基于3DOF機械臂的五子棋機器人
文章目錄
- 基于3DOF機械臂的五子棋機器人
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- 1. 前言
- 2. 機器視覺系統概述
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- 2.1 機器
- 2.2 視覺
- 2.3 系統
- 3. 系統組成概述
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- 3.1 使用工具盤點
- 3.2 流程圖
- 4. 制作步驟建議
- 5. 需要的知識及參考資料推薦
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- 5.1 機械設計部分
- 5.2 下位機控制與控制原理部分
- 5.3 視覺部分
- 5.4 上位機部分
- 6. 參考資料
1. 前言
2020年因為疫情，全國大學都不開學，差不多在家裡呆了大半年吧，因為不想無所事事，是以雜七雜八的學了很多東西。到6月份的時候，因為我是畢業生，需要回學校辦理一些畢業事項和離校手續，就在學校進行封閉式隔離。說真的，在學校的日子實在是挺無聊的，啥事也不能幹，因為恰好學了學c++和opencv，是以就想做點東西，最後就搞了個軟體層面的，能人機互動的五子棋系統。大搞也就寫了一個多星期吧。
軟體五子棋
因為碰巧看了一些做五子棋機器人的視訊，後來就一直心理念念不忘，想搞個硬體和機械層面的五子棋機器人。于是從七月開始就一直在着手策劃了，零零散散，斷斷續續的做着，正好11月1号完工了，前前後後可能花費了大約4個月的時間吧，最後決定寫個五子棋機器人系列的文章，做個總結，也希望告訴其他人應該怎麼做這個事情，打算不但把自己成功的一些方法寫進來，也把失敗和遇到的一些問題寫進來。有時候出現的問題可能更加具有參考價值。
這篇文章就寫個系統概述，說一說這個系統都包括了什麼，需要什麼基礎知識，以及怎麼做。後面大概會寫機械結構怎麼設計，設計的時候應該注意什麼問題；下位機怎麼開發，如何通過運動學逆解求解舵機的角度，怎麼通過軌迹規劃，使得運動更加平滑；上位機如何開發，怎麼識别棋盤和棋子；五子棋的軟體層面是什麼邏輯；如何通過序列槽通訊把系統組合起來；以及一些涉及到手工制作的東西怎麼做。
不過吧，這裡也要說一句，我确實不是學相關專業的人士，我學和做這些個東西，算是個業餘愛好吧，要是有哪裡說得不專業了，請各位網友包涵哈!
順便讓五子棋機器人系統亮個相。
五子棋機器人整體圖
2. 機器視覺系統概述
機器視覺系統[1],從字面意思看，主要包括機器、視覺和系統三個部分。
2.1 機器
機器就是指機械的結構設計和運動控制，機械結構就比如這裡的機械臂，運動控制可以使用單片機、PLC等進行控制。
機械臂
2.2 視覺
視覺部分是機器的眼睛，為了能夠看機器正常工作，就必須能夠讓他看到環境的狀态，包括光源和攝像頭。隻有營造好良好的視覺系統，才能夠有良好的圖檔輸入，如果圖檔品質比較高的話，軟體層面的圖像處理就會比較順利。光源主要目的是為了照明，提供足夠的亮度，同時光源的布置必須注意光照均勻、盡量減少系統的反光，不然圖檔處理層面比較難解決。光源包括點光源、線光源、平行光源等。不過我的系統裡面沒有專門的光源。
攝像頭包括usb攝像頭、工業攝像頭等，主要用來把光信号轉換為計算機能夠處理的電信号。usb攝像頭價格比較低，但是會産生一些圖像畸變的問題。同時，如果在攝像頭前面增加合适的鏡片，可以對光進行一些預處理。比如有些usb鏡頭視野比較小，可以增加廣角鏡頭；光源處理不當平面有反光，可以選擇增加偏振光濾光鏡頭；比如光強太大，可以用中性灰階鏡減少光線的整體輸入。
usb攝像頭
偏振光濾光片
2.3 系統
系統主要是指軟體層面的東西。如果說視覺是機器的眼睛的話，系統就是機器的大腦。從視覺系統中擷取到的圖檔，傳送給電腦，在電腦端進行圖像的處理，将處理得到的結果傳遞給下位機，即可控制執行部件完成指定的功能。
3. 系統組成概述
3.1 使用工具盤點
在視覺部分，我并沒有專門配備光源。攝像頭選擇了最普通的usb攝像頭，還是有一點點模糊的。攝像頭通過USB接口連接配接到電腦，構成了系統的輸入部分。如果不希望電腦連接配接很多線的話，也可了利用wifi技術，購買帶有wifi圖傳功能的攝像頭子產品，在電腦端寫一個套接字接收圖檔即可。
自己造的攝像頭
有了輸入部分之後，就需要有處理部分了。處理部分就是PC機。我的上位機開發環境是VS2019+opencv 3.4.9，程式設計語言使用的是c++。計算機通過usb接口，讀取攝像頭采集到的圖檔，通過opencv對圖檔進行預處理，對攝像頭讀取的圖檔進行識别，讀取得到了網格線的像素坐标，以及棋子的坐标。将棋局資訊送入五子棋裁決部分，即可解析得到落子點，将落子點傳回給下位機即可完成自己的任務。
最後是執行部分。執行部分的機械結構是吸盤機械臂，通過大氣壓吸取棋子，完成棋子的拿取和放下的動作。控制部分使用的是arduino nano和配套的舵機控制闆。arduino通過序列槽資料線，擷取上位機來的指令，通過運動學的逆解，将坐标資訊解析為舵機的關節角，即可驅動機械臂拾取棋子。如果不希望通過資料線連接配接電腦進行資料交換，可以使用wifi或者藍牙子產品進行資料的互動。
機械設計
arduino nano
其餘還用到了一些東西就比如自己制作的棋盤，購買的棋子以及整個系統的固定底座了。
棋盤和棋子
CAD畫的底闆
3.2 流程圖
4. 制作步驟建議
關于制作步驟，我個人的想法是
(1)多看看别人是怎麼做的，了解整個系統架構。我是在b站看了看别人怎麼設計的，采用差不多的路子做的。
(2) 購買一個比較簡單的機械臂了解一下結構和原理，并進行結構設計，或者購買現成的，省去這一步。如果想作為參考物的話，淘寶這種木質的就很好，因為非常便宜。
(3) 熟悉arduino的使用和舵機的控制方法
(4) 完成運動學正逆解和軌迹規劃，完成拾取一些小物件的功能。
拾取棋子
(5) 制作或者購買棋子和棋盤，完成網格識别和棋子識别，使得電腦端能夠根據圖檔輸出棋盤的資料。
(6) 完成五子棋算法。實作在棋盤上下棋，電腦能夠自動給出對應手，并繪制在棋盤上
(7) 完成序列槽通訊部分，使得上位機和下位機之間能夠互動
(8) 固定各個部件位置，比如制作底闆。
(9) 進行最後的綜合測試。
5. 需要的知識及參考資料推薦
下面這些參考資料是我看完了的，感覺不錯的，可以根據需要選取。
5.1 機械設計部分
(1) Solidworks 推薦視訊“solidworks 從入門到精通” ，用來繪制整個機械臂結構的,建議全看完
https://www.bilibili.com/video/BV1nW411Y7W7
(2)CAD二維設計 推薦視訊“CAD 2018快速入門教程”，用來繪制底闆的，因為亞克力切割淘寶需要cad的檔案。https://www.bilibili.com/video/BV13t411i7c8
(3) CAD三維設計 推薦視訊"CAD三維模組化完全自學教程"，如果有三維亞克力設計需求的，繼續看三維設計視訊。這個三維視訊比較一般吧，有更好的可以找更好的https://www.bilibili.com/video/BV12E41167UD
(4) grabCAD網站有很多機械臂開源圖紙，也可以參考，強烈推薦這個網站https://grabcad.com/
5.2 下位機控制與控制原理部分
(1) Arduino 推薦一本書 “Arduino程式設計指南個智能硬體程式設計技巧Simon Monk 人民郵電出版社” ,這本書裡面講了一些比較深入的設計方法，比較有趣。如果沒有時間全看一本書，稍微了解arduino使用方法、舵機控制原理、庫封裝方法也夠了。
(2) 運動學逆解推薦一本書 《機器人學導論》作者：[美]約翰·克雷格，推薦網課 台大機器人學–林沛群https://www.bilibili.com/video/BV1v4411H7ez。不過如果你隻是使用三自由度機械臂，并且沒有深入學習的欲望，這本書可以跳過不看，不使用線性代數的方法，可以使用幾何方法進行解析。
如果想更加深入的了解機械臂怎麼精确控制，這是本非常經典的書
(3) 如果要看機器人學導論的話，需要先修線性代數，推薦書籍 《線性代數及其應用》 作者：戴維.c.雷 ，推薦搭配網課 MIT 線性代數 一起閱讀https://www.bilibili.com/video/BV1zx411g7gq
5.3 視覺部分
(1) opencv ，推薦書籍《opencv3程式設計入門》作者：毛星雲。 推薦兩個up的視訊搭配一起看，緻敬大神https://www.bilibili.com/video/BV1jJ411M7Bo，會飛的吳克https://space.bilibili.com/14672002?spm_id_from=333.788.b_765f7570696e666f.2
書建議全部看完，因為你會有更多解決圖像中出現問題的思路
5.4 上位機部分
(1) c++。如果隻是想入門的話，看一下"翁恺C++語言程式程式設計全系列"足夠了https://www.bilibili.com/video/BV1j7411L7kL，需要有c語言基礎。
除此之外，我還看完了《essential c++》和《c++ primer》。讀c++ primer可以配網課一起看 ：
- C++ Primer 初級(C++基礎) https://www.bilibili.com/video/BV1P7411k7Km、
- C++ Primer 中級（oop）https://www.bilibili.com/video/BV1A7411k7MD、
- C++ Primer進階(stl及算法) https://www.bilibili.com/video/BV1A7411k7mv
6. 參考資料
[1]機器視覺系統有哪些部分組成