（机械制造及其自动化专业论文）围棋机器人动作控制系统的实现.pdf

摘要 摘要 本实验室已经以围棋机器人系统为载体，提出了围棋机器人系统的五大子 系统动作控制系统、图像识别系统、围棋系统、联网对弈系统和语音交互 系统。其中，动作控制系统是围棋机器人的底层系统，对整个围棋机器人起着 决定性的作用，但前期工作并未实现整个动作控制系统的设计、分析和论证。 所以，非常迫切地需要对动作控制系统进行更进一步的研究，以实现围棋机器 人的落子和提子的操作。 本课题主要解决了如下问题：初步探讨了围棋机器人动作控制系统的方案， 设计了动作控制系统的机构和控制电路、软件系统；分析了四自由度平面关节 型机器人机构的运动学、静力学和动力学的问题，求解了围棋机器人的逆运动 学问题，分别得出了升降台的位移量s 。，大臂的旋转0 ：，小臂的旋转0 。以及末端 执行器的升降s 。的值，为上位机的控制提供了基本参数；通过动力学分析，求 解出三个步进电机的驱动力，为选择步进电机和校核机构的强度和系统的稳定 性提供了基础；设计了控制系统的硬件电路和软件系统，在此基础上提出了优 化了电子电路和软件系统的措施，提高了系统的抗干扰性；在现实设计和理论 分析论证求解的基础上，建模、仿真了围棋机器人的动作控制系统，联合使用 u g 删s 仿真分析了围棋机器人动作控制系统的运动学、静力学和动力学的问 题，并论证了前面理论分析的正确性和机构设计的合理性并在此基础上提出了 优化措施，从而实现了围棋机器人的动作控制系统，实现了落子和提子的动作。 最后，关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。 关键词：四自由度，围棋机器人，动作控制系统，逆运动学，静力学，动力学 a b s t r a c t a b s t r a c t w 油g o - r o b o ta st h ec a r r i e r , r e s e a r c hw o r ko nf i v em o d u l e sf o rt h er o b o t s y s t e mi sc o m p l e t e da c c o r d i n gt ot h es t r a t e g yp r o p o s e db yo u rr e s e a r c ht e a m t h e s e f i v em o d u l e sa r e ：m o t i o nc o n t r o lm o d u l e ，i m a g er e c o g n i t i o nm o d u l e ，g om o d u l e ， n e t w o r kp l a y i n gm o d u l ea n dv o i c ei n t e r a c t i o nm o d u l e b u tt h em o t i o nc o n t r o l m o d u l eh a sn o tb e e nd e s i g n e d ，a n a l y z e da n dp r o v e db yd e t a i l s oi ti su r g e n tt od ot h e r e a e a r c ho nt h em o t i o nc o n t r o lm o d u l et or e a l i z et h el i f ta b dl a yd o w no ft h ec h e s s i nt h i sp a p e r , t h ep r o j e c to ft h eg o r o b o t sm o t i o nc o n t r o ls y s t e mi si n t r o d u c e d a n dd i s c u s s e d n l em e c h a n i s ma n dt h ec o n t r o lc i r c u i ta r ed e s i g n e dt or e a l i z et h e f u n c t i o no fr a i s i n ga n dp u t t i n gd o w nt h ec h e s s m a n t h ec h a p t e rt h r e ea n a l y z e st h e k i n e m a t i c s ，s t a t i c sa n dd y n a m i c so ft h ep l a n ej o i n tr o b o tw i t h4d o f ( d e g r e eo f f r e e d o m ) i th a ss o l v e dt h er e k i n e m a t i c st og e tt h ep a r a m e t e ro fs l ，0 2 ，0 3 ，s 4f o rt h e u p p e r - c o n t r o ls y s t e m t h ed y n a m i c sh a ss o l v e dt h ef o r c ea n dt o r q u eo fe a c hm o t o r a n dh e l p f u lt ot h ev a l i d a t i o no ft h em e c h a n i s m c h a p t e r4a n dc h a p t e r5s h o wt h e p r o c e s so fd e s i g n i n gt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e m i no t h e rw a y , t h ea n t i - j a m m i n gm e 嬲u r e sa l ed i s c u s s e d t h e nt h eo p t i m i z a t i o ni si m p l e m e m e d a c c o r d i n gt ot h i s t h em o d e mc o n t r o lm e t h o di sd i s c u s s e df o rt h em o t i o nc o n t r o l s y g e mt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fs t a b i l i t y , c e l e r i t ya n dv e r a c i t y t os u p p o r tt h e m a s sp r o d u c t i o no ft h eg o - r o b o t ，t h em o d e md e s i g nm e t h o di su s e dt op r o v e dt h e d e s i g ns c h e m ea n ds i m u l a t i o nt h em o t i o ni nc h a p t e r6 u g a d a m sa r eu s e di nt h i s p a p e rt os i m u l a t et h ek i n e m a t i c s ，s t a t i c sa n dd y n a m i c st op r o v et h ev a l i d i t yo ft h e t h e o r ya n dt h er a t i o n a l i t yo ft h ed e s i g n t h eo p t i m i z a t i o ni sa l s oa d v a n c e di nt h i s p a p e r i nt h ef i n a l i t y , t h ep r o b l e m sr e q u i r i n gf u r t h e rs t u d i e sa r ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：4d o f ，g o r o b o t , m o n t i o nc o n t r o ls y s t e m , r e k i n e m a t i c s , s t a t i c s ， d y n a m i c s 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文：学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：参彤影 知口占年弓月i 二日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在乡年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 年月 日 学位论文作者签名：函移冷 加d 厶年乡月1 2 - 日加d 易年多月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：如蛉 勘口名年方月12 e l 第1 章绪论 1 1 概述 第1 章绪论 近年来由于微电子、传感器技术、控制技术及网络技术的快速发展，机器 人领域掀起了一股拟人化机器人的研究热潮。一方面让机器人从事更广泛的工 作逐渐受到重视，如建筑用、探测用、清洁用、危险品处理用的机器人不断涌 现，另一方面，娱乐机器人，如会跳舞、会说话、会奏乐、会踢球、会战斗的 各种玩具型、宠物型、研究用机器人也在不断发展，索尼的爱宝机器狗尽管价 格高达2 5 0 0 美元，还是热卖一空。这一切都表明娱乐机器人具有开发和研究的 必要性和前景。本文从围棋机器人着手，研究了围棋机器人的动作控制系统。 世界围棋人口正在飞速增长，目前总数已达4 1 2 0 万，其中中国：2 5 0 0 万； 韩国：1 0 0 0 万；日本5 0 0 万，台湾1 0 0 万。每天登陆联众、上海热线、新浪等 各对弈站点的国内围棋迷估计在1 0 万人。1 9 9 9 - 2 0 0 3 年已成功举办了5 届中国 围棋联赛( 围甲、围乙) ，成为仅次于足球联赛的比赛。美国盖洛普网络调查( 韩 国) 公司分析称，网络围棋的发展和电视对围棋的转播在其中起着关键性的作 用。有理由认为，围棋机器人系统的开发有广阔的市场前景。而对照目前世界 上陆续出现的象棋和国际象棋机器人( 手) 等下棋机器人娱乐设备，围棋机器人 方面仍显空白。特别是对照家庭娱乐机器人的未来要求，人机交互功能方面都 有所欠缺。原因有三点：一是由于象棋和国际象棋长期以来在国内和国际占据 统治地位，而国粹又过分阳春白雪；二是由于围棋的特殊性，如棋盘点多格密( 定 位精度) ，一开局就没有固定的棋子位置( 需要棋子输送) ，棋子形状和材料特殊 ( 夹持装置) ，棋子越下越多且位置和数量随机( 图像识别构成闭环系统，国际象 棋、象棋系统可以采用开环控制) ，有提子( 需要敏捷的提子装置) 、打劫、多种 禁着( 游戏程序的复杂性) 等特殊的对弈规则，因此动作控制系统与象棋有较大 差别。三是下棋机器人相关设备还只作为高科技玩具来开发，没有应用到家用 娱乐机器人统一平台，没有重视交互性。 动作控制系统作为围棋机器人系统的输出部分具有开发和研究的必要性和 前景，动作控制系统是机器人系统的底层模块，上位机指令只有通过动作控制 第1 章绪论 系统才能实现落子、提子最基本的动作。在围棋机器人系统中，动作系统作为 一个底层的系统模块，是全被动的底层系统。动作系统接受高层模块发送的动 作位移指令或者执行某种固化的动作命令并精确地执行之，在必要的情况下还 必须发回动作反馈，例如动作执行情况，实际末端执行器大小和置信度等等。 这些信息可以作为高层模块的信息参考( 如果做成反馈系统) ，例如有助于定位 模块进行末端执行器位置估算、定位，它跟高层系统的影响是相辅相成的，更 稳定的动作系统也可以使得定位有较好的位置估算，从而有利于棋子更准确的 定位，作出更好的动作规划。多样性指动作系统可以支持多种动作指令，甚至 可以支持参数化落提子指令，这就增加了高层系统设计的可变灵活性。稳定性 和准确性性是围棋机器人动作系统设计的重点所在，必须实现快速、平稳、准 确。 本文所研究的围棋机器人动作控制系统继承了第一代、第二代机器人的结 构和功能特点，也结合了围棋机器人的拟人性要求，并在此基础上从多个方面 优化了整体的机构，完全能够实现围棋机器人的落子和提子的智能操作。 1 2 棋类机器人研究现状 由于近年来对棋类机器人的重视和家用娱乐机器人的飞速发展，国内外对 棋类机器人的研究也取得了前所未有的成就。具体表现在以下几个方面： ( 1 ) 中科院沈阳自动化研究所开发的沈阳国际棋盘山城机器人象棋系统工 程利用自动引导小车( a g v ) 技术，通过棋盘颜色标记和铺设磁导航线，使3 4 个 直径2 2 米、高3 米的国际象棋棋子，在5 5 米5 3 米棋盘的任意两点间，以 6 0 m 分的速度移动，模仿比赛场上棋手的对弈下棋，展现大型棋牌赛事盛况。 这是机器人技术首次进入我国文化旅游业。国家“8 6 3 自动化领域智能机器人 专家组对这一项目进行了验收。 ( 2 ) 2 0 0 3 年9 月1 2 日，有2 6 个国家和地区的政府、专业组织和工商企业界 人士参会的第六届“中国北京国际科技产业博览会上展出了首钢环星触摸电 脑有限公司与首钢莫托曼机器人有限公司合作推出的能下象棋的机器人，它由 两个大型高精度工业作业机器人配上触摸一体机，并通过软件改造所形成，在 下棋间隙还能配合给客人端茶倒水，展示了高科技产品的无限前景，与观众互 动收到了良好的宣传效果。 2 第1 章绪论 ( 3 ) 在2 0 0 3 国际消费者电子产品展( c e s ) 现场，美国风险企业e v o l u t i o n r o b o t i c s 展示了利用图像识别技术、可通过笔记本电脑控制的国际象棋机器人 “e r l 。 ( 4 ) 世界著名玩具商丹麦乐高( l e g o ) 玩具公司在2 0 0 0 年与美国麻省理工学 院合作，开始研究生产乐高机械人系列产品“m i n d s t o r m s 。有人利用乐高( l e g o ) 的机械人套件搭建了三子棋机器人。 ( 5 ) 香港城市大学机电自动化系首席教授曹绍杰研制成功国际象棋弈棋机 械手。采用了笛卡尔轨迹运动规则、三轴驱动和钳形夹持装置，集成了自动控 制、机电一体化、机器人及服务自动化最新技术。 ( 6 ) 上海交通大学杨汝清、王春香等申请专利的象棋大师机器人在象棋盘上 设置了9 0 个成阵列式分布的光电传感器用于实时探测棋盘局面；王剑辉、赵维 江、杨汝清等申请专利的三指吸附式机械爪属于象棋大师机器人的夹持装置部 分，它采用气缸一活塞杆一滑块一铰接爪( 3 个对称分布) 外加中央辅助吸盘的夹取 模式实现象棋棋子的夹持定位；由王春香等3 人申请专利的机器人专用电子棋 盘系统是象棋大师机器人对弈使用的棋盘。用户可以选择不同等级与象棋大师 机器人对弈。 ( 7 ) 2 0 0 4 年7 月，湖南长沙雅礼中学的4 位高一学生联手设计了中国首台 博弈机器人“猜想 。“猜想 是一名真正的棋手，能完成看棋、算棋、取子下 棋全过程，可以和人面对面下棋的博弈机器人。 ( 8 ) 内蒙古同学e i cg 自行设计了一个围棋机器人，将人工智能、图像识 别、机械结合为一体，设计了能够实现三个方向移动并能够实现人机对弈的围 棋机器人。 综上所述，棋类游戏是娱乐机器人产业进军家庭和民间市场的重要领域， 已呈现出快速发展的态势。但围棋机器人动作控制相关落子、提子设备仍详细 的报道，特别是具有良好自然性能使用自然的棋盘和棋子，系统人性化，不能 分散棋手注意力，装置动作敏捷、噪音并具有良好的可移植性的围棋机器人动 作控制系统还有待研究。 1 3 棋类机器人的动作控制系统的研究现状 围棋机器人的动作控制系统由两大模块组成：实现动作的机构以及控制机 3 第1 章绪论 构运动的控制系统。 在工业机器人领域，各种类型机器人的动作控制系统相关方面已经相当成 熟，包括各种机构的运动分析已经形成一套基本的理论。对于常见的串联机器 人，其运动方程和动力学分析已经取得很大的成就n 儿2 】。 对于棋类机器人的动作控制系统，在这方面的研究和发展也刚起步，所以 绝大多数是继承了工业机器人的控制结构。本文也是在工业机器人的基础上， 选用了装配机器人中常用的平面关节型机构，完成了整个动作控制系统的设计 和实现工作。 1 4 本课题所做的工作 结合本课题的计划和需要，在研究生论文期间主要完成以下工作： 第一阶段：查阅国内外参考文献，总体分析问题的状况，确定系统研究的 目标，再通过系统的设计形成系统的结构，拟定可行的方案。 第二阶段：在已有的相关机械设计、机构设计、机器人执行机构以及末端 执行器等相关知识前提下，进行机器人机构设计，应用u g 进行建模。主要工作 为：( 1 ) 末端执行器的选择；( 2 ) 由步进电机的参数和棋子的重量进行机构设 计并建模分析；( 3 ) 分析末端执行器的运动空间和运行轨迹，并提供步进电机 旋转角度参数。 第三阶段：对已经设计好的机构进行运动学和动力学分析，得出相关结论， 并为上位机的控制提供相关参数。 第四阶段为：实现计算机、控制卡、电机驱动器间的通讯，控制步进电机 实现落子和提子的动作，设计电路并调试。主要工作为：( 1 ) 选择步进电机； ( 2 ) 单个步进电机控制模块硬件电路的设计；( 3 ) 下位机总体电路设计，驱动3 个步进电机控制末端的运动，使步进电机能按要求动作；( 4 ) 实现上位机和下 位机的通讯控制。 第五阶段研究方法为：根据已经设计好的电子电路和机构，在u g 建模的基 础上对机构的运动和动力学系统进行仿真，结合原型样机，优化机器人机构。 主要工作为：( 1 ) 机构优化建模；( 2 ) a d a m s 仿真，并提出优化措施。 迄今为止，围棋机器人的动作控制系统从理论上已经基本实现，并经过有 关的模型证明。制造的样机也能够按要求实现落子、提子的运动。 4 第2 章围棋机器人动作控制系统总体设计 第2 章系统总体结构设计 机器人系统一般由操作机、驱动单元、控制装置和为使机器人作业而要求 的外部设备所组成。操作机是机器人完成作业的实体，它具有和人手臂相似的 动作功能，是可在空间抓放物体或进行其他操作的机械装置，一般由末端执行 器、手腕、手臂和机座等组成；驱动单元由驱动器、减速器和检测元件等组成 的组件，是用来为操作机各部件提供动力和运动的装置。驱动器是将电能或流 体能等转换成机械能的动力装置，通常由电动机液压或气动装置。驱动不同， 传动装置也有所不同；控制装置指挥机器人按规定的要求动作，用于控制驱动 单元，可以是闭环控制，也可以是开环控制：其他的还有人工智能系统，一部 分为感觉系统，另一部分为决策一规划智能系统，他包括逻辑判断、模式识别、 大容量数据库和规划操作程序等功能口1 。 本课题所研究的围棋机器人动作控制系统是其底层模块，同时也包括了以 上几个组成部分，下面分别介绍。 2 1 机构总体设计 本课题所设计的围棋机器人机构由机座、手臂和末端执行器组成。主要由 回转副和移动副组成的具有4 个自由度、能实现落子和提子操作的功能的平面 关节型机器人。 机器人的结构形式很多，有由三个相互垂直的直线运动来实现空间运动的 直角坐标型；由一个回转运动和两个直线运动实现空间运动的圆柱坐标型；由 两个回转运动和一个直线运动实现空间运动的球坐标型；由三个回转运动实现 空间运动的关节型机器人。其中关节型机器人还有水平关节型和垂直关节型等 多种类型h 1 。 由于关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。相对机器人本体尺 寸，其工作空间比较大，正适合围棋棋盘较大又希望机器人尺寸较小的场合， 因此选用水平关节机器人结构。 其中，机座采用步进电机驱动，丝杠螺母传动实现机器人整体的升降运动； 5 第2 章围棋机器人动作控制系统总体设计 大臂使用齿轮减速器，小臂使用同步带传动，都采用步进电机，大臂和小臂共 同实现机器人在平面内的定位；末端执行器采用气动装置直接驱动，工作行程 比较小，主要实现对围棋棋子的吸合和松开。图2 1 是机构的装配轴侧图。 2 1 1 机座设计 图2 1 围棋机机器人机构总装轴侧图 机器人的全部运动部分都安装在机座上，因此它承受了机器人的全部重量。 在围棋机器人机座设计时应遵循以下原则： 1 ) 机座有足够大的安装基面，以保证机器人在整体安装时的稳定性。 2 ) 机器人的机座机轴以及轴承的结构有足够大的强度和刚度，以保证其承 载能力。 3 ) 本围棋机器人在竖直方向上的定位由机座来完成，为保证末端执行器能 够接触棋子并吸合，因此在设计时应保证机座轴系及传动链有足够大的精度和 刚度。 4 ) 为保证机器人的外部电缆不随机器人的运动而摆动，机器人的外部电缆 都是安装在不运动的机器人基座上，并通过机座传到机器人的各运动关节。因 此基座和机座结构要便于电缆的通过，并要解决固定端与运动端的连接问题。 5 ) 机座的升降运动要有相应的驱动装置。 6 ) 机座结构便于安装、调整。机座与机器人手臂的连接要有可靠的定位基 6 第2 章围棋机器人动作控制系统总体设计 准面，以保证各关节的相互位置精度，要用调整机构，用于调节轴承间隙和传 动间隙。 7 ) 为了减轻机器人运动部分的惯量，提高机器人的控制精度，一般机座的 壳体是由比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是由铸铁或铸钢材料制 成，本围棋机器人机座采用4 5 号钢。 2 1 2 手臂设计 1 围棋机器人手臂的设计要求 围棋机器人手臂的作用，是在一定的载荷和一定的速度下，实现机器人所 要求的工作空间中的运动及围棋机器人在棋盘和棋盒之间落子和提子的操作。 因此在手臂设计时，因遵循以下原则： 1 ) 应尽可能使机器人手臂各关节轴相互平行；相互垂直的轴应尽可能交于 一点，这样可以有利于机器人的正逆运动学简化，便于机器人的控制。 2 ) 机器人手臂的结构和尺寸应满足机器人工作空间的要求。 3 ) 为了保证机器人的运动速度和控制精度，应在保证机器人手臂有足够的 强度和刚度的条件下，应从结构和材料上设法减轻手臂的重量。力求使用高强 度的轻质材料，本设计使用高强度铝合金制造机器人手臂。 4 ) 机器人各关节的轴承间隙应尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误 差。因此，各关节应有工作可靠便于调整的轴承间隙调整机构。 5 ) 机器人手臂相对于其关节回转轴应尽可能在重量上平衡，这对减小电机 负荷和提高机器人手臂运动的响应速度是有益的。 6 ) 机器人手臂在结构上要考虑各关节的限位开关和具有一定缓冲能力的机 械限位块，以及驱动装置、传动机构及内部电缆等的安装。 2 手臂长度搭配方案的确定 在机构类型方案确定的情况下，两转动副长度关系有如下两种选择，见下 面两图。( 图中l 。，l 。分别为两根手臂；阴影部分为末端执行器中心点可作用到的 区域，空白处为作用盲区；方框示意围棋棋盘的位置。) 图2 2 ( a ) 中l 。 l 2 ( 手 臂长) ，有作用盲区存在；图2 2 ( b ) 中l 。 l 2( b ) l l i 一2 图2 2 手臂作用区域 3 手臂精确长度的确定 由于机器人手臂所完成的动作是从专用棋盒中取出棋子置于棋盘相应位 置，并将棋盘上的死棋送回旁边棋子轨道，所以整个机械手的运动轨迹是以棋 盒和轨道为中心的发散曲线，而机器人末端在两极限位置之间所经历的路程最 大。所以，为提高效率，降低能量消耗，应尽量将机器人和棋盒置于棋盘两个 不同方向的中心线附近处为最理想的状态；同时又要考虑到摄像和对方下棋的 方便性，在机器人落提子完毕后，需要将机器人手臂移动到棋盘以外。因此， 假设在静止状态时大臂刚好经过棋盘的两边夹角，如图2 2 。 根据中国围棋规则规定，围棋棋盘尺寸为：横线的等距离为2 2 5 2 3 5 厘 米，纵线的等距离2 4 2 5 厘米，盘面外侧留有2 厘米。这里取棋盘为4 8 4 4 6 4 厘米( 连同边框) ，机器人底座中心距棋盘边缘1 2 厘米。 综上所述，绘制简图如下： 8 第2 章围棋机器人动作控制系统总体设计 爿 呈呈! 至 4 e，4 一 图2 3 手臂长度确定( 单位：c m ) 计算公式及计算步骤： l 。+ l 2 = , 4 ( 4 8 4 + 1 2 ) 2 + 2 3 2 2 ：6 4 7 6 5 c m 为了使整个机构的重量更加平衡，把主要质量集中在大臂，所以取 l 广l 2 1 2 c m 由上面两式可得到：l , 2 6 5 c m 。 为了运算的方便，在本设计中取l , = 3 8 c m 。l 2 = 2 7 c m ，这两个长度均为两旋 转中心轴之间的距离，在制造过程中，安装各构件所用的长度根据实际情况计 算。 2 1 3 末端执行器 机器人是一种通用性较强的自动化作业设备，末端执行器的结构和尺寸因 不同的作业任务而有所不同。一般有机械式夹持器、吸附式末端执行器和专用 工具三类。 由于围棋机器人需要将力作用在棋子上面，并且要满足围棋机器人工作范 围的要求，故在设计末端执行器时考虑如下方面： 1 ) 不论是夹持或者吸附，末端执行器具有满足作业要求的足够的夹持( 吸 附) 和所需的夹持位置精度。 2 ) 机器人末端执行器的重量、被抓取物体的重量及操作力的总和不应超过 机器人允许的负荷。因此应尽可能使末端执行器结构简单、紧凑，重量轻，以 减小手臂的负荷。 9 第2 章围棋机器人动作控制系统总体设计 在围棋机器人的末端执行器的设计中，因为其作用对象是棋子，不利于抓 取，所以考虑使用吸附式结构，为了结构紧凑并满足负荷的要求，选择气吸式 吸盘。考虑末端执行器的通用性，方便更换末端执行器，还设计了末端执行器 的接换器形成操作机上的接口。气吸式真空吸盘如图2 4 所示3 ： 图2 4 真空吸盘 2 2 围棋机器人驱动系统设计 围棋机器人的驱动系统由驱动器和传动系统两大部分组成。 2 2 1 驱动器设计 对于机器人，驱动系统是带动操作机各运动臂的动力源，目前所采用的驱 动方式按动力源不同可分为液压、气动和电机驱动三种基本类型。本围棋机器 人主要考虑其输出功率和使用范围，控制性能和安全性和机构性能等，下面列 出三种驱动方式的比较，如表2 1 所示。 由于本课题设计的是与人博弈的围棋机器人，所以要求机器人对环境无污 染；再加上机器人作业任务是提取、放置棋子，对力矩和负荷要求较小，但是 对精度要求较高，因为棋子的落子位置偏差1 7 r a m ，将导致两子重叠而不能正确 地识别棋子的位置。整个机器人尽量做成轻型、精密的结构，要求传动系统以 及驱动系统体积不能过大。 综上所述，围棋机器人的机座和手臂的驱动方式定为步进电机或者伺服电 动机驱动，末端执行器采用气动吸盘所以选用气压驱动。 i o 第2 章围棋机器人动作控制系统总体设计 常用的控制电机有永磁直流伺服电动机、印刷绕组永磁直流伺服电动机、 步进电动机、交流伺服电动机以及近几年开发的直接驱动电动机。其中步进电 机转子无绕组，由永磁体构成转子磁场，它可以将电脉冲信号直接转为转角， 转角大小与输入脉冲数成正比，通过改变脉冲频率来调速，其旋转方向则取决 于输入脉冲的相序。步进电机伺服驱动系统多用于开环控制，因此结构简单， 位置和速度易于控制，其响应速度快，能快速起动、反转和制动，由于采用开 环控制，没有误差校正能力，运动精度较差，负载和冲击过大会造成“失步一 现象。但本围棋机器人的负载较小，动载荷也很小，所以冲击也小，也可以采 第2 章围棋机器人动作控制系统总体设计 用图像传感器进行图像识别比较，实现误差调整，弥补步进电机的开环控制缺 点，再加上和交直流伺服电机相比，价钱便宜，所以本设计的机座和手臂采用 三个步进电机分别驱动。 2 2 2 传动系统的选择 机器人的传动系统与一般的机械传动系统相比，除要求具有较高的定位精 度外，还应具有良好的动态响应性，就是说响应要快，稳定性要好。常提出无 间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。常用的 机械传动有螺旋传动、齿轮传动、同步带、高速带传动以及各种非线性传动部 件等。机器人的传动应注意以下要求： 为提高机器人的运动速度和控制精度，要求机器人各运动部件的重量要轻， 惯量要小，传达机构结构紧凑，体积小。 在传动链及运动副中要采用间隙调整机构，以减小反向空回所造成的运动 误差。 选择机器人的传动方式，不外乎齿轮传动、螺旋传动等机械传动主要考虑 传动过程中运动的变换和动力的变换等方面，将各种传动方式总结如表2 2 所 示，以便于选择。 1 机座升降运动的传动系统设计 由于机座承担着围棋机器人所有运动部件的质量并决定了机器人末端执行 器最终是否能耐拿到围棋棋子，所以机座传动系统不仅要求具有良好的强度和 刚度，还必须保证传动的准确性。考虑到机座的运动方式是将转动转换成直线 运动，所以采取螺旋传动的方式。 滚珠丝杠副是一种新型的螺旋传动机构，它是由丝杠、螺母、滚珠等零件 组成的机械元件，其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋 转运动。当丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动，为防止滚珠从滚道端面掉 出，在螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环返回通道，从 而形成滚珠流动的闭合回路。 2 大臂传动系统设计 围棋机器人的大臂是转动关节，将电机的转动转化为大臂的转动，无须改 1 2 第2 章围棋机器人动作控制系统总体设计 变运动的方式；又因为机器人的大臂和小臂也使用关节连接，因此大臂的运动 精度决定了整个平面关节的定位。综上所述要求传动比大、体积小、重量轻、 精度高、承载能力大、效率高、传动平稳、噪声低等特点，而齿轮传动机构正 好满足了这些要求，因此大臂选用谐波齿轮传动机构作为传动系统。 表2 2 传动机构及功能“1 毒濡： 运动的变换动力的变换 传动机构 形式行程方向速度大小形式 丝杠螺母 齿轮传动 齿轮齿条 ， 齿轮链条 带、带轮 缆绳、绳轮 ， 杠杆传动 连杆传动 凸轮传动 摩擦轮 万向节 软轴 蜗轮蜗杆 间歇机构 0- _ 。 3 小臂传动系统设计 由于同步带传动运转时，带的凸齿与带轮齿槽相啮合来传递运动和动力， 工作时无滑动，具有准确的传动比；传动效率高，节能效果好；传动比范围大， 结构紧凑；维护保养方便，运转费用低，无须润滑。基于同步带传动的上述优 点，小臂传动选用了同步带传动，但必须保证中心距的严格要求，并且将整套 机构安装在大臂的框架内，所以对大臂的刚度提出了新的要求。 4 末端执行器传动系统设计 末端执行器采用气吸式吸盘的结构，因此不需要经过运动形式和动力的转 换，直接用气缸实现棋子的吸合。 2 3 围棋机器人控制系统设计 1 3 第2 章围棋机器人动作控制系统总体设计 控制系统的功能是控制机器人操作机的运动和操作机满足作业的要求，控 制操作机的末端执行器按规定的点位( p t p ) 和连续轨迹( c p ) 运动。随着科技 的发展，计算机控制成为了机器人控制的主要方式。 机器人控制器从算法的处理方式看，可分为串行、并行两种结构类型。其 中，串行控制器从计算机结构和控制方式可分为三种： ( 1 ) 单c p u 结构，集中控制方式 用一台功能较强的计算机实现全部的控制功能，包括控制过程中的许多计 算( 如坐标变换) 、图像识别处理、机构动作控制以及其他的信息处理等。因此， 这种控制结构速度最慢，而且，控制系统不易维护。 ( 2 ) 二级c p u 结构，集中控制方式 一级c p u 为主机，担当系统管理、机器人语言编译和人机接口功能等。 二级c p u 完成全部关节数字控制。这类系统的两级c p u 之间没有联系，仅 通过公用内存交换数据，是一个松耦合关系口3 。 ( 3 ) 多c p u 结构，分布式控制方式 目前普遍采用这种上、下位机二级分布式结构。上位机负责整个系统管理 及运动学计算，图像信息处理、轨迹规划等；下位机由多c p u 组成，每个c p u 控制一个关节运动。这些c p u 和主控机联系是通过总线形式的紧耦合，他们之 间通过通信模块连接，存在连续的数据交换。这种结构控制器的工作速度和控 制性能明显提高。 由于本围棋机器人的机座和两个手臂都采用步进电机驱动，末端执行器采 用气压驱动，再加上棋钟电路和其他的外部电路，总体控制方式比较简单，下 位机的控制完全可以由一个c p u 完成。因此在选择控制方案时，不需要采用多 c p u 结构，仅采用二级c p u 结构。p c 机作为上位机通过串行通信接口与下位的 单片机m c u 进行通信，可以实现围棋机器人的单片机自主控制和p c 机控制两种 方式。单片机控制接受上位机的控制指令或自主控制电机驱动电路以实现所要 求的功能，上位机可以实现围棋机器人的智能控制、联网控制、图像识别比较、 轨迹规划等功能，将每个关节的运动量转换为步进电机的脉冲数通过串口传给 下位机，下位机控制步进电机以及电磁阀的动作。 1 4 第2 章围棋机器人动作控制系统总体设计 2 4 本章总结 本章总体确定了围棋机器人的设计方案，也确定了整体的机构为4 自由度 的水平关节型机器人。并在此基础上完成了驱动系统和控制系统的设计。 1 5 第3 章围棋机器人机构学分析 第3 章围棋机器人机构学分析 围棋机器人中实现操作功能的执行机构是具有4 个自由度和末端气动执行 器的空间开链型机构( 串联机器人) 嘲，由于机器人中的各运动副都要由伺服作 动器来驱动，而转动和移动的伺服作动器又均为一个自由度，所以组成机器人 机构的运动副实际上只有转动副r 和移动副p 两种。 在机器人机构学研究中，除运动学问题外，还必须研究机械动力学，以便 选择伺服驱动器进行控制。 3 1 关节坐标系及运动学方程的确定 3 1 1 坐标变换 研究围棋机器人运动和操作的第一步，是描述组成机器人的各连杆之间， 以及它们和操作对象( 工件或工具) 之间的相对运动关系。为此，我们将各个坐 标系与不同的连杆及操作对象固连为一体。本文将采用齐次变换矩阵的描述方 法，将连杆的位置和姿态( 位姿) 的描述统一起来。齐次坐标变换矩阵法是在研 究空间开链机构的位置、运动及其控制方面应用比较多的方法。 齐次变换矩阵t 为4 4 矩阵： ，b 。，p 3 “1f 旋转矩阵位置矢量1 l 石d1 l ji 透视变换比例j ，k h n z o o x d r o z 0 a x 唧 a z 0 齐次变换矩阵t 的逆矩阵r l 为 r 1 = 最 0 乏 l n xo x8 x p m n 1 o yo y p - 0 刀zd za z p a o0ol 1 6 第3 章围棋机器人机构学分析 = 睢茎 为3 x 3 旋转矩阵，它为正交矩阵，从而尺一= r r 。 绕x 轴转q 角转换变换矩阵 = 瓦口= 绕y 轴旋转巾角转动变换矩阵 写= 绕z 轴旋转0 角转动变换矩阵 乏，= lo 0c o s t z 0s i n 口 0o c o s o s i i l 0 00 - s i n 口0 c o s 口0 0 l 0 s i n e 0 loo 0c o s 矿0 o01 c o s 8 一s i n p00 s i n 秒c o s 80 0 00lo 0001 以上坐标变换写成向量式 = 【e r j ，：代表向量在o i x ；y , z ；坐标系中的坐标阵列； 乃代表向量在o j x j x z j 坐标系中的坐标阵列。 7 5 阵 c ；】代表坐桶变换到坐标i 的坐标变换矩阵。 如果把新坐标系j 的位置看成是由旧坐标系矽巳绕z 。轴转过。角，再绕】( i 【 以西如 0 0 1 o o l o o l 0 o o 第3 章围棋机器人机构学分析 轴旋转q 角而得到，这种连续变换用矩阵的连乘积得到。 因为 所以 = 【q r k ；r k = 【q 】，：， ，；= 【q 】【】，：，= 【c ：f ，】，：， 【c ：l ，】= 【q 】【q 】 阱融0甜01(co誓so-sinpooj 0 。00 1 【 】= lc o s 口一s i n 口0s i i l 乡 c o s p i i s i n 口 c o s 口j 10 o j f c o s 8 i = is i n 8 i f 0 - s i n 8 c o s a c o s o c o s a s i n c r sinos口ina-cososincos刁 口l 口j 由于方向余弦矩阵为正交矩阵，即【c ：| 】与 巳】互为转置矩阵，又互为逆矩 阵引。 3 1 2 关节坐标系的建立 绘制围棋机器人活动构件的机构简图( 如图3 1 ) ，这些活动构件用转动副 和移动副一次连接到机座0 上，在机器人末端执行器上装有气压驱动的吸盘。 为了便于用一定的数学方法研究机器人机构的运动，在机器人机构的各个构件 上均固结有相应的直角坐标系。其中，只标出个坐标系的x 轴和z 轴，而y 轴 可用右手法则确定。其中，各坐标轴的确定得遵循以下原则： 1 8 第3 章围棋机器人机构学分析 图3 1 围棋机器人活动构件机构简图 ( 1 ) 基础坐标系x o y o z o 在图3 1 中，与机座o 固结的固定坐标系) ( o o 称为基础坐标系。其中z o 轴取连接机座与构件l 的运动副的轴线方向；x o 轴 的方位可按下列原则选取：如果是在基础坐标系中研究机器人机构的运动，则 x o 轴的方位可以任意选取；如果是在与固定构件固结的另一参考系o x y z 中研 究机器人机构的运动，则) ( 0 轴可取与z 和z o 轴的公垂线方向一致。本围棋机器 人机构的运动选在o x y z 中研究，所以x o 轴取为z 和z o 轴的公垂线。 ( 2 ) 末杆坐标系x n y n z n 与末杆n 相固结的坐标系x n n 表示，其中z n 轴通常取得与手部夹持器的对称轴线a 一致；而x 应取为z i 和z n 1 的公垂线方 向，但对于z n 和z “两轴相重合的情况，还可以考虑与机夹持器的开口平面的 法线方向一致。 ( 3 ) 任意坐标系x f y f z f与机座和末杆以外的任意一个构件f 相固结的 坐标系以x i y i z i 来表示，z f 轴取联接构件衍口构件i + 1 的运动副的轴线方向； 而x i 轴则取为相邻两轴z i - l 和z f 的公垂线方向。 当机器人机构各构件坐标系选定后，则两相邻坐标系x i - l y i 1 z i 1 和x 亿f 之间的关系由以下四个参数确定。 杆长a f 沿x i 轴从坐标轴z o l 量至z j 轴的距离，规定与x i 轴方向 一致时为正。 扭角af 绕x i 轴从坐标轴z i - l 量至z f 的转角，规定逆时针方向为正 偏距s f 沿z f 轴从x i - l 轴量至x i 轴的距离，规定与z 五l 轴的正向一 致时为正。 1 9 第3 章围棋机器人机构学分析 转角0i - 绕z f 轴从x i 1 轴量至x i 轴的转角，规定逆时针方向为正。 对于转动副，转角0f 是随机构的运动而变化的，称为运动参数；对于移动 副，s f 为运动参数。其他不随机构的运动而变化的参数称为结构参数。 应用上述四个参数可以确定相邻两坐标系的相对位置和姿态，坐标系 x j y 亿湘对于x i 1 y i - l z i - l 的位置和姿态，可以用齐次变换矩阵式确定，即 m = c o , - s o , c a , s o ,c a ! c a , 0 s a , 0o s o , s a , - c 9 i s a , c a , o a , c a ! - a , s a ! 焉 l 在如上公式中，将分别用缩写形式表示角度的正弦和余弦，即 s i n a ! = s o i c o s a ! = c o , s i n a , = s a i m j 一 = j 1 = 3 1 3 围棋机器人的运动学方程 c a , - s o , c a , s o , s a , o so,01 c a ! c a ,s a , - s f l a , c a ! s a , c a ,s , c a , 0o l 机器人运动学研究的是机器人末端( 即末杆坐标系) 或手部夹持器相对固 定参考坐标系的位置、姿态、速度和角速度以及加速度和角加速度，而不考虑 引起运动的外力。 机器人在工作过程中，其末端即末杆坐标系的位置和姿态是变化的。机器 人末端的位置可用从基础坐标系原点出发而指向末杆系的向量p 表示，末杆的 姿态可用末杆的三个坐标轴) ( 1 ，y 。和z 。来描述。设n ，b ，a 分别为三个坐标轴) ( 1 i ，y n 和z 。的单位向量，单位向量n ，b ，a 在基础坐标系的方向余弦分别为 ( f i x 够，吃) 7 ，( 吃，b ，吃) 2 ，( q ，a y ，哆y 。于是末杆坐标系相对基础坐标系的位置和姿 态可用矩阵 m n 表示。 第3 章围棋机器人机构学分析 一： l 等 b xa xp x 唧毋 6 z口z 之 oo1 由坐标系的连续变换得： 【坂】= 【m o 。】【m ：】【鸠，】【m 圳】 围棋机器人的运动中，固定构件0 固定在另一指定参考坐标系x y z 中，则 机器人手部夹持器相对于指定参考坐标系的位置和姿态由下式给出： 【x 】= 【剀【鸠】【明 式中， b 基础坐标系x o y 。z 。相对于指定参考坐标系x y