基于無線射頻識別的自動象棋整理機設計*

□ 沈孟鋒 □ 何劍敏 □ 虞潤堯 □ 周建鋒 □ 余蔚迪

杭州科技職業技術學院機電工程學院 杭州 311402

1 研究背景

中國象棋歷史悠久，愛好者眾多，是老年人休閑娛樂的一項重要活動。國內研究象棋機器人的項目眾多，如上海交通大學研制了實時環境下的對弈象棋機器人控制系統，哈爾濱理工大學設計了具有3個自由度的平面關節型機器人結構象棋機器人［1］，鄭州機械研究所研制了采用視覺傳感器識別的高智能化象棋對弈機器人等［2-4］。以上項目研究的象棋機器人體積大，成本高，在安全性能方面存在問題，不適合普通象棋愛好者使用。再者，象棋只有在對弈者之間真切進行，才更具觀賞性和娛樂性［5］。

筆者研制了一款價格低廉、操作簡單、使用方便、適用范圍廣的自動象棋整理機，旨在實現象棋的識別、整理和擺譜等功能，以提高下棋效率，降低對弈者的勞動強度。

2 整體設計

象棋棋子采用三維打印技術打印，內嵌有無線射頻識別（RFID）電子標簽。棋盤上裝有集棋機構，可以將棋子全部集入梯形導槽。棋子通過凹型輪逐一導入至裝有RFID檢測裝置的設定位置，該位置即為三坐標定位機構的初始位置。控制系統檢測到棋子并進行身份識別后，通過機械卡爪對棋子進行定位擺放，直至全部棋子按規則擺放完畢。由推棋機構和電動升降機構將擺放齊全的棋子推至上棋面，整個流程結束，等待下一次整理。自動象棋整理機系統框圖如圖1所示，其主要設計特點如下：①結合機械及電控原理設計一鍵操作，降低了對弈者的勞動強度，適用范圍廣；②采用三維打印技術實現個性化棋子設計需求，拓展私人定制功能；③基于RFID技術，采用單片機控制對棋子進行身份識別；④配合精密絲杠導軌，設計三坐標定位機構，對已識別的棋子進行擺位，成本低，控制方法簡單；⑤采用閉環控制，由凹型輪配合梯形導槽對棋子進行篩選分離處理，使識別區域每次僅有一顆棋子，控制精度高。

▲圖1 自動象棋整理機系統框圖

3 機械結構設計

自動象棋整理機機械結構由集棋機構、棋子分離機構、RFID機構、三坐標定位機構、推棋機構、電動升降機構等組成，并包括型材、控制按鈕、移動滑輪等輔助件。

自動象棋整理機機械結構如圖2所示，采用立體設計，分成三層，上層為下棋平臺，中層為自動整理平臺，下層為控制裝置。機械部分與控制部分分離，便于控制與維護，同時做到使用安全。下層由供電電源、單片機控制系統等構成。中層部分的機械機構根據工作步驟縱向排布，并在操作位置設置開始、急停按鈕。

▲圖2 自動象棋整理機機械結構

3.1 集棋機構

集棋機構位于棋盤的一側，由步進電機、聯軸器、滑塊、滑軌、掃棋器組成。步進電機位于上棋面下側，通過聯軸器與掃棋器相連接。掃棋器為一個平面連桿機構，由步進電機帶動曲柄旋轉，使與搖桿相連的滑塊作水平運動，水平運動的滑塊帶動梯形導槽將棋子推入棋子分離機構。

集棋機構主要通過步進電機帶動來實現梯形板的水平推移，從而實現將所有散亂棋子全部推入指定位置的功能。

3.2 棋子分離機構

棋子分離機構位于自動象棋整理機的側面，由步進電機、棋子滑道、凹型輪、梯形導槽組成，如圖3所示。棋子分離機構上半部分是一個梯形導槽，棋子被推入導槽口，因重力下滑，在導槽壁的作用下全部變為豎直排列且不重疊堆放狀態。梯形導槽下側出口只允許一個棋子通過，與凹型輪連接。

▲圖3 棋子分離機構

棋子分離機構下半部分是棋子分離器，當所有棋子堆放完畢后，步進電機開始工作，帶動凹型輪旋轉。凹型輪是一個帶有缺口的圓凸輪，每旋轉一周，能將一顆棋子帶到滑道口，并通過滑道滑到夾取平臺，從而實現棋子的分離。凹型輪結構如圖4所示。

棋子分離機構外表面框面由亞克力板搭建而成，美觀輕便，強度高，便于拆卸更換。

▲圖4 凹型輪結構

3.3 RFID機構

RFID機構由RC522讀卡器芯片和平臺組成［6］。棋子內嵌RFID電子標簽，RC522讀卡器芯片安裝于平臺下，棋子通過滑道停留在平臺上，就會被芯片掃描識別。平臺只允許一個棋子停留，當芯片識別到棋子時，棋子分離機構的轉盤將停止旋轉，直到平臺上的棋子放置好位置。

3.4 三坐標定位機構

三坐標定位機構由十字坐標系及機械爪、步進電機組成，可實現X軸、Y軸、Z軸三個方向的控制［7］。每次啟動時，坐標軸會進行初始化，回歸零位，之后便可以實現正常的抓取放置功能。舵機帶動爪片上的齒輪，齒輪轉動帶動兩個卡爪張開和閉合，通過卡爪的張閉來抓取棋子。因為棋子的直徑為46 mm，所以卡爪的夾緊范圍為46～47 mm。卡爪中間有個圓弧結構，剛好可以卡住一顆棋子，以保證抓取的棋子在傳輸過程中不會脫落。

3.5 推棋機構

自動象棋整理機棋面包括上棋面和下底面。上棋面是使用者對弈的棋面，下底面是另一副棋子的預擺放棋面，兩棋面共用一個升降面。升降面即開局時棋子擺放所處的面，共四塊，為兩個車-帥（將）面和兩個兵（卒）-炮（砲）面。當使用者在對弈時，下底面在擺棋，此時升降面作為上棋面，可見下底面擺放并不是在升降面的位置，而是在升降面錯開一格棋的位置。當對弈者弈完一盤棋后，升降臺下降，此時需要推棋機構將棋子推到升降臺的升降面。

推棋機構用到了鉸鏈滑塊及滑軌［8］，如圖5所示。由步進電機帶動滑軌使兩塊平行板平移，實現兵（卒）、車、帥（將）棋子的放置。同時，平行板移動帶動鉸鏈滑塊機構，將炮（砲）棋子推入升降臺。完成推棋動作后，推棋機構歸位，等待升降。

▲圖5 推棋機構

3.6 電動升降機構

電動升降機構由支撐架、電動推桿和升降棋面等組成［9］，如圖6所示，圖中升降棋面未顯示。當使用者按下開關，上棋面棋子全部進入梯形導槽后，電動推桿帶動支架下降至下底面，推棋機構將已擺好的棋子從下底面推送至升降面。推送完成后，電動推桿上升，將升降面和擺好的棋子推送至上棋面，至此，電動升降機構流程結束。

▲圖6 電動升降機構

4 控制系統及程序設計

控制系統主要完成自動象棋整理機部件的時序控制及執行機構的動作控制，功能包括顯示、自動收棋、棋子檢測、棋子抓取、棋子擺放、棋子移位、棋面升降、系統復位等。控制系統選用STC12C5A60S2單片機作為控制單元，執行機構采用3臺步進電機、2個絲杠滑臺模組、1個舵機，檢測部件采用3個金屬接近開關、1塊RC522讀卡器芯片。控制系統可以實現信號讀取及反饋功能，實現對步進電機的精確控制［10］。圖7為自動象棋整理機控制系統的程序框圖。

▲圖7 自動象棋整理機控制系統程序框圖

5 試驗驗證

經過方案設計及相關計算后，采用30 mm×30 mm鋁合金型材搭建自動象棋整理機，外形尺寸為 0.9 m×0.9 m×0.8 m，如圖8所示。

▲圖8 自動象棋整理機照片

筆者通過大量試驗驗證了以下功能：①混亂棋子的收集；②棋子在收集處單一下落；③RFID檢測出每個棋子的屬性；④通過機械卡爪抓取棋子；⑤通過三坐標擺放棋子；⑥推棋機構將棋推到指定位置；⑦電動推桿實現升降。

6 總結

基于RFID的自動象棋整理機控制系統軟硬件設計正確，各模塊機構能完成設定動作，一鍵式操作簡單，能夠實現對32顆棋子的位置擺放，且編程控制具有性能好、可靠性高、易于修改和擴展等優點。這一自動象棋整理機可實現自動收棋、棋子檢測、棋子定位擺放、棋子推送、棋面升降等整理動作，棋子擺放整齊，工作可靠。對弈者在對弈過程中，設備已經開始整理棋子，對弈者弈完一盤棋后，第二副棋子直接上升，可以繼續進行對弈。自動象棋整理機降低了對弈者的勞動強度，且能耗低，操作簡單，適合廣大象棋愛好者使用。

［1］尤迪.中國象棋人機對弈裝置電子棋盤和機械手的研究［D］.漢中：陜西理工學院，2016.

［2］王殿君.基于視覺的中國象棋棋子識別定位技術［J］.清華大學學報（自然科學版）， 2013，53（8）：1145-1149.

［3］葉卉，張為民，張歡，等.機器人智能抓取系統視覺模塊的研究與開發［J］.組合機床與自動化加工技術，2016（12）：1-5.

［4］朱一峰.象棋機器人視覺識別算法研究［J］.江漢大學學報（自然科學版），2013，41（3）：51-56.

［5］黃雙，陳路，沈鑫，等.智能型實物棋盤人機對弈象棋機器人的制作［J］.大學物理實驗， 2014，27（1）：42-46.

［6］李作海，姚錫凡.基于RFID的信息集成柔性制造系統設計研究［J］.組合機床與自動化加工技術，2011（4）：14-18，23.

［7］陳遠超，沈孟鋒，費凱，等.自適應電磁阻尼式高樓逃生緩降器設計［J］.機械制造，2012，50（6）：6-8.

［8］王興東，楊柏，孔建益，等.計及尺寸公差和配合的平面連桿機構優化設計［J］.華中科技大學學報（自然科學版），2017，45（3）：23-28.

［9］孫江宏，何世鳳，潘尚鋒.一種新型自動調平平臺結構與控制系統設計［J］.機械設計與制造， 2015（7）：11-15.

［10］廖平，韓偉偉.基于STM32多步進電機驅動控制系統設計［J］.儀表技術與傳感器，2016（4）：71-73，77.