下棋机器人的制作方法
【专利摘要】本实用新型实施例提供一种下棋机器人，包括：机械臂，该机械臂的末端与棋盘旁的基座连接，该机械臂为平面2自由度机械臂，包括大臂和小臂，该基座、该大臂和该小臂通过根关节和肘关节依次枢转连接，该小臂的前端与该取放子机构连接，其中，该机械臂能够沿平行于棋盘上表面的第一平面运动；取放子机构，与该机械臂的前端连接，在该机械臂的带动下走子或吃子。本实用新型实施例中，通过机械臂和取放子机构的相互配合代替人走子和吃子，实现了人机对弈，提高了用户体验。
【专利说明】下祺机器人
【技术领域】
[0001 ] 本实用新型涉及棋类领域，并且更为具体地，涉及下棋机器人。
【背景技术】
[0002]棋类对弈作为高雅的运动具有悠久的历史。传统的棋盘需要两个人在一起，而且无法对整个下棋过程并进行记录，统计，共享和分析。
[0003]现有电子棋盘一般是在每个棋位下方放置压力/光电传感器，并将每个传感器与控制器(如，单片机)的IO 口相连。当某个棋位放置了棋子时，就会被该棋位下的传感器检测到，进而将该变化传递至该传感器对应的IO 口，从而实现下棋过程的记录。
[0004]但是现有的电子棋盘仅能记录下棋过程，无法实现真实棋盘上的人机对弈。
实用新型内容
[0005]本实用新型实施例提供一种下棋机器人，以实现真实棋盘上的人机对弈。
[0006]第一方面，提供一种下棋机器人，包括:机械臂，所述机械臂的末端与棋盘旁的基座连接，所述机械臂为平面2自由度机械臂，包括大臂和小臂，所述基座、所述大臂和所述小臂通过根关节和肘关节依次枢转连接，所述小臂的前端与所述取放子机构连接，其中，所述机械臂能够沿平行于棋盘上表面的第一平面运动；取放子机构，与所述机械臂的前端连接，所述取放子机构在所述机械臂的带动下走子或吃子。
[0007]结合第一方面，在第一方面的一种实现方式中，所述取放子机构包括:滑动机构，与所述机械臂的前端相连，能够沿垂直棋盘上表面的方向运动；柔性吸盘，位于所述滑动机构的前端，并与气泵和阀门相连，所述柔性吸盘在所述气泵和所述阀门的控制下吸合与放开棋子。
[0008]结合第一方面或其上述实现方式的任一种，在第一方面的另一种实现方式中，所述下棋机器人还包括上子机构，所述上子机构包括:存放棋子的储子仓，所述储子仓的一端设置有为所述取放子机构提供棋子的上子口 ；推送机构，所述推送机构与所述储子仓中的棋子接触，并将所述储子仓中的棋子推送至所述上子口。
[0009]结合第一方面或其上述实现方式的任一种，在第一方面的另一种实现方式中，还包括:摄像头，设置在棋盘的上方，且所述棋盘位于所述摄像头的视角内。图像处理器，与所述摄像头电连接，所述图像处理器从所述摄像头接收目标图像，并从所述目标图像中提取所述棋盘上棋子的分布位置信息。
[0010]结合第一方面或其上述实现方式的任一种，在第一方面的另一种实现方式中，所述摄像头具有连网功能。
[0011]结合第一方面或其上述实现方式的任一种，在第一方面的另一种实现方式中，还包括:具有网络接口的控制器，所述控制器通过所述网络接口接收网络端发送的控制信息，并根据所述控制信息控制所述机械臂和所述取放子机构走子和吃子。
[0012]本实用新型实施例中，通过机械臂和取放子机构的相互配合代替人走子和吃子，实现了人机对弈，提高了用户体验。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0014]图1是包含本实用新型实施例的下棋机器人的棋盘系统的示意性结构图。
[0015]图2是本实用新型实施例的取放子机构的示意性结构图。
[0016]图3是本实用新型实施例的上子机构的示意性结构图。
[0017]图4是本实用新型实施例的机械臂取子状态的示意图。
[0018]图5是本实用新型实施例的机械臂走子状态的示意图。
[0019]图6是包含本实用新型实施例的下棋机器人的棋盘系统的示意性结构图。
【具体实施方式】
[0020]下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本实用新型保护的范围。
[0021]应理解，本实用新型实施例适用于包括中国象棋、国际象棋、围棋、五子棋、跳棋等棋种在内的各种棋类游戏。
[0022]需要说明的是，本实用新型实施例中的棋位可指棋盘上用来放置棋子的位置。例如，在围棋的棋盘上，横竖线交叉的位置为棋位；在国际象棋中，横竖线围成的方格区域为棋位。
[0023]图1是包含本实用新型实施例的下棋机器人的棋盘系统的示意性结构图。在图1的棋盘系统包括:棋盘10、下棋机器人40和基座50。该下棋机器人40包括:
[0024]机械臂41，机械臂41的末端与棋盘10旁的基座50连接；
[0025]取放子机构42，与机械臂41的前端连接，用于在机械臂41的带动下走子或吃子。
[0026]应理解，上述走子可指将棋子放置到棋盘的目标棋位；上述吃子可指将目标棋位上的棋子从棋盘中挪走。
[0027]本实用新型实施例中，通过机械臂和取放子机构的相互配合代替人走子和吃子，实现了人机对弈，提高了用户体验。
[0028]上述取放子机构42可以是位于机械臂41前端的机械手，能够握持棋子，例如可以是多关节灵巧手。此外，机械臂41可以与基座50的中轴相连，并可以在该基座50中轴的另一侧平衡配置。
[0029]具体地,机械臂41为平面2自由度机械臂,包括大臂43和小臂44。基座50、大臂43和小臂44通过根关节45和肘关节46依次枢转连接。小臂的前端与取放子机构42连接，其中，机械臂41能够沿平行于棋盘10上表面的第一平面运动。
[0030]实现机械臂41到目标棋位运动的方式可以有多种。例如，可以先将机械臂41与棋盘10的位置固定。然后建立机械臂41各个关节的位移(角位移)与棋子位置的对应关系。例如，机械臂41具有两个转动关节，则可以建立(Θ 1，Θ 2)与(X，Y)的对应关系，其中Θ I第I个关节的角位移，Θ 2为第2个关节的角位移，X为棋盘的行，Y为棋盘的列。当需要将棋子放置到某个棋位时，只需要根据该预先建立的对应关系，将机械臂41的各个关节调整到该棋位对应的位移即可。需要说明的是，以上对应关系仅仅是举例说明，实际中，还可以建立其他运动参量与棋位的对应关系。例如，底座与棋盘夹角、大臂转角、小臂转角、底座轴心与棋盘轴心水平横距、底座轴心与棋盘轴心水平纵距、棋盘格距中的多元变量与棋位之间的映射关系。
[0031]该大臂43、小臂44尺寸及运动范围的选择可使得小臂的前端能够到达该棋盘10上的全部棋位。具体地，以围棋为例，棋盘共361个棋位；假设大臂长度为a，小臂长度为b，则使得棋盘361个棋位均位于内径r=a-b，外径R=a+b的环形区域内即可。
[0032]应理解，上述大臂43和小臂44长度的选择与棋盘的大小有关。以45cm*47cm的围棋棋盘为例，基座与棋盘的距离设定为5-15cm，则大臂的长度可以设置为约26cm，小臂的长度设定为约24cm时，该机械臂41基本上可以覆盖整个棋盘区域。
[0033]取放子机构42可包括:滑动机构47，与机械臂41的前端相连，能够沿垂直棋盘10上表面的方向运动，例如当机械臂41采用上述平面2自由度机械臂时，该滑动机构47可沿第一平面运动；柔性吸盘48，位于所述滑动机构47的前端，并与气泵和阀门相连(这里的连接可以指通过气管的间接连接)，柔性吸盘48在该气泵和该阀门的控制下吸合与放开棋子。
[0034]具体地，取子时，机械臂41运动至棋子上方，并控制滑动机构47向下滑动，使得柔性吸盘48贴合棋子，并利用气泵吸取柔性吸盘48中的气体，形成负压，关闭气管上的阀门，进而夹持棋子；走子时，机械臂41运动至目标棋位，并控制滑动机构47向下滑动，使得柔性吸盘48将吸合的棋子放置在目标棋位上，然后打开阀门，释放负压，进而放下棋子。上述阀门可以选用电磁阀。
[0035]本实用新型实施例中，利用平面2自由度机械臂，以及能够沿机械臂所在平面垂直运动的滑动机构，实现了棋子的取放，由于2自由度机械臂结构简单，且该机械臂仅做平面运动，与其他多关节机械臂(例如，大于2自由度、且在空间运动的机械臂)相比，不但节约了成本，而且棋子定位的精度较高。
[0036]需要说明的是，第一平面与棋盘上表面之间的距离可以参考实际因素确定。例如，上述第一平面尽量不要离棋盘10的上表面太近，避免机械臂41平面运动时碰到棋盘10上其他棋位的棋子；也不要离棋盘10上表面太远，否则会增加滑动机构47的滑动距离，使得滑动机构47的精度降低，且延长了走子时间。
[0037]实际中，可以选取普通的步进电机带动滑动机构47运动，行程可以选择30mm。
[0038]还需要说明的是，机械臂41可以通过步进电机进行控制，在本实施例中，可以分别在根关节45和肘关节46各设置一个电机，分别控制大臂43和小臂44的运动。此外，还可以将两个电机均设置在大臂的末端，通过传动带控制肘关节46的运动，由于机械臂长时间做平面运动，这样可以有效地减轻机械臂41悬挂时的重量，提高机械臂41的灵活度，增加机械臂41的寿命。
[0039]还需要说明的是，上述吸盘48可以由不透气的柔性材料制成，以便很好地与棋子表面贴合。[0040]进一步地，可以通过电磁阀控制吸盘与棋子之间负压的保持和释放。上述气泵可以是微型真空泵，该气泵可位于机械臂的末端，通过气管与吸盘48相连。
[0041]具体地，如图2所示，滑动机构47可包括:滑动件84、电机85和杆件86，滑动件84与吸盘48固连，在电机85的控制下可带动吸盘48沿杆件86上下运动，该滑动件84与杆件86可通过螺纹连接，电机控制杆件86 (螺杆)正反转动，从而带动滑动件84上下运动。柔性吸盘48可包括:气嘴81、气芯82和气管83 (可采用硅胶材质)，该气管83的另一端可连接气泵(未示出)，且该导气管与气泵之间可以通过阀门(未示出)控制。
[0042]可选地，作为另一个实施例，下棋机器人40还可包括:上子机构70，位于棋盘10旁，用于存储棋子，并为取放子机构42提供棋子。
[0043]本实用新型实施例中，通过上子机构为机械臂的取放子机构提供棋子，进一步提升了下棋机器人的自动化程度，提升了用户体验。
[0044]可选地，上子机构70可包括:储子仓91，用于存储棋子，且储子仓91的一端设置有用于为取放子机构42提供棋子的上子口 93 ;推送机构92，用于将储子仓91中的棋子推送至上子口 93。
[0045]上述上子机构70可以采用弹夹的结构，推送机构94采用弹簧，上子口 93位于与弹簧相对的另一端，当上子口 93的棋子被取走后，后面的棋子在弹簧的作用下自动补上。
[0046]当然，上述机构70还可以为机电控制结构，通过电机推动棋子至上子口 93。具体地，如图3所示，储子仓91可采用图3所示半漏斗形状，或其他能够容纳棋子的任意形状；上子口 93可设计成与棋子外轮廓大致相同，原理类似于口香糖的出糖口，即只有棋子以满足要求的姿态进入该上子口 93时，才能通过该上子口 93，从而保证从上子口 93中取出的棋子姿态的一致性；推送机构92可包括推杆94，该推杆94与能够直线运动的滑台机构相连，通过微型电机控制推杆沿直线推送运动，向上子口 93推送棋子。
[0047]当下棋机器人40处于取子状态时，机械臂41可以处于如图4 (图4为俯视图)所示的取子位置；当下棋机器人40处于走子状态时，机械臂41沿平面运动至棋盘10上的目标棋位，图5示出了走子装置40的一种走子状态(图5为俯视图)。
[0048]现有电子棋盘一般是通过在每个棋位下方放置压力/光电传感器，并将每个传感器与控制器(如，单片机)的IO 口相连。当某个棋位放置了棋子时，就会被该棋位下的传感器检测到，进而将该变化传递至该传感器对应的IO 口。
[0049]以围棋为例，围棋共361个棋位，为了自动检测棋位，每个棋位下设置一个传感器，检测成本高。
[0050]可选地，作为另一个实施例，如图6所示，下棋机器人40还可包括:图像处理器30，用于从包含棋子在棋盘10上的分布位置信息的目标图像中提取分布位置信息。
[0051]本实用新型实施例中，利用图像处理器从目标图像中提取出棋子在棋盘上的分布位置的信息，从而实现自动检测棋位的功能，降低了检测成本。
[0052]上述棋子的分布位置信息可以包括棋盘上棋子的位置，以及这些位置上棋子的类型。
[0053]图像处理器30从目标图像中提取分布位置的信息，具体可指:图像处理器30利用模式识别等方式识别该目标图像中的棋子类型，以及棋子在棋盘中的位置。
[0054]下面以围棋为例，举例说明如何从图像中提取其中的分布位置的信息。[0055]步骤1、离线训练分类器。
[0056]该分类器的功能是计算图像的子窗口的特征值，当该子窗口的特征值满足阈值条件(该阈值条件可通过离线训练获得)时，即可判断出该子窗口中是黑子、白子还是无子，反之亦然。上述图像的子窗口是指图像区域的一部分，该子窗口的大小可以预先设定，在本实施例中，可以将目标图像中每个棋位所在的图像区域设置为一个子窗口，例如，围棋有361个棋位，则设置361个子窗口。
[0057]离线训练分类器的方法可以有多种，如基于Hhaar特征的AadaBboost方法，SVM(支持向量机，Support Vector Machine)方法等等。具体地,首先,构建训练数据集和测试数据集，这些数据集都要同时包含三种样本(即黑子样本、白子样本和无子样本)；然后，对构建的训练集遍历寻优，寻找分类效果最好的训练器或者训练器的组合；最后，用测试数据集验证寻找到的训练器的准确率，达到要求后即可使用；如不满足要求，则调整第一步和第二步中的样本和参数，不断循环重复整个过程直到最终达到要求。
[0058]步骤2、利用分类器检测目标图像的每个子窗口是黑子、白子还是无子，并记录棋位上棋子的类型与位置的对应关系。
[0059]以围棋为例，可以遍历围棋的361个子窗口(分别对应于361个棋位所在图像)。假设位置(X，Y)为黑子(X为围棋的行，Y为围棋的列)，当分类器识别出该信息时，记录“(X，Y)-黑子”。
[0060]需要说明的是，以上仅仅是对模式识别(或者称图像识别)方式的举例，实际中还可以采用其他的模式识别方式，本实用新型实施例对此不作具体限定。
[0061]可选地，作为另一个实施例，如图6所示，下棋机器人40还可包括:图像采集装置20，设置在棋盘10的上方，且与图像处理器30电连接，图像采集装置20用于采集目标图像。
[0062]上述图像采集装置20为具有连网功能的摄像头，摄像头具体用于以固定频率从棋盘上采集目标图像；当分布位置信息发生变化时，向网络端发送变化后的分布位置信息。
[0063]具体地，以wifi摄像头为例,该wifi摄像头以不低于每秒3次的频率检测棋盘，一旦发现有棋子变化时，就向特定IPdnternet Protocal，网际协议)地址报送棋位变化后的状态，如通过基于HTTP (Hypertext Transfer Protocol,超文本传输协议)的HTTP GET或POST的形式发送。需要注意的是，摄像头识别过程中，需能够排除参杂下棋人手臂的图像的干扰，例如，当检测到图像中存在人的手臂时，自动丢弃该图像。
[0064]通过wifi摄像头实现与网络端的通信，这样，当图像处理器检测到棋子分布位置发生变化时，可以直接将该棋子分布位置信息反馈至网络端。网络另一端可以是虚拟的环境，如棋类游戏的对战平台，当该虚拟对战平台收到该棋子分布位置信息时，可以更新虚拟棋盘上的棋子位置分布。当然，网络另一端也可以是真实的用户，例如，网络对端是另一个下棋机器人的用户，这样，可以将该棋子位置信息通过网络发送至对端用户的控制器，对端用户的控制器根据该棋子位置信息控制机械臂走子。
[0065]本实用新型实施例中，由于选用具有连网功能的摄像头，使得当棋盘上棋子的分布位置信息发生时，向网络端发送变化后的棋子分布位置信息，进而可以实现远程对弈。
[0066]可选地，作为另一个实施例，如图6所示，下棋机器人40还可包括:控制器60，该控制器用于控制机械臂41和取放子机构42走子和吃子。[0067]进一步地，该控制器60具有网络接口，用于通过网络接口接收网络端发送的控制信息，并根据控制信息控制机械臂41和取放子机构42走子和吃子。
[0068]例如，控制器60可以开放一个网络服务API (应用程序接口，ApplicationProgramming Interface),供其它网络主机调用。其他网络主机走子以后,可以通过该API向控制器60发送走子或吃子信息。控制器60接收到走子或吃子信息后，控制下棋机器人40走子或吃子。
[0069]如上所述，在图像采集装置20具有连接网络的功能，控制器60开放网络接口的情况下，本实用新型实施例中的下棋机器人的用户(以下称用户I)可以实现与网络用户(以下称用户2)的对弈。具体过程如下。
[0070]1、图像米集装置20以固定频率米集目标图像；
[0071]2、当用户I走完棋子后，图像处理器30检测到目标图像中棋子的分布位置发生变化；
[0072]3、图像采集装置20通过网络向用户2发送变化后的棋子分布位置信息；
[0073]4、用户2根据上述变化后的棋子分布位置信息，更新棋盘中棋子的位置，使其与该变化后的棋子分布位置信息保持一致；
[0074]5、用户2走子；
[0075]6、用户2通过 控制器60开放的网络接口向用户I发送用于指示上述走子的信息；
[0076]7、用户I的控制器60接收到用户2的走子信息后，控制走子装置40代替用户2走子。
[0077]需要说明的是，在上述网络对弈中，用户2可以是另一下棋机器人的用户，也可以是虚拟的网络服务器，本实用新型实施例对此不作具体限定。
[0078]进一步地，用户I在下棋前，可以在棋盘10表面的预设位置放置预设形状的棋子，以标识自己的用户名和密码。
[0079]比如用下4行共19列进行用户标识(第一行的4，第二行的9，第三行的11，第四行的18来标识用户〈4.9.11.18?,同理输入密码。由此来进行用户识别和鉴别，省去了键盘或IC卡等其他身份识别的成本和不便。
[0080]进一步地，该下棋机器人还可以连接语音通信平台进行语音交互。
[0081]通过开放上述网络连接功能，本实用新型实施例中的下棋机器人具备远程交互下棋和远程圈点讲解的能力。可与他人通过连接其他电子棋盘，或者是网上下棋软件来交互远程下棋。或者是与人工智能指导下的虚拟角色下棋。可以进行定式训练，复盘或者由老师远程圈点教学。
[0082]可选地，作为另一个实施例，图像处理器30和控制器60集成在主控制器上。换句话说，用一个主控制器完成图像处理器30的处理功能、控制器60的控制功能。
[0083]具体地，该主控制器可以选用现有的嵌入式芯片，该嵌入式芯片具有多个接口，分别连接连接摄像头，以及上子机构、大臂、小臂、气泵和取放子机构的电机。该主控制器还可开放网络服务API，供其他网络主机调用走子。
[0084]进一步地，主控制器可以调节多部电机+摄像头之间的协同操作。通过上述调节，可以达到以下目的:
[0085]1、上子口无子时，启动上子机构上子(可由传感器驱动上子机构自行完成)。[0086]2、走子时，按主控制器给出的棋位取子、走子、下子、回位。若上子口无子，等待上子机构上子；若上子口有子，将取放子机构放下按压棋子以便下次能够立刻走子。
[0087]走子期间，停止摄像头识别。
[0088]以上所述，仅为本实用新型的【具体实施方式】，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本【技术领域】的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
【权利要求】
1.一种下棋机器人，其特征在于，包括: 机械臂，所述机械臂的末端与棋盘旁的基座连接，所述机械臂为平面2自由度机械臂，包括大臂和小臂，所述基座、所述大臂和所述小臂通过根关节和肘关节依次枢转连接，所述小臂的前端与所述取放子机构连接，其中，所述机械臂能够沿平行于棋盘上表面的第一平面运动； 取放子机构，与所述机械臂的前端连接，所述取放子机构在所述机械臂的带动下走子或吃子。
2.如权利要求1所述的下棋机器人，其特征在于，所述取放子机构包括: 滑动机构，与所述机械臂的前端相连，能够沿垂直棋盘上表面的方向运动； 柔性吸盘，位于所述滑动机构的前端，并与气泵和阀门相连，所述柔性吸盘在所述气泵和所述阀门的控制下吸合与放开棋子。
3.如权利要求1所述的下棋机器人，其特征在于，所述下棋机器人还包括上子机构， 所述上子机构包括: 存放棋子的储子仓，所述储子仓的一端设置有为所述取放子机构提供棋子的上子口 ； 推送机构，所述推送机构与所述储子仓中的棋子接触，并将所述储子仓中的棋子推送至所述上子口。
4.如权利要求1-3中任一项所述的下棋机器人，其特征在于，还包括: 摄像头，设置在棋盘的上方，且所述棋盘位于所述摄像头的视角内； 图像处理器，与所述摄像头电连接，所述图像处理器从所述摄像头接收目标图像，并从所述目标图像中提取所述棋盘上棋子的分布位置信息。
5.如权利要求4所述的下棋机器人，其特征在于，所述摄像头具有连网功能。
6.如权利要求1-3中任一项所述的下棋机器人，其特征在于，还包括: 具有网络接口的控制器，所述控制器通过所述网络接口接收网络端发送的控制信息，并根据所述控制信息控制所述机械臂和所述取放子机构走子和吃子。
【文档编号】B25J13/08GK203611250SQ201320853660
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2013年12月23日 优先权日:2013年12月23日
【发明者】朱其罡 申请人:北京晨鑫意科技有限公司