便携式下棋机器人系统的设计与实现

论文摘要

机器人技术是备受当今世界关注的热点课题,对机器人的研究内容涉及机械学、电子学、计算机科学、控制工程学、生物学、人类学、人工智能与社会学等。并且其近年来取得了巨大发展,已经对国民的经济和人民的生活产生了重大影响。具有人机交互功能的便携式下棋机器人是针对近年来迅速发展的科普领域中的“科技大篷车”对机器人的需求而研究与开发的一种便携式的博弈机器人。便携式下棋机器人是基于机器人学和计算机视觉等技术实现的面向广泛流动人员的人机交互系统。该系统基于计算机视觉技术自动识别棋局,通过机器人自行完成对棋子的挪动实现人机交互功能。本文针对项目要求,设计了基于计算机视觉的便携式下棋机器人系统的整体结构；论述了视觉识别的原理、功能和在本系统中的应用情况；分析了本项目的性能要求、难点及解决方案；对机器人本体部分进行了设计并实现,确定了机械臂的结构；研究了指数积公式法,改进了传统的使用D-H参数法计算运动学正问题和逆问题的算法；实现了通过使样本色标颜色空间转换至HSV空间并生长的方法建立特征颜色库来进行匹配识别的方法和重心法对末端执行器的色标的识别与精确定位；利用Matlab完成了系统的三维仿真；在Windows下,实现了精确定时并通过并口使用VC++编程实现了对步进电机的速度和加、减速的控制。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景以及现实意义
• 1.1.1 科普机器人的发展现状
• 1.1.2 开发便携式下棋机器人的现实意义
• 1.1.3 开发便携式下棋机器人的研究意义
• 1.2 本文研究的相关技术
• 1.2.1 计算机博弈
• 1.2.2 机器人学
• 1.2.3 模式识别技术
• 1.3 本文的课题任务及创新点
• 1.4 本文结构安排
• 第2章 便携式下棋机器人系统
• 2.1 便携式下棋机器人系统的整体结构
• 2.1.1 便携式下棋机器人系统原理
• 2.1.2 便携式下棋机器人的结构设计
• 2.2 下棋机器人视觉识别原理与功能
• 2.3 下棋机器人视觉子系统的功能
• 2.3.1 对棋盘、棋子的识别定位功能
• 2.3.2 对系统的闭环运动控制的功能
• 2.4 本项目的难点和解决方案
• 2.4.1 本项目的性能要求与难点分析
• 2.4.2 解决方案的设计和实现
• 2.5 本章小结
• 第3章 便携式下棋机器人本体的设计
• 3.1 便携式下棋机器人本体的结构设计
• 3.2 基于D-H参数理论的运动学分析
• 3.2.1 位姿的描述
• 3.2.2 运动的坐标表示
• 3.2.3 齐次矩阵
• 3.2.4 便携式下棋机器人D-H参数的确定
• 3.3 基于旋量理论的运动学分析
• 3.3.1 旋量理论所涉及的数学问题
• 3.3.1.1 相关数学定义
• 3.3.1.2 刚体运动的指数坐标与运动旋量
• 3.3.2 RPP型机器人正向运动学的指数积（POE）公式
• 3.3.3 RPP型机器人反向运动学的指数积公式
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于计算机视觉的闭环运动控制环节的设计与实现
• 4.1 闭环运动控制环节的设计
• 4.2 基于颜色的末端执行器的识别
• 4.2.1 颜色空间的选择
• 4.2.2 色标样本在各颜色空间的转换与生长
• 4.2.3 基于生长后数据库的特定色标的识别
• 4.3 末端执行器的定位
• 4.3.1 色标定位方法的原理与选择
• 4.3.2 色标定位的实现
• 4.4 误差分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 末端执行器位置控制的仿真与实现
• 5.1 基于Matlab的系统仿真
• 5.1.1 D-H参数的修定
• 5.1.2 机器人的搭建
• 5.1.3 仿真结果及分析
• 5.2 驱动装置的选择
• 5.3 基于Windows的精确定时的实现
• 5.4 基于并口的Windows环境下对步进电机的速度和加速度的控制
• 5.4.1 并口原理及其在本系统中的应用
• 5.4.2 对步进电机速度的控制
• 5.4.3 对步进电机加、减速的控制
• 5.5 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 本文的主要工作和不足
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢