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项目名称:人机对弈五子棋机器人
组别:初中组 奖项:一等奖
代表团:浙江 参赛队:宁波华茂外国语学校
队员:朱俊松 干子锐 教练员:周建良
项目摘要:

本项目的设计目标是制作完成一个真正意义上可以和人面对面下棋的,集休闲和益智于一体的娱乐机器人,能完成看棋、算棋、取子下棋全过程动作。 我们希望制作的机器人也能继承人的思维,即下棋的时候能选择对自己最有利的走法,如果机器人既能拥有较高水平的思维能力,又能够拥有较快的思考与下棋速度,具备这两个特点的机器人无疑是比较成功的。 五子棋机器人由图像识别、五子棋算法、机器人下棋三个部分组成。机器人的运行原理十分简单,首先,人每下一步,需按一下平台上的“确认”键,接着,机器人通过数码摄像头的“视觉系统”,观察棋盘上对弈双方棋子的位置,并将信息传回作为“大脑”的计算机系统,由计算机进行图像识别,判断人走了哪一步,并考虑机器人下一步应走的位置,最后,把下一步棋的走法传给机械臂,完成下棋动作,从而实现人机对弈的全过程。 整个作品成功地将计算机、数码摄像头、RCX控制器、乐高积木和其他功能部件有机地结合在一起,较好地解决了图像识别、对弈算法设计及机器人棋子放置等诸多难点,使机器人具有了一定完整度的视觉、思考和动作能力。

专家评语:

为提高社区老人的娱乐活动,以人机对弈五子棋为设计场景,采用了机、电、光、控、信等相关知识,较好地完成了该娱乐机器人的设计。设计新颖,有一定的创新,目标明确,解决方案切实可行,整个设计结构合理,运用知识正确,申报材料完整规范,陈述清晰,回答问题正确,现场操作娴熟,现场对弈正确无误,娱乐性强,表演性好,并具有一定的产品转化前景,综合全队工作,分工明确,团结协作精神高,是一非常好的创意设计作品。

演示视频

演示图片

设计目标

据2010年第六次全国人口普查,60岁以上人口达1.77亿人。人口老龄化日益严重成为了人们担忧的现状,失独老人也成为人们关注的焦点。如何让老人们安享晚年,健康生活,成了关爱“夕阳红”不能回避的问题。 事实上,随着年龄的增加,人的生理机能也在衰退,这时老人的起居生活应该得到悉心的照顾,老人的健康也必须得到有效的监测。但在物质生活得到基本满足后,老年人对精神生活也有了更多的追求和渴望:渴望与社会交往,渴望有更多精彩的休闲方式,渴望新的兴趣和角色来填充生活。有研究表明,老年人经常进行精神层面的沟通,会活跃思维,锻炼脑细胞,能够延缓大脑衰退,有效预防老年痴呆。因此,有针对性地设计老年人休闲娱乐产品,通过设计去改善和提高老年人的身体素质,调节老年人的心理,引导老年人欢度晚年,是十分必要的。 因此,我们构想出了一个集娱乐,休闲和益智于一体的五子棋机器人。我们认为我们制作的机器人可以服务于社区里的老年人,特别是“空巢”老人,它可以为老年人提供了一种新的娱乐方式,老年人也一定会对它产生浓厚的兴趣。我们相信,我们的机器人一定可以起到关心老人的作用,让老人不再孤单

研制过程

难点1:棋盘上棋子的识别 本系统提出的五子棋棋盘图像识别方法,包括图像灰度化、图像去噪、二值化处理、识别定位、特征提取及特征识别等过程。实验表明,本方法识别15×15棋盘仅需0.16秒。所以,我们认为该方案达到了设计要求,是可行的。 难点2:棋子落子位置的定位 在棋盘垂直和水平方向使用黑色乐高积木1×3方条,间隔一定的相同距离搭建一块黑色方条积木,黑色方条积木与棋盘上的线条一一对应,机器人移动时,靠检测经过的黑色方条积木也确定机器人的移动距离,从而定位棋子的落子位置。黑色方条积木相比于棋盘上的线条要宽得多,更容易被红外传感器检测到。 难点3:机器人落子装置的设计 利用臺角硬币来制作棋子,使用轻质塑料薄片横向拨动棋子,这样每一次拨动,只能落下一颗棋子,从而完成落子动作。 难点4:五子棋人工智能算法 在整个机器人的制作中,人工智能算法是最关键、最重要的部分。本系统采用的人机博弈算法有以下几个部分组成:机器中表示棋局的方法,能够让机器人知道博弈的状态;产生合法走法的规则,可判断对手是否乱走;从所有合法走法中选择最佳的走法技术。

科学性、创新性、实用性

制作完成的五子棋机器人基本达到了我们的设计要求,能够自主完成看棋、算棋、取子下棋的全过程。我们在硬件搭建、图像识别和算法设计等方面进行了深入的研究,并取得了一定的成果。 1)制作完成的机器人是真正意义上可以和人面对面下棋的博弈机器人,机器人具有较强的视觉、思考和动作能力,能够自主完成看棋、算棋和取子下棋的全过程,基本不需要人工干预。 2)本系统提出的五子棋棋盘图像识别方法,包括图像灰度化、图像去噪、二值化处理、识别定位、特征提取及特征识别等过程。实验表明,本方法识别15×15棋盘仅需0.16秒。 3)本系统在图像识别处理时采用了螺旋向外搜索法。五子棋大部分的棋局对弈都在围绕着中心点展开的。我们在实际扫描棋盘图像时,也是从中心点开始呈螺旋形向外扫描,这样,我们可以选择在扫描到一个新棋子后,终止在其他落子点的扫描,从而提高了图像识别的速度。 4)利用棋子的厚度,解决了单枚棋子落子的难点,并改良了横杆,纠正了连续落子的动作误差,提高了系统的稳定性。

进一步提高的设想

本系统设计对比其他机器人有许多优点,但它也存在着许多不足,主要有以下的几点: 1、在下一步改进中,可以把落子的方式改为仿真机械臂,这样视觉效果上更加生动,使得它更能与人更好的互动。 2、机器人主要的服务对象是老年人,而老年人并不能熟练使用电脑。目前机器人是需要计算机来控制的,所以我们希望在下一步改进中,采用NXT控制器,并且把计算机中的控制程序编写进NXT控制器中,这样更容易操作。 3、摄像头作为机器人的“眼睛”,是必不可少的组成部分,但摄像头拍摄产生的图像,会产生几何失真现象,这样导致程序对棋盘图像上的落子位置难以定位。目前,我们需要将棋盘上一个一个的坐标点进行定位,15×15棋盘上一共有225个点,就需要依次点击这225个坐标点。因此,我们希望找到一种解决方法,优化图像识别程序,来纠正图像的几何失真,这样可以自动检测到棋盘上每一个落子点,从而大大提高了机器人使用的便利。 4、我们热切地希望以后我们的机器人以后能变得更加“聪明”,能够熟悉围棋、国际象棋、中国象棋等各种棋类,这样可以丰富老年人的娱乐生活。