機器人下象棋，強大的對弈系統如何實(shí)現？

一、項目概述

1.1 項目摘要

機器人技術(shù)是綜合了計算機、控制論、結構學(xué)、信息與傳感技術(shù)、仿生學(xué)及人工智能等多學(xué)科的一門(mén)高新技術(shù)。目前的人機對弈軟件不直觀(guān)、缺乏真正的對弈環(huán)境，而人機對弈機器人正是針對這些不足而設計的。

本機器人對弈系統以單片機芯片為核心，利用PWM調制技術(shù)控制機械手的運動(dòng)，從而實(shí)現對棋子的控制；以電腦為上位機，使整個(gè)系統的動(dòng)作協(xié)調一致；棋盤(pán)由數據采集、數據處理模塊及信息傳輸模塊組成。本系統的難點(diǎn)在于各棋子位置的檢測與控制及中國象棋算法的實(shí)現。

本機器人對弈系統的硬件部分由棋盤(pán)裝置、控制系統、機械手三部分組成。其中控制系統包括：電機驅動(dòng)模塊、數據發(fā)送與接收模塊等；軟件部分基于VB平臺，包括中國象棋算法模塊與串口通信模塊實(shí)現對棋子的邏輯控制并通過(guò)串口把命令發(fā)送到機械手的控制系統。

本系統屬于娛樂(lè )機器人，實(shí)現人與機器人的直接對弈，既可以培養人們對中國象棋的興趣，又可以弘揚我國的傳統文化。

1.2 項目背景/選題動(dòng)機

中國象棋是一中華民族優(yōu)秀而且獨一無(wú)二的傳統文化，也是普遍的娛樂(lè )方式，即可為老年人排遣孤獨感，又可以跟兒童下棋，做到開(kāi)發(fā)智力，鍛煉兒童的思維能力。

目前中國象棋博弈軟件己經(jīng)得到了一定的發(fā)展，像著(zhù)名的“齊天大圣”博弈軟件，己經(jīng)具有了中國象棋大師的水準，但就人機博弈的應用來(lái)說(shuō)，單單博弈軟件還有其不足之處，比如:計算機博弈軟件不直觀(guān)生動(dòng)，缺乏觀(guān)賞性，并不具備真正的對弈環(huán)境，讓對弈者找不到對弈的感覺(jué)，而且長(cháng)時(shí)間對著(zhù)計算機屏幕冷冰冰的面孔也容易產(chǎn)生枯燥乏味的感覺(jué);計算機博弈軟件對于老年博弈愛(ài)好者來(lái)說(shuō)難以適應，一是因為與計算機對弈需要掌握一定的計算機基礎才能操作，而老年博弈愛(ài)好者普遍不具備這些知識，二是因為長(cháng)期坐在計算機前對老年人的身體健康很不利，因此給計算機博弈軟件在老年人中的推廣帶來(lái)困難。

國外在博弈機器人方面的研究主要集中在美國的IBM公司。IBM公司從1958年就開(kāi)始了博弈系統的研究，可謂開(kāi)辟了博弈系統研究的先河，并在此基礎上，不斷取得進(jìn)展，直到1997年“深藍”戰勝?lài)H象棋大師卡氏帕羅夫而引起全世界各國學(xué)者的關(guān)注，而這件事不僅成為了人工智能領(lǐng)域的里程碑，也更加是博弈機器人系統研究領(lǐng)域的里程碑。但由于中國象棋是我國獨有的傳統文化，國外還沒(méi)有對中國象棋博弈系統的研究。

而從國內對弈機器人的研究現狀來(lái)看，研究的參與者有高校和研究所，比如上海交大，東北大學(xué)，香港理工大學(xué)，鄭州機械研究所，還有企業(yè)，如首鋼，再有就是由老師帶領(lǐng)的中學(xué)生機器人愛(ài)好者們。從研究的棋的種類(lèi)來(lái)看，有一部分是研究中國象棋博弈系統的，也有研究國際象棋和其他棋類(lèi)系統的?？傮w來(lái)說(shuō)他們的研究各具特色，比如研究中國象棋機器人博弈系統的的大多采用了開(kāi)放式機器人控制器，如首鋼是在Motorman機器人基礎上開(kāi)發(fā)了中國象棋機器人，上交大的機器人是國內利用開(kāi)放式控制器開(kāi)發(fā)成功的第一臺對弈機器人，具有較高的開(kāi)放性;博弈機器人“猜想”能完成看棋、算棋、取子下棋全過(guò)程，可以與人面對面下棋，是一臺功能較完備的博弈機器人系統。而最近鄭州機械研究所研制的中國象棋機器人更是智能程度和功能都比較完備。開(kāi)局前，機器人自動(dòng)擺放棋子，用普通話(huà)向對方介紹規則和注意事項。而且看棋、走棋，機器人30秒內就能搞定?？偟膩?lái)看，在棋局的識別方面，他們大都采用了機器視覺(jué)技術(shù)，采用視覺(jué)傳感器結合圖像處理技術(shù)來(lái)識別棋盤(pán)和棋子。但同時(shí)他們也各有其不足之處：

像個(gè)頭龐大，不利于搬運和進(jìn)入家庭;

由于機器與人下棋大而帶來(lái)的安全性等問(wèn)題;

由于采用了現成的開(kāi)放式機器人控制器，從而帶來(lái)的開(kāi)發(fā)成本過(guò)高的問(wèn)題;

由于采用了視覺(jué)傳感器結合圖像處理技術(shù)方案而帶來(lái)的軟件復雜程度提高，從而影響了系統整體處理速度。

為解決上述問(wèn)題，我們希望研究出的是一種小巧的、實(shí)用的、安全可靠的、智能化的中國象棋對弈機器人。

二、需求分析

2.1 功能要求

要求機器人對弈系統能夠獨立完成看棋、算棋和取子下棋的全過(guò)程。

2.2 性能標準

1、能夠進(jìn)行棋盤(pán)定位、棋子識別、棋局判斷

2、能根據程序指令從儲子裝置中取出圓形棋子并放置到程序指定位置

三、方案設計

3.1 系統功能實(shí)現原理

機器人對弈系統采用的是一種結構簡(jiǎn)單、可行的基于SCARA型機器人的機械臂設計方案。SCARA型機器人是平面關(guān)節型機器人，在此方案中把器械臂分為若干個(gè)關(guān)節進(jìn)行移動(dòng)，從而實(shí)現平面內定位和定向。

硬件架構圖

本機器人對弈系統以單片機芯片為核心，利用PWM調制技術(shù)控制機械手的運動(dòng)，從而實(shí)現對棋子的控制；以電腦為上位機，使整個(gè)系統的動(dòng)作協(xié)調一致；棋盤(pán)由數據采集、數據處理模塊及信息傳輸模塊組成。

• 棋盤(pán)特殊設計用來(lái)檢測每個(gè)格點(diǎn)的信息來(lái)確定棋子的位置和類(lèi)別；

• 棋盤(pán)和機械手使用一個(gè)微控制器，通過(guò)模數轉換器把棋盤(pán)每行、列的信號轉化為數字量傳到單片機進(jìn)行分析；

• 分析棋局，然后根據人機對弈的程序算法選擇合適的棋子，進(jìn)行棋局判斷，同時(shí)產(chǎn)生控制信號，并把控制信號傳回單片機，由單片機控制舵機驅動(dòng)電路，指揮機械手實(shí)現對棋子的高速、準確操作；

• 棋術(shù)分析紀錄軟件用VB編寫(xiě)，VB可視化、面向對象編程的特點(diǎn)以及豐富的應用模塊，對中國象棋算法的編寫(xiě)特別有利。

系統硬件結構框圖如下圖所示：

系統硬件結構框圖

3.2 硬件資源配置

1、用STEVAL-MKI062V2開(kāi)發(fā)套件進(jìn)行棋盤(pán)定位、棋子識別以及放置棋子

2、用LM317、LM7805、變壓器等制作穩壓電源，為系統提供所需的電源

3、用舵機進(jìn)行棋子的抓取、移動(dòng)、放置操作

3.3系統軟件架構

軟件架構圖

3.4 系統軟件流程

1.開(kāi)機上電后，棋局開(kāi)始，掃描棋盤(pán)并保存棋盤(pán)數據。

2.判斷誰(shuí)為先手

3.判斷是否落子，并把棋子信息發(fā)送至上位機

4.上位機根據落子信息分析棋局，判斷棋局是否有誰(shuí)勝出，如果沒(méi)有則根據人機對弈的程序算法選擇合適的走棋方式；如果有誰(shuí)勝出則結束程序，棋局結束。

5.上位機處理完成，生成的走棋信息傳回主控

6.主控控制舵機進(jìn)行相應的落子操作

7.再返回步驟3直至棋局結束。

程序運行流程圖