Апгрейд классической настольной игры – то, что нужно в эпоху массовой цифровизации. Несмотря на растущую популярность игровых онлайн-площадок и электронных приложений, многие шахматисты по-прежнему крепко держатся за аутентичность живой игры с реальными фигурами. Им не всегда удаётся встретиться с единомышленниками, многие говорят, что найти подходящего соперника невообразимо трудно.

Но у DIY- культуры нашлось своеобразное решение проблемы – умные автоматизированные шахматы. Они совмещают натуралистичность деревянных фигур и практичность цифровых программ.

Умные шахматы – это игрок, который всегда готов появиться по ту сторону доски и сыграть за чёрных. Он не только мыслит как человек, но ещё и фигуры сам передвигает, оставаясь совершенно невидимым и беззвучным. Что это: магия поттерианы или запрещённые технологии? 

На деле, это всего лишь скрытый подвижный механизм на осях XY под управлением знаменитой платы Arduino. 

Сегодня мы делимся с вами руководством по сборке умных шахмат.

Список деталей:

– Линейные рельсы с V-образным пазом 20x20 (5 шт. различной длины – 315 мм, 350 мм, 395 мм и 2 шт. по 345 мм);

– Угловые кронштейны 90 градусов (10 шт.);

– Шкив GT2-20, отверстие 5 мм (2 шт.);

– Шкив GT2 (8 шт.);

– Ремень GT2 3,5 м;

– Arduino Nano;

– Шаговый двигатель Nema 17, 200 шагов/об, 12V 350mA (2 шт.);

– Драйвер шагового двигателя A4988 (2 шт.);

– LCD модуль;

– Аркадные кнопки 23,5 мм (2 шт.);

– Электромагнит с удерживающей силой 5 кг;

– Диод 1N4001;

– Силовой транзистор TIP 120;

– Концевой микропереключатель с роликом (2 шт.);

– Герконовый переключатель 14,5 мм (64 шт.);

– Резистор 1 кОм;

– Мультиплексор CD74HC4067 (4 шт.);

– Клеммная колодка DC Jack;

– Межплатные соединители (штыри однорядные);

– Винтовые клеммы (10 шт.);

– Макетная плата 50 x 100 мм (3 шт.);

– Разъём HE10 (4 шт.);

– Ленточный кабель (8 шт.);

– Набор деревянных шахматных фигур;

– Наклейка «шахматная доска», клетки 37 x 37 мм;

– Магниты 8 x 3 мм (32 шт.);

– Стенки коробки из пенокартона – 462 x 462 x 5 мм; 462 x 462 x 10 мм; 462 x 80 x 10 мм (2 шт.); 442 x 80 x 10 мм (2 шт.);

– Колёса для V-образных рельсов (8 шт.);

– Алюминиевые распорки 5 х 6 мм (4 шт.);

– Эксцентриковые распорки для колёс (4 шт.);

– Наборы гаек, болтов, винтов, шайб и шестигранников;

– Опорные 3D-детали (файлы для печати в Приложении).

Рис. 1. Здесь видны рельсы, двигатели, электромагнит и различные детали для крепления – будущая система XY

Рис. 2. Электроника

Шаг 1: Электромагнитная тележка на осях X и Y

Рис. 3. То, что скрыто внутри

Заставить фигуры волшебным образом перемещаться можно силой магнитов. Представьте систему, в которой скрытый механизм перемещается под шахматной доской, генерируя магнитное поле. Все фигуры обладают собственными магнитами, поэтому подвижный механизм (электромагнитная тележка) может создавать связь с ними и плавно двигать по полю одной клетки к другой.

Рис. 4. Оси XY, электромагнитная тележка (Trolley) и два шаговых двигателя (Motor A и B)

Электромагнит создает поле лишь под воздействием электрического тока, и в этом его преимущество: тележка может спокойно перемещаться в пространстве, не утягивая за собой всех подряд. Напряжение подаётся на неё скоординированно и позволяет установить магнитное притяжение только для одной фигуры.

Переключать подачу питания легко с силовым транзистором TIP 120, управляя им прямо с Arduino.

Рис. 5. Получая напряжение на базу (B), транзистор позволяет току идти через коллектор (C) на эмиттер (E)

За передвижение тележки отвечают шаговые двигатели, рельсы, колёса и ремни. На рисунках ниже представлены возможные варианты перемещений тележки в соответствии с работой двигателей:

Рис. 6

Рис. 7

– если вращается только один двигатель, возникает диагональное смещение тележки, как на рис. 6;

– при вращении двух двигателей в одном направлении производится горизонтальное смещение (рис. 7, справа);

– если двигатели вращаются в противоположных направлениях, тележка движется по вертикали.

Рис. 8. Перемещение по оси X с помощью боковых колёс

Рис. 9. Перемещение по оси Y с помощью колёс тележки

Для гладкого беспрепятственного скольжения очень важна контактная сила и пространство между колёсами и рельсами. Если его слишком мало, скольжение будет тугим, если слишком много – неточным. Получить хорошую контактную силу только за счёт конструкции нельзя, должна быть система настройки. Эксцентриковые распорки нужны именно для этого: поворачивая их в разные стороны, можно увеличить или уменьшить зазор рядом с колесом, и тем самым добиться наилучшего скольжения.

Рис. 10 Распорки в конструкции тележки

Последовательность действий (рис. 11):

1) Соберите тележку.

2) Установите её на рельс и отрегулируйте зазоры трения с помощью эксцентриковых распорок. Соберите и добавьте две опоры для шкивов на каждом конце рельса.

3) Соберите основную раму из четырёх внешних рельсов.

4) Соберите опоры шкивов.

5) Установите рельс тележки на основную раму, сделайте фрикционные зазоры и добавьте опоры шкивов.

6) Установите шаговые двигатели.

7) Добавьте ремни и отрегулируйте их длину так, чтобы обеспечить хорошее движение двигателей.

Рис. 11 Поэтапная сборка тележки и рельсов

Шаг 2: Шахматы и коробка

Рис. 12 Подготовка деталей

Здесь шахматная доска – не просто поле боя. Она оснащена системой магнитных датчиков и может безошибочно определять положение фигур.

Под каждой клеткой располагается герконовый переключатель. Когда фигура занимает позицию, её магнит активирует датчик геркона, расположенного прямо под ней. Система сравнивает активированные датчики до и после хода, определяя таким образом изменения на доске.

Рис. 13 Так должна выглядеть внутренняя сторона доски

Аркадные кнопки и экранный модуль нужны для удобства интерфейса. С их помощью можно устанавливать режимы игры, указывать неразрешённые ходы и управлять временем обратного отсчёта.  

Последовательность действий (рис. 14):

1) Наклейте «шахматную доску» на основную поверхность и сделайте отверстия для кнопок и экрана.

2) С обратной стороны начертите точно такую же доску. Проследите, чтобы её положение полностью совпадало с положением первой доски, буквально клетка в клетку. 

3) Закрепите все герконы на обратной стороне, каждый по центру клетки. Затем соедините их в комплекты по 8 шт., используя ленточный кабель. Должно получиться 8 широких лент.

Рис. 14

4) Закрепите ленты на доске с помощью клея, затем установите кнопки и экран.

5) Завершите монтаж проводов.

6) Удалите войлок в основании фигур и закрепите магниты с опорами на том месте (рис. 15)

Рис. 15

Теперь пришло время собрать коробку. Она понадобится, чтобы спрятать механизмы, добавить эстетики и зафиксировать расстояние между электромагнитом и плоскостью шахматной доски.

Рис. 16

Ориентируйтесь по рисунку 16, чтобы обеспечить хорошее взаимодействие магнитных полей.

Части пенокартона склейте вместе и в одной из стенок просверлите отверстие для подключения разъема питания.

Рис. 17

Шаг 3: Электроника

Рис. 18

1) Разложите перед собой макетные платы.

2) Установите штыревые разъёмы и винтовые клеммы.

3) Приклейте макетные платы к специальным опорам. Спаяйте все выводы, разъёмы и провода, используя схему подключения на рис. 19.

4) Установите печатные платы, соединяя все устройства между собой так, как это показано на рис. 19.

Рис. 19 Схема подключения устройств

– Шаговые двигатели подключите к драйверам A4988

– Аркадные кнопки и концевые выключатели подсоедините к Arduino, используя внутренние подтягивающие резисторы

– Силовой транзистор используйте как переключатель для управления электромагнитом тележки, а диод свободного хода – для защиты Arduino от разрядного тока.

– Экран можно подключить к Arduino через I2C связь, тем самым снизив количество используемых контактов. Линия SCL идёт к пину A5, а линия SDA – к пину A4.

– Подключить 64 геркона напрямую к Arduino не получится, контактов не хватит. Поэтому используйте мультиплексоры, подключая герконы к их канальным выводам C0 – C15. 

Шаг 4: Аппаратно-программное обеспечение

Теперь, чтобы вдохнуть жизнь в сборку, необходимо заняться программированием. В приложении есть исходный код на языке Arduino, но для его использования нужно установить две библиотеки: 

– Wire.h

– LiquidCrystal_I2C.h

Шахматная программа Micro Max с открытым исходным кодом станет для вас тем самым невидимым игроком напротив. В её основе лежат универсальные алгоритмы Minimax и Alpha-Beta. Первый работает как мозг человека: анализирует возможные ходы и составляет разветвлённое дерево решений. Но в чистом виде не является удобным: анализ бесчисленных возможностей шахматной партии требует серьёзных вычислительных мощностей. Arduino, при всех своих достоинствах, не может обеспечить этого.

Рис. 20 Разветвлённая структура принятия решений

К счастью, алгоритм Alpha-Beta трудится над тем, чтобы обрезать лишнее. Он оценивает начальные варианты и выбирает только одну ветку, отсекая остальные. Быстрый анализ и отсечение он делает при каждом новом ответвлении и, в итоге, приходит к конечному результату максимально прямым путём, без лишних сбоев и перегрузок.

Не забывайте, что в ваших силах создать собственный ИИ или расширить Micro Max дополнительными функциями: шахматы с человеком удалённо, игра в "пьяницу" с ПК, режим тренировки в шотландском дебюте. Может, вы уже определились, с чего начать? Или даже задумались об апгрейдах умных шахмат? Напишите нам, будем рады вашему мнению.

Удачи в начинаниях!

 

Приложения:

1) Файлы для 3D-печати

2) Исходный код

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Хорошо, что на просторах интернета можно познакомиться с творчеством таких замечательных изобретателей как Наташа. Эта девушка мастерит удивительные вещи из подручных материалов, руководствуясь лишь своей безграничной фантазией и любовью к технологиям. 

В преддверии новогодних праздников Наташа собрала поющую ёлку и подробно рассказала, из чего и как можно сделать такую же всего за пару часов. Благодаря движущимся губам и глазам эта чудаковатая ёлка станет приятным удивлением для детей и взрослых и многих заставит поломать голову над вопросом «как же это сделано». При этом базовый проект довольно прост, и не требует от создателя большого опыта в области электроники и робототехники.
Вот, что понадобится:
– одна плата Bit Board;
– два микроконтроллера micro:bit;
– три сервопривода Brick Compatible 720 Degree;
– один винтовой терминал Crazy Circuits Screw Terminal Chip;
– стандартный держатель для 2 батареек типа AAA;
– токопроводящая лента Maker Tape 1/8 дюйма;
– деталь LEGO Beam 5 x 0.5;
– Extra Large Google Eyes (самоклеящиеся большие глаза из пластика);
– фетр зеленый, красный и черный;
– картон;
– гибкие синельные проволоки;
– акриловая краска;
– палочка от мороженного;
– клейкая лента;
– клеевый пистолет;
– нож;
– ножницы;
– компьютер.

Рис. 1

Список необходимых компонентов может показаться большим, но это только на первый взгляд. На самом деле, большая часть электроники входит в один комплект Crazy Circuits Bit Board, предназначенный для того, чтобы собирать и программировать устройства, не нуждаясь в дополнительных материалах. 

Сюда входит плата Bit Board, два микроконтроллера Micro:Bit, клейкая лента Maker Tape, сервопривод Brick Compatible 270 Degree и держатель для батареек с разъемом JST. Набор Crazy Circuits Bit Board примечателен ещё тем, что все его компоненты совместимы с платформой и деталями LEGO, что делает изобретение еще более удобным и простым.

Стоит также отметить некоторые особенности платы Micro:Bit, поскольку в функционировании ёлки она играет главную роль. В сравнении, например, с Arduino, Micro:Bit предлагает гораздо более наглядный способ работы с микроконтроллерами. Эта плата была создана для того, чтобы дети могли легко понять взаимосвязь программного и аппаратного обеспечения.

Она имеет светодиодный дисплей, кнопки, датчики и множество функций ввода/вывода, которые можно как угодно запрограммировать. Здесь даже есть возможность определения и воспроизведения звука, и это главный конёк Micro:Bit в процессе создания поющей ёлки.

Рис. 2

А теперь, непосредственно, сама сборка. 

Шаг 1: шаблоны

Первый этап – работа над лицом ёлки. Нужно позаботиться о том, чтобы её глаза и рот могли двигаться. Для этого сначала заготавливаются картонные шаблоны – два полуовала, четыре круга с отверстиями по центру (круги должны быть того же размера, что и готовые Google Eyes) и одна подставка с прорезью для сервопривода и шестью отверстиями, как на рисунке 3.

Рис. 3

Два круга должны быть сделаны из белого картона либо покрашены в белый цвет.

Рис. 4

Также вырезаются детали из фетра в соответствии с размерами картонных полуовалов.

Рис. 5

Шаг 2: рот
Теперь картонные части рта помещаются вместе, как на рисунке, и сверху к ним клеится красная фетровая часть. А зеленые кусочки фетра клеятся к другой стороне картона. Один из зеленых кусочков должен быть приклеен полностью, второй – только по круглому краю, чтобы образовался кармашек, в который позже можно будет вставить палочку для мороженого. Края получившихся губ можно обрамить тонкой еловой веточкой.

Рис. 6

Рис. 7

Заднюю панель нужно покрасить в зеленый цвет, чтобы она сливалась с ветвями и прикрепить к ней сервопривод с помощью синельной проволоки, как показано на рисунке 8.

Рис. 8

Теперь нужно взять палочку для мороженного и при необходимости обрезать, так как её длина должна быть 7 сантиметров.
С помощью токопроводящей ленты Maker Tape палочка крепится к детали LEGO Beam 5 x 0.5. Важно не закрывать деталь полностью, как это показано на рисунках 9, 10 и 11, чтобы была возможность подключить палочку к мотору.

Рис. 9

Рис. 10

Рис. 11

В оставшиеся отверстия панели нужно также продеть синельные проволоки – они будут использованы как крепления, чтобы привязать панель к ветвям ёлки.

Рис. 12

Теперь кармашек рта нужно надеть на палочку от мороженого и расположите его по центру на задней панели. Сам рот нужно приклеить к панели таким образом, чтобы нижняя его часть (та, что с кармашком и палочкой) могла свободно двигаться вверх-вниз.

Рис. 13

Рот для ёлки готов! 

Шаг 3: глаза

Теперь подобный фокус с деталью LEGO и сервоприводом нужно повторить для глазок.

Сначала нужно аккуратно отрезать пластик от Google Eyes, а к обратной стороне зрачков приклеить детали LEGO, прямо как на рисунках 14 и 15.

Рис. 14

Рис. 15

Теперь поверх простых картонных шаблонов для глаз нужно наклеить круги из белого картона, прикрепить сервопривод сзади и через отверстие соединить его с деталью LEGO, прикрепив тем самым зрачок с обратной стороны.

Рис. 16

Рис. 17

Рис. 18

Далее осталось только вернуть пластик на место, обрамить глаза веточками и позаботиться о креплении с помощью всё той же проволоки.

Рис. 19

Рис. 20

Шаг 4: коммутация

Наконец, пришло время собрать разрозненные части в единый организм. Для этого тянем провода глазных серводвигателей к контактам 13 и 14 на плате Bit Board. Важно помнить, что коричневый провод является заземлением.
Серводвигатель, отвечающий за функционирование рта нужно подключить к контакту 0.

Рис. 21

Затем в Bit Board вставляем плату Micro:Bit, добавляем батарейный блок и обращаемся за помощью к дополнительному программному обеспечению – для этого загружаем этот открытый исходный код.

Рис. 22

Рис. 23

Для того, чтобы управлять ёлкой дистанционно и быть её голосом, нужно задействовать вторую плату Micro:Bit. Для этого загружаем на неё код Mic for Tree и подключаем батарейку.

Рис. 24

Шаг 5: финальная сборка

Наконец, завершающий этап – сборка всех компонентов вместе. Глаза и рот нужно прикрепить к ёлке с помощью проволок, а платы и провода спрятать в ветвях, их не должно быть видно.

Рис. 25

Рис. 26

Механизм работы достаточно прост. Можно петь в одну плату Micro:bit, как в микрофон, и сигнал будет поступать на другую палату, спрятанную в ветвях, заставляя ёлку двигать глазами и шевелить губами синхронно с речью. На основе этого механизма можно организовать много сюрпризов. Например, позвонить кому-то, кто находится рядом с ёлкой, и когда он ответит на звонок, начать говорить или петь в микрофон, и тогда ёлка тоже заговорит и запоёт – это удивит любого.

Дополнительно ёлку можно украсить гирляндами, а вместо привычной звезды на верхушке надеть шапочку, ведь это уже не просто ёлка. Если кто-то может петь новогодние песни, почему бы ему не быть в шапке?