先，还是其它顺序；是否有生成整棵树的必要，在搜索过程中将搜索过的节点删去是否可以等。几乎所有人在使用基本的极大极小算法时都选择了深度优先搜索方法。这样可以在搜索过程中的任何时候仅仅生成整棵树的一小部分，搜索过的部分被立即删去。本文中，我们也同样利用这种方法。关于算法的详细信息请读者参阅相关数据。 3负最大值最佳算法：由于极大极小值算法效率较低，随意我们倾向应用效率更高的负最大值最佳算法。这种算法比极大极小值算法短小并且简单。从结构上看，负极大值算法比极大极小值算法稍难理解。但事实上，负极大值算法更容易被使用。在算法的原理上，这两种算法完全等效。负极大值算法仅仅是一种更好的表达形式。今天的博弈程序大多采用的也是基于负极大值形式的搜索算法。本程序同样如此。 21器人双机协调下棋系统设计 整个算法的程序主要由四个类组成，这四个类都没有基类，其名称和用途如下： （1）走法生成器。 （2）索引擎的基类，定义接口及公用函数。 （ 3） 索引擎，使用负最大值方法，由 （4）估值核心即静态估值函数。 子坐标的提取和转换 1机器人下棋坐标的提取与转换 首先我们要在程序主对话框的头文件