OPOLCHESS – robot do gry w szachy (2) Konstrukcja mechaniczna

 

Jako podstawę do zamocowania manipulatora zamiast skrzyni wykorzystano stół. Na jego blacie zamontowano szachownicę. Ważnym założeniem było, by robot został wykonany przy niewielkich nakładach finansowych.

W przyjętym rozwiązaniu elementy mechaniczne wykonano głównie z profili i blachy aluminiowej oraz typowych śrub i nitów. Jako jednostki napędowe złącz kinematycznych zastosowano serwomechanizmy modelarskie. Przyjęto, że układ sterowania robota bazować będzie na wcześniej poznanych mikroprocesorach rodziny ATMega firmy Atmel.

Zakres prac podzielono na trzy etapy. Działania koordynowano, aby uzyskać spójną konstrukcję robota. Wszystkie elementy konstrukcji mechanicznej robota wykonano ręcznie. Jedynym odstępstwem od tego jest przezroczysty blat szachownicy, osadzony na kratownicy w wyfrezowanych w tym celu rowkach.

Konstrukcja manipulatora

Ramię robota wykonano jako manipulator o trzech stopniach swobody mechanicznej. Dodatkowe dwa stopnie swobody mechanicznej zrealizowano w nadgarstku, stosując swobodne, bez jednostek napędowych, zawieszenie chwytaka. W rezultacie chwytak pod wpływem grawitacji utrzymuje orientację pionową. Ze względu na przeznaczenie zastosowano chwytak trójpalczasty. Manipulator, zgodnie z założeniami składa się z trzech obrotowych par kinematycznych o strukturze antropomorficznej. Zastosowane do budowy manipulatora profile aluminiowe umożliwiły ograniczenie masy przy zachowaniu dużej wytrzymałości mechanicznej i stosunkowo prostej obróbce [1, 4].

W początkowej fazie projektowania przyjęto rozmiary i położenie bierek i szachownicy oraz pól dodatkowych przeznaczonych na figury do promocji. Na tej podstawie ustalono długość członów i zakres ruchu złącz kinematycznych, umożliwiające uchwycenie wszystkich bierek szachowych [2, 3]. Jako jednostki napędowe wykorzystano serwomechanizmy modelarskie: w barku ruch lewo-prawo Tower Pro MG-996R, w barku ruch góra-dół Hitec HS-805BB i w łokciu ruch lewo-prawo Hitec HS-645MG.

Pierwszym etapem realizacji ramienia było wykonanie konstrukcji nieruchomego korpusu, do którego przyłączono manipulator. Korpus został zamocowany do stołu. Następnie wykonano elementy mocujące jednostki napędowe złącz kinematycznych. Serwomechanizm podnoszący i opuszczający całe ramię został umieszczony na łożysku wzdłużnym. Umożliwia ono ruch obrotowy i stabilne mocowanie ramienia manipulatora podstawy.

Realizując kolejne elementy wzorowano się na budowie ręki ludzkiej: ramię, przedramię i dłoń. Dlatego następnym krokiem realizacji manipulatora było wykonanie ramienia. Po jego zmontowaniu wykonano przedramię. Końcowym etapem realizacji manipulatora było zamontowanie złącza w nadgarstku oraz chwytaka. Manipulator składa się z ponad 50 elementów.

Dla poprawy precyzji pozycjonowania, w manipulatorze zastosowano układy odciążenia i kasujące luzy w przegubach. Elementy te zaznaczono na rys. 1. prezentującym budowę manipulatora: A – ciężarek stabilizujący ruch wykonywany przez serwomechanizm 1, B - przeciwwaga odciążająca serwomechanizm 2, C - sprężyna kasująca luzy serwomechanizmu 3.

Konstrukcja chwytaka

Chwytak zaprojektowano i wykonano jako trójpalczasty element chwytający bierki, imitujący dwa palce dłoni i kciuk. Układ ten wykonano w całości ręcznie z profili, blach i prętów aluminiowych. Chwytak składa się z 210 elementów.

Do zamykania i otwierania palców chwytaka zastosowano dwa serwomechanizmy Hitec HS-55 (rys. 2). Konstrukcja chwytaka zamocowana została do ramienia robota na dwóch ruchomych złączach nadgarstka. W związku z tym chwytak zwisa swobodnie i przyjmuje zawsze ustawienie pionowe w stosunku do powierzchni szachownicy.

Stany pracy chwytaka sygnalizowane są przez trzy diody LED umieszczone w nadgarstku. Kolory podświetlenia sygnalizują odpowiednio: niebieski – gotowość chwytaka do pracy, zielony – poprawne uchwycenie bierki, czerwony – błąd uchwytu bierki. Do detekcji prawidłowości uchwycenia bierki zastosowano trzy mikroprzełączniki na końcówkach palców. Zadziałanie dowolnego z nich oznacza uchwycenie bierki.

Konstrukcja szachownicy

Zgodnie z regułami międzynarodowej federacji szachowej gra w szachy odbywa się na szachownicy złożonej z 64 pól. Ze względu na konieczność wymiany informacji między człowiekiem i robotem na temat figur użytych do promocji zastosowano 8 dodatkowych pól, po cztery dla człowieka i robota. W tym celu wykonano dwie dodatkowe szachownice boczne zawierające po cztery pola.

Projekt szachownicy uwzględnia odpowiedni stosunek wielkości pól do średnicy bierek, poprawiający zarówno komfort osoby grającej, czyli człowieka jak i możliwości operowania chwytaka. Szachownica główna wraz z szachownicami bocznymi stanowią integralną część robota. Umożliwiają rozpoznanie położenia bierek i detekcję wykonania ruchu, oraz informowanie o tym gracza.

Powierzchnia szachownic wykonana została z pleksi oklejonej dwukolorowymi foliami umieszczonej w drewnianej ramce. Pod powierzchnią szachownicy zamontowano kratownicę oddzielającą od siebie sąsiednie pola. Umożliwia to niezależne podświetlanie wybranych pól. Wewnątrz szachownicy zamontowano układy zbierające dane o pozycji bierek na szachownicy.

Aby ułatwić proces chwytania, wszystkie bierki mają jednakową średnicę. Wykonane zostały z rurki aluminiowej. W podstawie bierek zamontowano centralnie magnesy neodymowe, zalewając je żywicą epoksydową. Rozmiary magnesów dobrano w ten sposób, by pobudzały umieszczone wewnątrz szachownicy czujniki, a jednocześnie nie powodowały zmiany położenia bierek pod wpływem pola magnetycznego sąsiednich bierek.

W trakcie gry w szachy odkładanie zbitych bierek przez człowieka nie stanowi problemu. W przypadku prowadzenia rozgrywki przez robota konieczne jest zapewnienie miejsca na zbite bierki. W projekcie przyjęto, że manipulator będzie odkładał bierki w jedno miejsce, które pomiędzy kolejnymi ruchami powinno być opróżniane. Przewidziano dwa takie miejsca, po jednym dla człowieka i robota. W tym celu wykonano dwa otwory w blacie stołu, przez które bierki wpadają do specjalnie zaprojektowanej szuflady.

Szuflada jest elementem automatyzującym proces odkładania bierek i umożliwia ich przechowywanie. Składa się z dwóch części: ruchomej, czyli szuflady, w której za pomocą serwomechanizmu bierki są odsuwane z miejsca wrzutu na bok oraz części nieruchomej, w której skład wchodzą dwie rurki zamocowane w blacie stołu, wyposażone w czujniki optyczne.

Podsumowanie

Efektem kilkunastomiesięcznej realizacji projektu jest robot (rys. 5). Przedstawiona konstrukcja mechaniczna w połączeniu z układem sterowania zapewniającym komunikację z komputerem stanowi w pełni funkcjonalne urządzenie umożliwiające wykonywanie ruchów generowanych przez komputer i rozpoznawanie ruchów wykonywanych przez człowieka.

Bibliografia

1. Niederliński A.: Roboty przemysłowe. Wyd. Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa 1981.
2. Dulęba I.: Metody i algorytmy planowania ruchu robotów mobilnych i manipulacyjnych. Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa 2001.
3. Tchoń K., Mazur A., Dulęba I., Hossa R., Muszyński R.: Manipulatory i roboty mobilne: modele, planowanie ruchu, sterowanie. Akademicka Oficyna Wydawnicza PLJ, Warszawa 2000.
4. Jacak W., Tchoń K.: Podstawy robotyki. Wyd. Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1992.

Część 1 • • • • • Część 3