基于3DOF机械臂的五子棋机器人
文章目录
- 基于3DOF机械臂的五子棋机器人
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- 1. 前言
- 2. 机器视觉系统概述
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- 2.1 机器
- 2.2 视觉
- 2.3 系统
- 3. 系统组成概述
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- 3.1 使用工具盘点
- 3.2 流程图
- 4. 制作步骤建议
- 5. 需要的知识及参考资料推荐
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- 5.1 机械设计部分
- 5.2 下位机控制与控制原理部分
- 5.3 视觉部分
- 5.4 上位机部分
- 6. 参考资料
1. 前言
2020年因为疫情，全国大学都不开学，差不多在家里呆了大半年吧，因为不想无所事事，所以杂七杂八的学了很多东西。到6月份的时候，因为我是毕业生，需要回学校办理一些毕业事项和离校手续，就在学校进行封闭式隔离。说真的，在学校的日子实在是挺无聊的，啥事也不能干，因为恰好学了学c++和opencv，所以就想做点东西，最后就搞了个软件层面的，能人机交互的五子棋系统。大搞也就写了一个多星期吧。
软件五子棋
因为碰巧看了一些做五子棋机器人的视频，后来就一直心理念念不忘，想搞个硬件和机械层面的五子棋机器人。于是从七月开始就一直在着手策划了，零零散散，断断续续的做着，正好11月1号完工了，前前后后可能花费了大约4个月的时间吧，最后决定写个五子棋机器人系列的文章，做个总结，也希望告诉其他人应该怎么做这个事情，打算不但把自己成功的一些方法写进来，也把失败和遇到的一些问题写进来。有时候出现的问题可能更加具有参考价值。
这篇文章就写个系统概述，说一说这个系统都包括了什么，需要什么基础知识，以及怎么做。后面大概会写机械结构怎么设计，设计的时候应该注意什么问题；下位机怎么开发，如何通过运动学逆解求解舵机的角度，怎么通过轨迹规划，使得运动更加平滑；上位机如何开发，怎么识别棋盘和棋子；五子棋的软件层面是什么逻辑；如何通过串口通讯把系统组合起来；以及一些涉及到手工制作的东西怎么做。
不过吧，这里也要说一句，我确实不是学相关专业的人士，我学和做这些个东西，算是个业余爱好吧，要是有哪里说得不专业了，请各位网友包涵哈!
顺便让五子棋机器人系统亮个相。
五子棋机器人整体图
2. 机器视觉系统概述
机器视觉系统[1],从字面意思看，主要包括机器、视觉和系统三个部分。
2.1 机器
机器就是指机械的结构设计和运动控制，机械结构就比如这里的机械臂，运动控制可以使用单片机、PLC等进行控制。
机械臂
2.2 视觉
视觉部分是机器的眼睛，为了能够看机器正常工作，就必须能够让他看到环境的状态，包括光源和摄像头。只有营造好良好的视觉系统，才能够有良好的图片输入，如果图片质量比较高的话，软件层面的图像处理就会比较顺利。光源主要目的是为了照明，提供足够的亮度，同时光源的布置必须注意光照均匀、尽量减少系统的反光，不然图片处理层面比较难解决。光源包括点光源、线光源、平行光源等。不过我的系统里面没有专门的光源。
摄像头包括usb摄像头、工业摄像头等，主要用来把光信号转换为计算机能够处理的电信号。usb摄像头价格比较低，但是会产生一些图像畸变的问题。同时，如果在摄像头前面增加合适的镜片，可以对光进行一些预处理。比如有些usb镜头视野比较小，可以增加广角镜头；光源处理不当平面有反光，可以选择增加偏振光滤光镜头；比如光强太大，可以用中性灰度镜减少光线的整体输入。
usb摄像头
偏振光滤光片
2.3 系统
系统主要是指软件层面的东西。如果说视觉是机器的眼睛的话，系统就是机器的大脑。从视觉系统中获取到的图片，传送给电脑，在电脑端进行图像的处理，将处理得到的结果传递给下位机，即可控制执行部件完成指定的功能。
3. 系统组成概述
3.1 使用工具盘点
在视觉部分，我并没有专门配备光源。摄像头选择了最普通的usb摄像头，还是有一点点模糊的。摄像头通过USB接口连接到电脑，构成了系统的输入部分。如果不希望电脑连接很多线的话，也可了利用wifi技术，购买带有wifi图传功能的摄像头模块，在电脑端写一个套接字接收图片即可。
自己造的摄像头
有了输入部分之后，就需要有处理部分了。处理部分就是PC机。我的上位机开发环境是VS2019+opencv 3.4.9，编程语言使用的是c++。计算机通过usb接口，读取摄像头采集到的图片，通过opencv对图片进行预处理，对摄像头读取的图片进行识别，读取得到了网格线的像素坐标，以及棋子的坐标。将棋局信息送入五子棋裁决部分，即可解析得到落子点，将落子点返回给下位机即可完成自己的任务。
最后是执行部分。执行部分的机械结构是吸盘机械臂，通过大气压吸取棋子，完成棋子的拿取和放下的动作。控制部分使用的是arduino nano和配套的舵机控制板。arduino通过串口数据线，获取上位机来的指令，通过运动学的逆解，将坐标信息解析为舵机的关节角，即可驱动机械臂拾取棋子。如果不希望通过数据线连接电脑进行数据交换，可以使用wifi或者蓝牙模块进行数据的交互。
机械设计
arduino nano
其余还用到了一些东西就比如自己制作的棋盘，购买的棋子以及整个系统的固定底座了。
棋盘和棋子
CAD画的底板
3.2 流程图
4. 制作步骤建议
关于制作步骤，我个人的想法是
(1)多看看别人是怎么做的，了解整个系统架构。我是在b站看了看别人怎么设计的，采用差不多的路子做的。
(2) 购买一个比较简单的机械臂了解一下结构和原理，并进行结构设计，或者购买现成的，省去这一步。如果想作为参考物的话，淘宝这种木质的就很好，因为非常便宜。
(3) 熟悉arduino的使用和舵机的控制方法
(4) 完成运动学正逆解和轨迹规划，完成拾取一些小物件的功能。
拾取棋子
(5) 制作或者购买棋子和棋盘，完成网格识别和棋子识别，使得电脑端能够根据图片输出棋盘的数据。
(6) 完成五子棋算法。实现在棋盘上下棋，电脑能够自动给出对应手，并绘制在棋盘上
(7) 完成串口通讯部分，使得上位机和下位机之间能够交互
(8) 固定各个部件位置，比如制作底板。
(9) 进行最后的综合测试。
5. 需要的知识及参考资料推荐
下面这些参考资料是我看完了的，感觉不错的，可以根据需要选取。
5.1 机械设计部分
(1) Solidworks 推荐视频“solidworks 从入门到精通” ，用来绘制整个机械臂结构的,建议全看完
https://www.bilibili.com/video/BV1nW411Y7W7
(2)CAD二维设计 推荐视频“CAD 2018快速入门教程”，用来绘制底板的，因为亚克力切割淘宝需要cad的文件。https://www.bilibili.com/video/BV13t411i7c8
(3) CAD三维设计 推荐视频"CAD三维建模完全自学教程"，如果有三维亚克力设计需求的，继续看三维设计视频。这个三维视频比较一般般吧，有更好的可以找更好的https://www.bilibili.com/video/BV12E41167UD
(4) grabCAD网站有很多机械臂开源图纸，也可以参考，强烈推荐这个网站https://grabcad.com/
5.2 下位机控制与控制原理部分
(1) Arduino 推荐一本书 “Arduino编程指南个智能硬件程序设计技巧Simon Monk 人民邮电出版社” ,这本书里面讲了一些比较深入的设计方法，比较有趣。如果没有时间全看一本书，稍微了解arduino使用方法、舵机控制原理、库封装方法也够了。
(2) 运动学逆解推荐一本书 《机器人学导论》作者：[美]约翰·克雷格，推荐网课 台大机器人学–林沛群https://www.bilibili.com/video/BV1v4411H7ez。不过如果你只是使用三自由度机械臂，并且没有深入学习的欲望，这本书可以跳过不看，不使用线性代数的方法，可以使用几何方法进行解析。
如果想更加深入的了解机械臂怎么精确控制，这是本非常经典的书
(3) 如果要看机器人学导论的话，需要先修线性代数，推荐书籍 《线性代数及其应用》 作者：戴维.c.雷 ，推荐搭配网课 MIT 线性代数 一起阅读https://www.bilibili.com/video/BV1zx411g7gq
5.3 视觉部分
(1) opencv ，推荐书籍《opencv3编程入门》作者：毛星云。 推荐两个up的视频搭配一起看，致敬大神https://www.bilibili.com/video/BV1jJ411M7Bo，会飞的吴克https://space.bilibili.com/14672002?spm_id_from=333.788.b_765f7570696e666f.2
书建议全部看完，因为你会有更多解决图像中出现问题的思路
5.4 上位机部分
(1) c++。如果只是想入门的话，看一下"翁恺C++语言程序编程全系列"足够了https://www.bilibili.com/video/BV1j7411L7kL，需要有c语言基础。
除此之外，我还看完了《essential c++》和《c++ primer》。读c++ primer可以配网课一起看 ：
- C++ Primer 初级(C++基础) https://www.bilibili.com/video/BV1P7411k7Km、
- C++ Primer 中级（oop）https://www.bilibili.com/video/BV1A7411k7MD、
- C++ Primer高级(stl及算法) https://www.bilibili.com/video/BV1A7411k7mv
6. 参考资料
[1]机器视觉系统有哪些部分组成