圍棋機(jī)器人機(jī)械臂設(shè)計(jì)研究

摘 要：針對當(dāng)前圍棋機(jī)器人機(jī)械臂體積大、精度低和成本高的問題，設(shè)計(jì)出一種雙臂平行水平布置的機(jī)器人。首先詳細(xì)介紹機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)，然后對機(jī)械臂結(jié)構(gòu)形式、大臂和小臂長度及末端執(zhí)行器吸盤直徑進(jìn)行分析和計(jì)算，最后給出電機(jī)選型依據(jù)和結(jié)果。該款圍棋機(jī)器人機(jī)械臂在定位精度、轉(zhuǎn)速和穩(wěn)定性方面表現(xiàn)優(yōu)異，有效提升了人機(jī)對弈體驗(yàn)，并推動了圍棋機(jī)器人的商業(yè)化應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：圍棋機(jī)器人；機(jī)械臂；驅(qū)動系統(tǒng)；運(yùn)動特性

中圖分類號：TP242.3" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）07-0040-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.07.010

0" " 引言

圍棋作為我國傳統(tǒng)文化瑰寶，擁有深厚的歷史底蘊(yùn)和廣泛的群眾基礎(chǔ)，在兒童與老年群體中圍棋愛好者尤為眾多。然而，隨著社會老齡化加劇，許多老年圍棋愛好者面臨著缺乏對弈伙伴的困境[1]。盡管電子設(shè)備提供了線上對弈途徑，但脫離真實(shí)棋盤的虛擬環(huán)境嚴(yán)重削弱了對弈體驗(yàn)和學(xué)習(xí)效果，且電子顯示屏對視力有潛在影響，加上老年人在操作電子產(chǎn)品時存在不便，這就進(jìn)一步凸顯了開發(fā)新型圍棋對弈工具的必要性。

近年來，圍棋機(jī)器人的研究雖取得一定進(jìn)展，部分產(chǎn)品借助工業(yè)機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)了人機(jī)對弈功能，但普遍存在體積龐大、成本高昂等問題，難以滿足市場的多元化需求[2-4]。在此背景下，本研究聚焦于設(shè)計(jì)一款高精度、低成本且用戶體驗(yàn)良好的圍棋機(jī)器人機(jī)械臂，旨在填補(bǔ)市場空白，推動圍棋文化的傳承與發(fā)展。

1" " 圍棋機(jī)器人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1" " 圍棋機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

圍棋機(jī)器人的機(jī)械臂模仿人類對弈動作，在軟硬件系統(tǒng)的控制下，能夠?qū)崿F(xiàn)空間轉(zhuǎn)動、落子、取子等動作，自主完成整盤棋局的對弈。設(shè)計(jì)的圍棋機(jī)器人機(jī)械臂整體結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。

圍棋機(jī)器人機(jī)械臂主要由固定基座、大臂桿組件、小臂桿組件、末端執(zhí)行器和棋盤五部分組成。大臂桿組件由大臂桿外殼、大臂桿支撐桿和大臂驅(qū)動電機(jī)組成，由于大臂桿承受整個臂體的重量且重量相對較大，故大臂支撐桿設(shè)計(jì)成鋁合金材質(zhì)，大臂外殼是PC材質(zhì)。大臂驅(qū)動電機(jī)一端固定在大臂支撐件的端部用來驅(qū)動整個大臂的轉(zhuǎn)動，另一端通過大臂驅(qū)動電機(jī)支架固定在基座上，這樣可有效減小整個機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動慣量。小臂桿組件的一端通過軸承與大臂桿組件固定連接，且在固定連接處固定有小臂桿驅(qū)動電機(jī)，用來驅(qū)動小臂桿的轉(zhuǎn)動；另一端固定有末端執(zhí)行器，小臂桿內(nèi)部固定有能夠帶動末端執(zhí)行器上吸嘴升降的電機(jī)。由于小臂桿組件上的零部件重量相對較輕，故小臂桿組件的外殼采用PC材質(zhì)，以減輕其重量和小臂的轉(zhuǎn)動慣量。機(jī)械臂位于棋盤上方，與棋盤邊緣保持適當(dāng)距離，大臂和小臂關(guān)節(jié)水平布置，使得機(jī)械臂結(jié)構(gòu)緊湊、操作靈活，工作空間得以最大化利用，同時便于收納和轉(zhuǎn)運(yùn)。

1.2" " 機(jī)械臂長度搭配方案分析

為實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂在棋盤范圍內(nèi)的高效取落子操作，確定機(jī)械臂與棋盤的相對位置關(guān)系至關(guān)重要。通過三維軟件模擬大臂和小臂的運(yùn)動過程，綜合考慮末端執(zhí)行器的抓取動作和運(yùn)動干涉因素，確定大臂轉(zhuǎn)動中心點(diǎn)與棋盤邊緣豎直距離為98 mm，并將棋盤中心點(diǎn)與大臂轉(zhuǎn)動中心點(diǎn)在豎直方向上對齊，使底座位于棋盤中線。

在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析大臂和小臂長度關(guān)系。對比不同長度組合方案發(fā)現(xiàn)，當(dāng)大臂長度大于小臂長度時（如L大＞L?。m存在一定的遍歷盲區(qū)，但可將主要工作區(qū)域置于棋盤外，且大臂靠近機(jī)架，結(jié)構(gòu)剛度和受力性能更優(yōu)；而當(dāng)大臂長度小于小臂長度時（如L大＜L小），雖遍歷范圍較大，但受力狀況不佳。因此，綜合考慮選擇前者作為設(shè)計(jì)方案。

1.3" " 機(jī)械臂臂桿長度設(shè)計(jì)

根據(jù)上述已知機(jī)械臂大臂轉(zhuǎn)動中心點(diǎn)與圍棋棋盤邊緣在豎直方向的距離和大臂的長度L大要大于小臂的長度L小兩方面信息，確定大臂和小臂的具體長度，使得機(jī)械臂臂桿的伸展范圍足夠達(dá)到棋盤上的最遠(yuǎn)點(diǎn)，末端執(zhí)行器能夠遍歷棋盤和棋盒上的所有點(diǎn)。

對于19×19標(biāo)準(zhǔn)棋盤，經(jīng)過測量得出整個棋盤的總長度和總寬度分別為484、464 mm，其中有效棋盤（整個棋盤除去四周邊框區(qū)域）長度和寬度分別為435、420 mm。所有棋格是平均分布的，單個棋格長度和寬度分別為24.2、23.3 mm。最終確定機(jī)械臂相對于棋盤的位置如圖3所示。

根據(jù)圖3中的棋盤最大外形尺寸L1、H1和機(jī)械臂相對棋盤的位置尺寸H2，由于機(jī)械臂的末端吸嘴要遍歷棋盤上的所有點(diǎn)，故可以求出棋盤最遠(yuǎn)點(diǎn)A相對于大臂轉(zhuǎn)動中心的距離L：

經(jīng)計(jì)算，機(jī)械臂所能達(dá)到的最長距離須大于等于626.5 mm，大臂的長度L大和小臂的長度L小之和須大于等于626.5 mm，即L大+L小≥626.5 mm。

同時，為優(yōu)化整體重量分布，不但使大臂承擔(dān)主要質(zhì)量，而且使臂桿的總長度最小，則最優(yōu)解為小臂在棋盤最近點(diǎn)的位置與大臂重合，此時大臂與小臂長度差等于98 mm，即L大-L小=98 mm。

當(dāng)L大+L小=626.5 mm，且L大-L小=98 mm時，臂體滿足功能需求且質(zhì)量最小，計(jì)算可得L大=362.25 mm，L小=264.25 mm。這兩個長度均為大臂、小臂旋轉(zhuǎn)中心軸之間的距離，能夠確保末端執(zhí)行器遍歷棋盤及棋盒所有位置，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)操作。

1.4" " 機(jī)械臂末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)

穩(wěn)定抓取棋子是圍棋機(jī)器人正常運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)直接影響其性能。市面上常見的抓取方式包括夾取式、磁吸式和吸盤式[5-7]，其中吸盤式憑借負(fù)壓真空泵產(chǎn)生吸力，結(jié)構(gòu)簡單，且能夠兼容市場上絕大多數(shù)的圍棋棋子，故末端執(zhí)行器選擇吸盤式，用于吸放棋子。

常規(guī)的塑料圍棋棋子重量約2.5 g，直徑大約22 mm。對于圍棋機(jī)器人的末端執(zhí)行器而言，吸嘴的直徑與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起著至關(guān)重要的作用。合適的吸嘴直徑與精巧的結(jié)構(gòu)，不僅能夠確保在取子操作過程中穩(wěn)穩(wěn)地吸附住棋子，使其在移動過程中不會輕易脫落，而且還能顯著提升取子的成功率，優(yōu)化整個對弈流程的效率。

在確定吸嘴直徑的最優(yōu)值時，需要遵循一個重要的原則，就是在保證能夠成功吸起圍棋棋子的基本前提之下，盡可能選擇最小的直徑。這是因?yàn)檩^小的吸嘴直徑有助于減少不必要的空氣阻力和能量損耗，同時也能使末端執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)更加緊湊和靈活，在執(zhí)行取放子動作時能夠更加迅速和精準(zhǔn)地定位。

真空吸盤盤徑大小D為：

式中：D為吸盤直徑（mm）；P為真空度，選型的真空泵P=-90 kPa；W為吸附力（N）；n為參與工作的吸盤數(shù)量；f為安全系數(shù)，被吸物水平懸掛時，安全系數(shù)f≥4。

最終計(jì)算得吸盤直徑的最小值為16 mm。

2" " 機(jī)械臂驅(qū)動電機(jī)選型

機(jī)械臂共有3個驅(qū)動電機(jī)，分別是驅(qū)動整個臂體（大臂桿組件和小臂桿組件）的大臂驅(qū)動電機(jī)、驅(qū)動小臂桿組件的小臂驅(qū)動電機(jī)和能夠使得吸嘴垂直方向升降的提升電機(jī)。

電機(jī)選型要結(jié)合整機(jī)性能參數(shù)的要求，整機(jī)對機(jī)械臂的性能參數(shù)要求有：1）絕對定位精度≤1 mm；2）重復(fù)定位精度≤0.5 mm；3）臂體轉(zhuǎn)動速度≥150（°）/s；4）棋子被吸附后，轉(zhuǎn)動過程中不掉落；5）末端垂直高度的穩(wěn)定性≤1 mm；6）坐在棋盤對面，距離主機(jī)50 cm處，噪聲小于30 dB。經(jīng)過深入分析與篩選，最終選定直流無刷外轉(zhuǎn)子電機(jī)作為大臂桿組件和小臂桿組件的驅(qū)動電機(jī)。此類電機(jī)集成化程度頗高，在有限空間內(nèi)高度整合了多種功能組件，極大地提升了系統(tǒng)的緊湊性與穩(wěn)定性；同時，它擁有強(qiáng)大的輸出扭矩，能夠?yàn)榇蟊酆托”鄣倪\(yùn)動提供充足且強(qiáng)勁的動力支持；此外，該電機(jī)巧妙地設(shè)計(jì)有中心孔，這種結(jié)構(gòu)為布線工作帶來了極大的便利。對于吸嘴提升電機(jī)的選擇，鑒于其工作特性，即提升速度相對較低，且在提升過程中所需的力矩也較小，最終選用了步進(jìn)電機(jī)。

選型的3款電機(jī)參數(shù)如表1所示。

3" " 結(jié)束語

本研究通過系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、科學(xué)的臂長優(yōu)化、合理的末端執(zhí)行器和驅(qū)動電機(jī)選型，成功研制出一款性能優(yōu)異、成本可控的圍棋機(jī)器人機(jī)械臂。在定位精度、運(yùn)動速度和穩(wěn)定性等關(guān)鍵性能方面，該機(jī)械臂達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，有效彌補(bǔ)了現(xiàn)有產(chǎn)品的不足。其良好的用戶交互體驗(yàn)為圍棋愛好者提供了更加真實(shí)、便捷的對弈環(huán)境，有力地推動了圍棋機(jī)器人在市場中的應(yīng)用與普及。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 陳彥斌，林晨，陳小亮.人工智能、老齡化與經(jīng)濟(jì)增長[J].經(jīng)濟(jì)研究，2019，54（7）：47-63.

[2] 張順，嚴(yán)宏志，韓奉林，等.基于ARM和freeRTOS的圍棋機(jī)器人控制器設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動化，2018，40（1）：28-32.

[3] MATUSZEK C，MAYTON B，AIMI R，et al.Gambit：An autonomous chess-playing robotic system[C]//2011 IEEE International Conference on Robotics and Automa-tion，2011：4291-4297.

[4] KOLOSOWSKI P，WOLNIAKOWSKI A，MIATLIUK K，et al.Collaborative robot system for playing chess[C]//

2020 International Conference Mechatronic Systems and Materials（MSM），2020.

[5] 朱彬.基于PLC的氣動機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].數(shù)字通信世界，2017（5）：266-267.

[6] 劉騰飛，王戰(zhàn)中，孫國翔，等.汽車防撞梁電磁手爪研發(fā)[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2020，33（1）：87-92.

[7] DEEMYAD T，HASSANZADEH N，PEREZ-GRACIA A.Coupling mechanisms for multi-fingered robotic hands with skew axes[J].Mechanism Design for Robotics，2018：344-352.

收稿日期：2024-12-31

作者簡介：李明會（1988—），男，安徽阜陽人，碩士研究生，機(jī)械工程師，主要從事機(jī)器人設(shè)計(jì)開發(fā)工作。