Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ điện tử: Nghiên cứu điều khiển tay máy chơi cờ vua a Research on Controlling Chess - Playing Robot ARM

TOM TAT LUẬN VĂNLuận văn trình bày nghiên cứu sử dụng xử lý ảnh để nhận diện diễn biến ván cờvua, thông qua chương trình chơi cờ sẽ tính toán nước đi tối ưu để giành chiến thắng.Ap dụng

TONG QUAN 1.1 Đặt vẫn đề

Cờ vua là một trò chơi phố biến trên toàn thế giới với nhiều thể thức thi dau đa dạng Cờ vua là một môn thể thao trí tuệ dành cho 2 người chơi, tuy nhiên sẽ ra sao nếu ta giao nhiệm vụ đánh cờ cho máy móc thực hiện? Để giải quyết nhiệm vụ trên thì van dé đầu tiên cần phải thực hiện là “day” cho máy cách chơi cờ Các máy tính ngày càng hiện đại được ra đời cùng với những giải thuật thông minh được nghiên cứu phát triển chính là lời giải cho vẫn đề trên Ngày nay, các siêu máy tính với lượng phép tính mỗi giây cực kì lớn đã chứng minh sức mạnh của trí tuệ nhân tạo thông qua những chiến thắng trước những kỳ thủ hàng đầu thé giới.

Sau chiến thang lịch sử của chương trình chơi cờ Deep Blue trước nhà vô địch thế giới Kasparov vào năm 1997, các chương trình chơi cờ đã ngày càng được phát triển hơn nữa và thể hiện sự vượt trội trước con người trong nội dung cờ vua tiêu chuẩn Tuy nhiên lúc bấy giờ việc di chuyển các quân cờ còn phải thực hiện thông qua con người (máy tính xuất ra vị trí sẽ đi, một nhân viên sẽ thực hiện nước đi đó trên bàn cờ thật) Vì vậy vấn đề tự động hóa hoàn toàn việc chơi cờ vua đã được đặt ra và nghiên cứu Robot công nghiệp là một lĩnh vực vốn đang phát triển cực kỳ mạnh mẽ lúc bay giờ, là một giải pháp tuyệt vời để giải quyết van dé đó Những cánh tay máy linh hoạt và chính xác sẽ thay thế con người trong việc thực hiện các nước đi đã được tính toán từ máy tính Điều này giúp việc chơi cờ của máy móc được sinh động, trực quan hơn.

Các nghiên cứu về tay máy đánh cờ vua đã được thực hiện ở một số nước trên thế giới nhưng ở Việt Nam, đến hiện tại vẫn chưa có cánh tay máy chơi cờ vua tự động.

Nhận thấy sự kết hợp giữa robot công nghiệp, trí tuệ nhân tạo và thị giác máy tính sẽ là xu hướng của các hệ thông tự động trong tương lai cùng với niềm đam mê với lĩnh vực cờ vua cũng như mong muốn áp dụng những kiến thức đã học vào thực tế, em đã quyết định chọn và thực hiện đề tài này.

1.2 Giới thiệu lịch sử máy chơi cờ

Khi nhắc đến các cỗ máy chơi cờ, ta không thể không nhắc đến thiết bị chơi cờ vua tự động được được xem như cỗ máy phép thuật vì chiến thắng nhiều chuyên gia.

Máy “chơi cờ vua bù nhìn” xuất hiện năm 1734 khi mà WolfgangvonKempelen sáng tạo ra một thiết bị chơi cờ vua “tự động” có tên là Turk Đó là một tủ 26, khi mo cua có thé thay được một số thiết bị co khí tương tự như những chiếc đồng hồ, bên ngoài là một con rối mô hình có thé di chuyển các quân trên bàn cờ một cách vô cùng uyén chuyển như người thật.

Hình I.I Máy chơi cờ vua bù nhìn

Cau tạo bên trong máy chơi cờ rat phức tạp khi mở cửa bên trái, ta có thể nhìn thay cau trúc tương tự như một chiếc đồng hỗ Cơ chế hoạt động của máy chơi cờ này được tạo băng từng khoang máy móc khác nhau và cách hình nhân thò tay để di chuyển quân cờ, phía trên tủ mỏng khiến ta có thé điều khiển ban cờ bang nam châm.

Ban cờ phía trong tủ được khắc số tương ứng 1-64, cho phép người điều khiến biết được vi trí quân cờ di Nam cham trong tủ được đặt ở một vi trí đặc biệt khiến cho từ trường bên ngoài không ảnh hưởng đến hoạt động thiết bị.

Trò chơi này được giữ kín trong suốt 50 năm Ngay cả khi Kempelen mất, máy chơi cờ đã được chuyên sang tay nhiều chủ khác và vẫn được tiếp tục mang đi biểu diễn vòng quanh thế giới Vào năm 1854, khi có một vụ cháy xảy ra người ta thay máy chơi cờ “động đậy” va sau đó có một người với thân hình bé nhỏ chui ra Đến lúc này, người ta mới biết rằng chiếc máy này do người thật điều khiến, hoàn toàn không phải máy móc thông minh Song song từ đó, ý tưởng về một cổ máy có thê trực tiếp chơi cờ tương tác với con người đã được hình thành.

1.3 Một số cánh tay máy chơi cờ vua hiện nay

Trong những năm trở lại đây, từ những chương trình chơi cờ trên máy tính cùng với việc tốc độ máy tính ngày cao đã thúc day việc cơ khí hóa để tạo ra những tay máy có thé chơi cờ trực tiếp với con người.

1.3.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Robot Chesska (Nga): Tháng 6 năm 2009, Robot Chesska lần đầu tiên được gidi thiệu bởi Konstantin Kosteniuk, một huấn luyện viên cờ vua của Nga đồng thời là một người sở hữu rât nhiêu băng sáng chê Chesska đã từng thi đầu với nhiêu đại kiện

Hình | 2 Chesska do sức cùng nhà vô dich thế giới KramnikRobot KUKA Monster (Đức): sản phẩm của tập đoàn KUKA Robotics — một trong những tập đoàn lớn nhất thế giới trong lĩnh vực Robot công nghiệp, KUKAMonster được ki vọng sẽ thách thức vi trí số một của Chesska KUKA Monster đã có trận thi dau với cựu vô địch cờ chớp thế giới Aleksander Grischuk.

ANEKC ¥ Bruty” peat BCexX ese IHC OPHOBPem 101 4Fbi Crpc '

Hình 1.4 Chesska và KUKA Monster trong trận chung kết năm 2012 Robot Gambit (Mỹ): Gambit là kết quả sự phối hợp nghiên cứu giữa nhiều khoa, phòng thí nghiệm của các trường đại học khác nhau cộng với sự tài trợ của Intel.

Gambit sử dụng 2 camera để nhận diện nước đi và thiết kế cơ khí độc đáo giúp tay

Hình 1 5 Cynthia Matuszek - chủ nhiệm đề tài và Robot Gambit

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện nay, trong nước có nhiều dé tài nghiên cứu về robot chơi cờ Tuy nhiên, robot chơi cờ vua van là dé tài mới mẽ chưa được nghiên cứu, có một dé tài liên quan đến lĩnh vực này đó là “Robot chơi cờ tướng” do tác giả Lê Bạch Quý Cường và Vũ Văn Khắc Khoa Điện — Điện tử trường đại học Bách Khoa TP.HCM thực hiện. Đề tài mang lại một số kết quả đáng kể:

—Nhận diện được chính xác nước di trong điều kiện đảm bảo ánh sáng.

-Cánh tay di chuyển quân cờ tương đối chính xác Tuy nhiên, vi sử dụng động cơ bước nên xảy ra hiện tượng trượt bước, gây sai lệch khi gắp và thả quân cờ.

—Giai thuật chơi cờ robot: với độ sâu 5, thời gian suy nghĩ là 5s Với độ sâu 6, thời gian suy nghĩ lên đến 50s.

Hình 1.6 Robot chơi cờ tướng [5]

GIỚI THIỆU TAY MÁY CHƠI CỜ VÀ GIẢI THUẬT DIJKSTRA 2.1 Tong quan tay máy chơi cờ và động học tay máy

2.1.1 Tổng quan tay máy Robot SCARA ra đời vào năm 1979, đây là một kiểu tay máy có cầu tạo đặc biệt được sử dụng nhiễu trong các công việc lắp ráp các tải trọng nhỏ theo phương thăng đứng Chọn cơ cau SCARA vi đặc điểm có thé xếp lại gọn gàng, ngoài ra kết cau không quá công kénh, hạn chế được vẫn dé camera bị che chắn Về độ chính xác lặp lại giữa các cơ câu, SCARA có độ chính xác cao nhất song song với tốc độ hoạt động cao.

Dựa trên mô hình thực nghiệm đã hoàn thành, cánh tay được gan trén mot ban phăng, khoảng cách từ tam động co khâu 1 đến vi trí mép gan nhất của ban được do như kích thước lựa chọn, tức 240 mm Các khoảng cách được đo bằng thước thăng và tay máy được cô định trên bàn bằng vit Bàn cờ được cố định trên mặt giấy trang, xác định vi trí băng dụng cụ đo là các thước thăng độ chia nhỏ nhất Imm. Đối với yêu cầu máy: gap thả di chuyển quân cờ có khối lượng tối đa 250g bao gôm khối lượng tay kẹp và khối lượng quân cờ mang đi.

Các kích thước khâu được sử dung gồm có: li= 200 mm; l= 450 mm; hi= 290 mm; ha= 50 mm.

Sơ dé động học của robot được gán như hình sau:

Hinh 2.1 So dé động học sau khi gan hệ trục tọa độ

Gia tri giới hạn các khớp:

Gia tri giới hạn cho tay mỏy như sau: ỉ :+130°, 6, :+160°, d, :0+250mm Đề thuận tiện cho việc điều khiến và ràng buộc nghiệm ta chọn việc ưu tiên cánh tay di chuyển từ bờn phải qua, tức ưu tiờn kết hợp thờm điều kiện ỉ 0 [I].

Khau thứ i ai (mm) ai (độ) 0; (độ) di (mm)

2 L, 180 6, 0 3 0 0 0 d, ¢* Bài toán thuận lcosỉ_ -sinỉ 0 I.cosỉ |

| 0 0 0 lL | lcosỉ, sinỉ, 0 1.cos6, | ip sin?, —cos@, 0 /.sin6,

Két quả bài toán động học thuận là vi tri toa độ x, y, z, cua tool trong không gian x=Lc(6,+ 6,)+1c6, (2.1) y=Ls(6,+6,) +156, (2.2) z=h +h, —d, (2.3)

Trong đú: c(@, +ỉ,)= cos(@, +ỉ,);s(đ +ỉ,) = sin(@, +ỉ,) s* Động học ngược cho tay may

Ta dựa vào kết quả của bai toán động học thuận để đưa ra các giá trị cho bái toán động học ngược Ta có: d, =h, +h,- x+y =l +l+211,.cos(ỉ,)

Ta lại có: lô cos(6,)) =I, = * (cos(6, 0,))

về cho: \(2x,} + (2yl,)

(2x1) + (294, Điều kiện —l< cos(ỉ)