本論文提出了兩款四子棋機器人，分別為垂直式與水平式兩種不同的玩法，在設計上均使用了Raspberry Pi 3開發板與TM4C123GXL開發板，分別來做影像辨識以及遊戲人工智慧演算法等工作，並搭配網路攝影機、步進馬達、RC伺服馬達以及極限開關等工具來賦予機器人視覺以及執行下棋動作的能力。為了驗證所設計的兩款四子棋機器人成果，本論文提出合適的遊戲人工智慧演算法，讓機器人利用影像辨識模組去辨別玩家的下棋位置後，可以依據現有的棋盤狀況思考勝率最大的棋步，使機器人方的棋局保持優勢，同時讓玩家的棋局處於劣勢，藉此達到雙方互相對弈之娛樂效果。經由實驗結果可以發現，本論文所設計的遊戲人工智慧演算法能夠與玩家互相對弈，達到良好的消遣娛樂效果。

This thesis presents two connect-four robots which are vertical style and horizontal style respectively. Both of them use Raspberry Pi 3 LaunchPad and TM4C123GXL LaunchPad in the design. One launchpad is used to achieve image recognition module and the other one is used to implement the game artificial intelligence. They also use some tools like webcams, stepper motors, RC servo motors and limit switches to give the robot vision and the ability of placing a piece. In order to verify the effectiveness of the development interactive entertainment robot, this thesis designs two different connect-four games. With the game artificial intelligence, the robot use the image recognition module to recognize the player’s piece position and then thinking the maximum winning percentage in accordance with the board status. From the real-time result, it shows that the two connect-four robots can play with a player to achieve the effect of entertainment.

誌謝 I
摘要 II
ABSTRACT III
目錄 V
圖目錄 VII
表目錄 X
第一章 緒論 1
1.1前言 1
1.2研究動機 2
1.3論文架構 4
第二章 垂直式四子棋機器人 5
2.1機構設計 6
2.1.1下棋機構設計 6
2.1.2攝影機座與極限開關座設計 7
2.2系統架構與控制設計 9
2.2.1開發板介紹 9
2.2.2步進馬達控制 12
2.2.3 RC伺服馬達控制 13
2.3影像辨識設計 14
2.4遊戲人工智慧設計 18
2.5實驗結果 23
第三章 水平式四子棋機器人 30
3.1機構設計 30
3.1.1下棋機構設計 31
3.1.2攝影機座設計 32
3.2遊戲人工智慧設計 33
3.3實驗結果 38
第四章 結論與未來研究 43
4.1結論 43
4.2未來研究 43
參考文獻 46

圖目錄
圖1.1、Pepper機器人 2
圖1.2、Kirobo Mini機器人 2
圖1.3、Robii機器人 3
圖1.4、智慧視覺機器人系統 3
圖2.1、垂直式四子棋機器人整體架構圖 5
圖2.2、垂直式四子棋機器人下棋機構圖 6
圖2.3、垂直式四子棋機器人攝影機座 8
圖2.4、X軸極限開關座 8
圖2.5、Y軸極限開關座 8
圖2.6、系統架構圖 9
圖2.7、Raspberry Pi 3開發板 10
圖2.8、TM4C123GXL開發板 11
圖2.9、步進馬達 12
圖2.10、A4988馬達驅動板 12
圖2.11、A4988馬達驅動板腳位圖 13
圖2.12、Tower Pro SG90 RC伺服馬達 13
圖2.13、E-books W9網路攝影機 14
圖2.14、影像辨識模組流程圖 15
圖2.15、影像高斯模糊結果圖 16
圖2.16、參數調整人機介面圖 16
圖2.17、影像膨脹結果圖 17
圖2.18、影像侵蝕結果圖 17
圖2.19、垂直式四子棋機器人棋盤編號圖 18
圖2.20、直排無法下棋示意圖 20
圖2.21、機器人可立即獲勝示意圖 20
圖2.22、玩家可立即獲勝示意圖 21
圖2.23、連星數計算示意圖 21
圖2.24、檢查活星示意圖 22
圖2.25、遊戲流程圖 23
圖2.26、影像辨識模組環境設定示意圖 24
圖2.27、putty介面示意圖 24
圖2.28、棋盤資訊示意圖 24
圖2.29、遊戲初始示意圖 26
圖2.30、機器人先手示意圖 27
圖2.31、第7步棋下棋前示意圖 27
圖2.32、第7步棋示意圖 28
圖2.33、第15步棋下棋前示意圖 28
圖2.34、第15步棋示意圖 29
圖2.35、遊戲結果示意圖 29
圖3.1、水平式四子棋機器人整體架構圖 30
圖3.2、水平式四子棋機器人下棋機構圖 31
圖3.3、水平式四子棋機器人攝影機座 32
圖3.4、水平式四子棋棋盤編號圖 33
圖3.5、下棋空間示意圖 34
圖3.6、機器人可立即獲勝示意圖 35
圖3.7、玩家可立即獲勝示意圖 35
圖3.8、機器人造成活三示意圖 35
圖3.9、機器人造成雙活二示意圖 35
圖3.10、玩家造成活三示意圖 36
圖3.11、玩家造成雙活二示意圖 36
圖3.12、機器人造成死二活二示意圖 36
圖3.13、機器人造成死三示意圖 36
圖3.14、機器人造成活二示意圖 37
圖3.15、遊戲流程圖 38
圖3.16、影像辨識模組環境示意圖 39
圖3.17、putty介面示意圖 39
圖3.18、棋盤資訊示意圖 39
圖3.19、第4步棋示意圖 41
圖3.20、第6步棋示意圖 41
圖3.21、第8步棋示意圖 42

表目錄
表2.1、Raspberry Pi 3開發板硬體規格表 10
表2.2、TM4C123GXL開發板硬體規格表 11

[1]L. George and S. William, Artificial Intelligence: Structures and Strategies for Complex Problem Solving, Benjamin-Cummings Publishing Company, 2004.
[2]K. Ray, The Singularity is Near, Penguin Books, 2005.
[3][Online]https://deepmind.com/research/alphago/
[4][Online]https://www.salesforce.com/products/einstein/overview/
[5][Online]http://researcher.watson.ibm.com/researcher/view_group.php?id=2099
[6][Online]http://www.softbank.jp/robot/consumer/products/
[7][Online]http://finance.technews.tw/2016/10/04/toyota-kirobo-mini/
[8][Online]http://3c.ltn.com.tw/news/312
[9][Online]http://technews.tw/2017/05/31/itri-intelligent-vision-system-for-companion-robots/
[10]甘禮豪，設計與實現互動式四子棋機器人，淡江大學電機工程學系碩士論文（指導教授：許駿飛），2012年。
[11][Online]http://www.prusaprinters.org/prusa-i3/
[12][Online]https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-pi-3-model-b/
[13][Online]http://www.ti.com/tool/ek-tm4c123gxl
[14]陳威宇，基於影像之機械手臂繪圖系統實現，淡江大學電機工程學系碩士論文（指導教授：許駿飛），2016年。
[15][Online]http://www.shs.edu.tw/works/essay/2008/03/2008032913213417.pdf
[16][Online]https://www.pololu.com/product/1182
[17][Online]https://www.pololu.com/file/download/a4988_DMOS_microstepping_driver_with_translator.pdf?file_id=0J450
[18][Online]https://www.tinkercad.com/things/bDRpXpYIWHr-tower-pro-micro-servo-9g-sg90
[19]鈴木美朗志，從PIC開始！RC伺服機機器人製作入門，馥林文化，2014。
[20][Online]http://www.ebooks-cct.com.tw/product_d.php?id=71
[21]望熙榮、望熙貴，影像辨識處理，博碩文化股份有限公司，2015。
[22]毛星雲、冷雪飛，OpenCV程式設計參考手冊，松崗資產管理股份有限公司，2015。
[23]A. James D, The Complete Book of Connect 4: History, Strategy, Puzzles, Sterling Publishing Company, 2010.
[24]劉哲志、林順喜，如何用電腦求「四子棋」遊戲之解，科學月刊，第三十二卷，第九期，頁810-815。