CN105652738B - 可重新配置的机器人系统 - Google Patents

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Abstract

一种系统包括可以若干排列组装以便构建机器人人物的数字伺服模块和构造块。中央控制器经由通信信道与模块通信，每个信道细分成若干子信道。该系统利用发现过程，其中所述中央控制器在每个子信道中周期性地传送发现信号，直到新附连的模块将应答传送到发现信号。中央控制器将位置命令传送到所识别的伺服模块，并从所识别的模块接收位置反馈。该系统使得人能够经由下述容易地对机器人人物进行编程：学习运动模式，在该模式中关节被操纵以及中央控制器记录用于每个伺服模块的轨迹；用户运动捕获模式，在该模式中用户的运动经由摄像机捕获以便生成伺服轨迹；和动画生成器模式，在该模式中所述机器人人物的虚拟表示可在屏幕上被操纵以便生成伺服轨迹。

Description

可重新配置的机器人系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年12月1日提交的号为62/086,179的美国临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本公开通常涉及玩具和/或娱乐设备的领域，并且更具体地涉及用于玩具和/或教育市场的机电系统。
背景技术
用于玩具和/或教育市场的机器人人物是已知的。但是，大多数机器人人物不能由用户重新配置。
在提供可重新配置的机器人系统或套件方面存在许多技术挑战。首先，这种系统需要用于识别其配置并允许用户来控制它和/或对其进行编程的机构(means)。第二，应当存在使得用户(特别是具有有限的编程技能或经验的那些用户)能够容易地对这种系统进行编程的方法。
发明内容
在一个方面，提供一种可重新配置的机器人系统。该系统包括多个数字伺服模块和多个元件构造块(elemental building block)。每个数字伺服模块包括伺服马达(包括伺服位置传感器)，以及所述元件构建块可与数字伺服模块连接以便构建具有位置控制关节的机器人人物。此外，元件构件块可以各种排列与数字伺服模块组合来构建不同配置的机器人人物，该不同配置可基于用于一个或多个预定构造的公众可用的指令或完全取决于用户的想象。
中央控制器与数字伺服模块通信并控制数字伺服模块。中央控制器具有至少一个通信信道，其包括提供电源、接地(ground)和数据信号的输出端口。每个数字伺服模块包括输入端口和输出端口。数字伺服模块输入端口具有电源、接地和数据信号的插头。数字伺服模块输出端口具有电源、接地和数据信号插头。数字伺服模块输入数据信号插头与数字伺服模块输出数据信号插头电隔离。其中一个数字伺服模块的输入端口连接到中央控制器的输出端口，而其余的数字伺服模块按一定的顺序相互连接，使得一个数字伺服模块的输入端口连接到另一个数字伺服模块的输出端口。中央控制器和数字伺服模块被编程以执行其中中央控制器发现数字伺服模块的通信协议，并且其中所述数字伺服模块配置成在发现之前以串行方式沿着信道传送数据并且配置成在发现之后以准并行方式沿着信道传送数据。
在串行配置中，给定的数字伺服模块可以接收和处理由中央控制器传送的数据包，而不必将数据包向下游发送到下一个相邻的数字伺服模块，如果存在的话。在准并行配置中，给定的数字伺服模块可以跟随通过模式设置其数据信号I/O端口，使得在接收到对应于数据包的数据流时，给定的数字伺服模块基本上立即将数据流向下游发送到下一个相邻连接的数字伺服模块，如果存在的话。
数据包可被细分成多个有序子信道，每个子信道为分别定位在信道中的其中一个所述数字伺服模块提供数据流。数据包可包括模块反馈识别，并且响应于该模块反馈识别，仅所识别的数字伺服模块将应答包发送回到中央控制器。
中央控制器和数字伺服模块可被编程以执行发现过程，其中：(a)每个数字伺服模块最初在串行配置下操作；(b)中央控制器在数据包的每个子信道内传送发现信号；(c)在接收到将至少一个发现信号封装到其中的数据包时，给定的数字伺服模块检测到承载发现信号的最低阶子信道，响应于中央控制器发现信号发送应答，进入到所述准并行配置下，并开始处理呈现在检测到的子信道上的命令；以及(d)在接收到发现应答时，中央控制器停止发送在最低阶子信道内的发现信号，最低阶子信道那时当前正在发送发现信号。
发现过程可允许数字伺服模块是可热交换的和/或可允许机器人人物动态地重新配置。
所述机器人系统还可包括数字LED模块，该数字LED模块包括发光二极管。数字LED模块具有输入端口并且可具有输出端口。数字LED模块输入端口具有电源、接地和数据信号插头。数字LED模块输出端口可具有电源、接地和数据信号插头。数字LED模块输入数据信号插头可与数字LED模块输出数据信号插头电隔离。
数字LED模块可按一定的顺序与数字伺服模块连接。中央控制器、数字伺服模块和数字LED模块可被编程以实现下述通信协议，在该通信协议中数字伺服模块和数字LED模块在发现之前以串行方式配置并且在发现之后以准并行方式配置。
数字伺服模块可经由数字伺服模块输出端口连接到标准的伺服单元。在这种情况下，数字伺服模块可配置成在输出端口信号线上输出常规伺服信号以便控制所连接的标准伺服单元。
每个数字伺服模块可包括LED，且每个数字伺服模块可根据预定的内部状态方案自主地设置其LED的颜色。
所述机器人系统还可以包括受控于中央控制器的模拟或数字轮模块以便移动所述机器人人物。
在一些实施方式中，机器人系统使得用户能够通过发出语音命令或通过虚拟远程应用程序指引根据预定构造构建的机器人人物的动作(例如，运动、音频和/或照明图案)，该虚拟远程应用程序允许用户能够操纵预定构造的虚拟表示。因此，例如，诸如“抬高臂”或抬高虚拟表示的臂的语音命令导致物理臂的相应抬高。在一些实施方式中，语音命令识别软件和/或虚拟远程应用程序可由应用处理器来执行，所述应用处理器诸如通过有线或无线链路可操作地连接到中央控制器的智能电话或平板电脑。在其它实施方式中，这种功能可嵌入到中央控制器内。
在一些实施方式中，机器人系统可使得编程技能或经验有限的人能够容易地对机器人人物进行编程以便以多种方式播放动画序列。这些包括学习的动作模式，用户动作捕获模式、动画生成器模式。
在学习运动模式下，用户可以手动操纵机器人人物的位置控制关节。在这个过程中，每个数字伺服模块将其伺服位置周期性地传送到中央控制器，所述中央控制器记录用于每个数字伺服模块的轨迹(伺服位置的时间序列)。中央控制器随后可将位置命令传送到数字伺服模块，以便分别重放数字伺服模块的记录轨迹。该模式是特别有利的，因为它可对从不同的数字伺服模块和元件构造块布置所构建的各种机器人人物配置进行编程。
中央控制器可包括麦克风和扬声器，以及中央控制器可记录学习运动模式下的音频。记录的音频可与重放的数字伺服轨迹协调地重放。此外，该系统还可记录在数字伺服模块和/或在数字LED模块中采用的发光二极管的轨迹(或模式)。
在运动捕获模式下，应用程序处理器(诸如智能电话或输入板)可以执行应用程序，所述应用程序能经由附连的摄像机记录人手臂的运动并处理所捕获的视频图像以获得手臂运动轨迹。该轨迹然后转换成伺服位置指令，使得根据预定构造构建的机器人人物的动作模仿在所捕获的视频中看到的动作。当人的手臂运动被捕获、或储存以备以后重新播放时，轨迹可由机器人人物基本上实时地模仿。
在动画生成器模式下，应用程序处理器(诸如智能电话或输入板)可以执行一个应用程序，该应用程序使得用户能够通过操作预定构造的虚拟表示来生成根据预定的构造构建的机器人人物的动画序列。动画生成器应用程序处理虚拟动作(其可包括伺服运动、马达运动、照明图案和音频)以生成模仿预定构造的虚拟动作的机器人系统命令，并将这些命令存储到动画文件中以便随后执行。
在一些实施方式中，动画生成器应用程序包括虚拟生成器功能，其使得用户能够创建重新配置的机器人的虚拟表示。动画生成器随后可被用来生成用于重新配置的机器人人物的动画序列。
在另一个方面，提供可重新配置的机器人系统，其包括至少两个数字伺服模块，其中每个数字伺服模块包括位置控制马达和用于感测伺服位置的位置传感器；多个元件构造块，元件构造块连接到所述数字伺服模块以便构建具有位置控制关节的机器人人物，其中元件构造块可与数字伺服模块结合以便构建不同配置的机器人人物。中央控制器经由多个通信信道与数字伺服模块通信，每一个信道被细分成多个子信道。中央控制器经由相应的子信道与每个给定的数字伺服模块通信。该系统利用发现过程，其中中央控制器在每个子信道内周期性地传送发现信号，直到新附连的数字伺服模块传送应答到发现信号为止，此时所述中央控制器识别新附连的数字伺服模块的存在。中央控制器经由逻辑子信道将伺服位置指令传送到所识别的数字伺服模块并且从所识别的数字伺服模块接收伺服位置反馈。中央控制器配置成以学习运动模式设置所述数字伺服模块，其中所述位置控制的关节可手动操纵，并且在所述过程中，每个所选定的数字伺服模块将伺服马达位置周期性地传送到记录每个数字伺服模块轨迹的中央控制器。中央控制器可随后将位置指令传送到数字伺服模块，以重放所记录的伺服轨迹。
在一些实施方式中，中央控制器包括麦克风和扬声器。中央控制器可以学习运动模式录制音频并以与重放的伺服轨迹协调的方式重放录制的音频。
在一些实施方式中，每个数字伺服模块包括LED以及每个数字伺服模块根据预定的内部状态方案自主地设置LED的颜色。LED颜色可指示以下内部状态：(i)非附连的方式；(ii)正常模式；和(iii)学习的运动模式。
在另一方面，提供机器人系统，其包括至少两个数字伺服模块，其中每个数字伺服模块包括位置控制马达和用于感测伺服位置的位置传感器；多个构造块元件，其中构造块元件可与数字伺服模块连接来创建机器人人物的位置控制关节；用于使得机器人人物能够进行轮式运动的至少两个轮模块；以及与数字伺服模块和轮模块通信并控制数字伺服模块和轮模块的中央控制器。中央控制器可操作地将选定组的数字伺服模块设置在学习运动模式下，其中相应组的位置控制关节可被激活以便手动操纵，并且其中每个所选定的数字伺服模块将伺服马达位置周期性地传送到中央控制器。中央控制器被编程以便基于所选定的数字伺服模块的伺服位置指引机器人人物轮模块的转向。
机器人人物可包括肢体，以及所选定的数字伺服模块可提供肢体的位置控制关节。肢体可由行走的用户抓握并且中央控制器可使得轮模块转向，使得所述机器人人物跟随用户。
在另一个方面，提供可重新配置的机器人系统，其包括至少两个数字伺服模块，其中每个数字伺服模块包括位置控制马达和用于感测伺服位置的位置传感器。提供多个元件构造块，元件构造块连接到所述数字伺服模块以便构建具有位置控制关节的机器人人物。元件构造块可与数字伺服模块结合来构建不同配置的机器人人物。中央控制器经由多个通信信道与数字伺服模块通信，每个信道被细分成多个子信道。中央控制器经由相应的子信道与每个给定的数字伺服模块通信。中央控制器在每个子信道内周期性地传送发现信号，直到新附连的数字伺服模块传送应答到发现信号为止，此时所述中央控制器识别新附连的数字伺服模块的存在。中央控制器经由逻辑子信道将伺服位置指令传送到数字伺服模块并且从数字伺服模块接收伺服位置反馈。控制应用程序在中央控制器或与中央控制器通信的应用程序处理器中的至少一个上执行。控制应用程序使得用户能够通过控制所构建的机器人人物的虚拟表示来控制数字伺服模块。控制应用程序还使得用户能够设计所构建的机器人人物的虚拟表示，并执行下述过程，其中控制应用程序识别每个数字伺服模块并将所识别的数字伺服模块与用户设计的虚拟表示下的位置相关联。
附图说明
参照附图将更加容易地理解本发明的上述和其它方面，其中：
图1是人形状机器人的图示，其由套件构建，所述套件包括元件构造块和与机器人系统相关联的通用电子模块。
图2是另一个更小的人形状机器人的图示，其由类似于但小于图1中所示的用于构建机器人的套件构建。
图2A是图2中所示的机器人头部部分的局部分解组装图。
图2B是图2中所示的机器人脚部部分的局部分解组装图。
图3是类似恐龙机器人的图示，该机器人是用于构建图1中所示机器人的套件的重新配置。
图4是在机器人系统中使用的数字伺服模块的硬件电路框图。
图5A-5D是由数字伺服模块构建的枢转致动器的指导性组装视图。
图6是在机器人系统中使用的数字LED模块的硬件电路图。
图7是在机器人系统中使用的数字轮模块的硬件框图。
图8是在机器人系统中使用的中央控制器的硬件框图。
图9是示出用于将中央控制器连接到机器人系统中的数字模块的联网方案的网络拓扑结构图。
图10是由中央控制器传送到数字模块的数据包的结构图。
图11是由数字模块传送到中央控制器的应答数据包的结构图。
图12是用于使得根据预定构造的机器人人物由用户抓住时能够跟随用户的算法的流程图。
图13A-13E是与运动捕获应用程序相关联的屏幕截图，其中根据预定构造的机器人人物可通过捕获用户的身体运动进行编程。
图14是与虚拟远程控制应用程序相关联的屏幕截图，其中根据预定构造的机器人人物可通过操纵机器人人物的虚拟表示基本上实时地控制。
图15是与动画生成器应用程序相关联的屏幕截图，其中根据预定构造的机器人人物可以通过操纵机器人人物的虚拟表示来进行编程。
图16是与人形生成器应用程序相关联的屏幕截图，人形生成器应用程序使得用户能够设计重新配置的机器人的虚拟表示，其中所述用户设计的虚拟表示可用于直接控制重新配置的机器人或生成动画文件来控制重新配置的机器人。
图17是示出电子模块如何可与重新配置的机器人中的中央控制器相互连接的一个实例的示意图。
图18是示出相关处理结果的示意图，其中图17中所示的各个电子模块已被映射到图16中所示的用户设计的虚拟表示的对应位置。
具体实施方式
1.0简介
对机器人系统进行描述，其包括用于与骨骼结构互连和/或使骨骼结构运动的通用电子模块。该系统可以套件的形式提供，所述套件包括组件，诸如各种通用电子模块以及可用于构建骨骼结构的元件构造块和紧固件。各个电子模块可与元件构造块组装到一起来构建可控的、能够运动的、铰接的骨骼布置，诸如机器人。
例如，图1示出由第一套件构建的人形机器人20。机器人20包括许多骨架结构，诸如前臂22，该前臂由元件构造块22a、22b、22c、22d组装而成；和包括上臂24，其由元件构造块24a组装而成。前臂22通过数字伺服模块100(在图1中不能直接看到)以关节的方式连接到上臂24，如在下面更详细地论述的那样，数字伺服模块100与各种元件构造块组装提供枢转致动器10(其实例分别参照图10A-10G)，该枢转致动器10用作前臂22和上臂24之间的可控关节。
图2示出由第二套件构建的另一人形机器人30。第二套件类似于但是小于第一套件，具有更少的组件。
在图1和图2所示的实施方式中，骨架结构由元件构造块组组装而成，样式为或类似于公知的Meccano(商标)构造块组，以及本文所述的机器人系统和/或套件(多个)可被称为Meccanoid(tm)系统和/或套件，但可以使用其它形式的构造块来组装骨架结构。备选地，该骨架结构可整体地作为整体单元提供，即，无需由较小构造块组装它们。
如下面更详细论述的那样，机器人系统优选可重新配置，使得套件和/或类似套件的元件可用于组装可控关节连接的骨架结构的各种配置。例如，在图3中所示的机器人人物40由与用于构建图1中所示人形机器人的相同套件的组件组装而成。
为了使得能够重新配置，所述机器人系统包括一套“即插即用”电子模块，其可动态地互连以提供各种动画效果。电子模块包括：
·数字(或模拟)伺服模块100，其用于控制关节位置；
·数字(或模拟)LED模块200，其用于控制一个或多个发光二极管(LED)；
·模拟(或数字)轮模块300，其用于使得机器人人物能够运动；
·中央控制器400，其与前述模块通信并指引前述模块。
中央控制器400是用于构建任何基于系统的机器人人物所必需的。如下面更详细论述的那样，机器人系统优选采用包括数字命令集的数字通信协议，数字命令集在本文中可称为Meccanoid(tm)命令，用于在中央控制器400和至少一个数字模块之间通信控制指令。数字命令集包括由数字模块解译的特殊命令代码。能够解译数字命令集的任何模块在本文中称为数字模块，例如，数字伺服模块或数字LED模块。例如，为了设定关节的位置，命令集可包括数字命令代码，诸如“XY”(X是位置命令，Y为参数)，与传统的模拟脉冲编码调制控制信号相反。数字伺服模块100解译并执行这样的命令来控制其相应伺服的位置。类似地，为了设定LED的颜色，命令集可包括数字命令代码，诸如“JK”(J是设定的颜色命令，K是颜色参数)。数字LED模块200解译并执行这样的命令来控制其相关联的LED(多个)。如下面更详细论述的那样，机器人系统还可优选地控制使用传统模拟控制信号的有限数量的模块。这样的模块在本文中将称为模拟模块。例如，模拟轮模块可包括经由直流电源线由中央控制器100直接控制的直流马达。
如下面更详细描述的那样，中央控制器400还可连接到应用程序处理器以便指引中央控制器。
从上述内容应当理解，机器人人物可以使用数字和/或模拟伺服模块、数字和/或模拟LED模块、以及数字和/或模拟轮模块的各种配置进行组装，所有都由中央控制器400进行指引。例如，图1中所示的人形机器人20包括一个中央控制器400A，其驱动在八个枢转致动器10A、10B、…10H(10H位于所述头部区域内且在视图中隐藏看不到)中采用的八个数字伺服模块100A、100B、…100H(在视图中隐藏看不到)；一个数字LED模块200A；和两个模拟车轮模块300A、300B。在图2中所示的人形机器人包括一个中央控制器400A'，其驱动在四个枢转致动器10A'，10B'，…10D'中采用的四个数字伺服模块100A'、100B'、…100D'(在视图中隐藏看不到)；一个数字LED模块200A'；和两个模拟车轮模块300A'和300B'。在图3中示出的机器人20'包括一个中央控制器400A，其驱动在八个枢转致动器10A、10B、…10F中采用的六个数字伺服模块100A、100B、…100F；一个数字LED模块200A；和两个模拟车轮模块300A和300B，机器人20'如前面指示的那样由用于构建图1中所示的机器人20的套件构建。
现在描述将转向更详细地论述每个前述模块和它们相互作用以实现对于儿童和其它的编程经验或能力有限的其它人员而言的迷人游戏。
2.0电子模块
2.1数字伺服模块
图4是数字伺服模块100的硬件电路图，其包括驱动直流马达100-M1。如在图5A中最佳所示，马达100-M1包括壳体102和容纳在连接到马达壳体102的盖106内的印刷电路板(PCB)104。数字伺服模块100具有连接到PCB 104的用于电输入和输出连接的两个三线连接的电缆110，(输入电缆被指定为110A，以及输出电缆被指定为110B)，如在下面更详细地论述的那样。数字伺服模块100包括可旋转输出臂112，该可旋转输出臂112具有有限的角范围。通过控制伺服的位置，相关联关节的角位置和运动可以得到控制。
返回到图4，数字伺服模块100包括微控制器100-U3，微控制器100-U3优选编程以便与中央控制器400和其它系统模块进行通信，执行根据数字通信协议由中央控制器400提供的命令，以及将同步或不同步的反馈提供给中央控制器400。
马达100-M1连接到H桥接电路100-U1。H桥接电路100-U1由微控制器100-U3控制，微控制器100-U3提供脉宽调制信号100-PWM，脉宽调制信号将由H桥接电路100-U1提供的电流供应切换到马达100-M1，以控制马达100-M1的位置、速度和/或扭矩，如本领域内本身已知的那样。
所述的数字伺服模块100包括至少两个反馈传感器、电位计100-VR1和电流传感器100-R3。
电位计100-VR1具有移动元件，其物理地连接到输出臂112，使得在电位计输出100-V_ADREF所产生的电压表示关节的角度。电位计输出100-V_ADREF连接到微控制器100-U3(插头11)，其将所感测的电压转换成数字关节角度。
电流传感器100-R3是低电阻电阻器，其具有的一端在点100-V_LOAD处连接到马达100-M1和微控制器100-U3。电阻器100-R3的另一端连接到接地。因此，微控制器100-U3配置成读取流动通过马达100-M1的平均电流并生成有用的数据，诸如扭矩(其将正比于电流)或失速状态(当电流峰值超过预定阈值时发生上述)。
所述的数字伺服模块100还包括LED，100-D1，其经由线路100LED_R、100-LED_G、和100-LED_B连接到微控制器100-U3并由微控制器100-U3控制。微控制器100-U3可控制LED100-D1的颜色，其可用于在视觉上指示数字伺服模块的控制状态，如在下面更详细地论述的那样，或以其它方式用于使机器人人物运动。
所述的数字伺服模块包括两个I/O通信端口100-J1和100-J2，其分别用作输入和输出端口。每个I/O端口100-J1或100-J2具有三个插头，用于连接到三线连接电缆110A或110B，如图8中最佳看到的那样，三线连接电缆110A或110B包括电源线60P，接地线60G和数据信号线60D。每个端口100-J1和100-J2的插头#3意旨用于连接到连接电缆110A、110B的接地线110K，以及100-J1的插头#3和100-J2的插头#3连接到数字伺服模块中的共同接地点。类似地，每个端口100-J1和100-J2的插头#2意旨用于连接到连接电缆110A、110B的电源线60P，以及100-J1的插头#2和100-J2的插头#2连接到在数字伺服模块100中的点100V_SERV。点100-V_SERV连接到电压调节器100-U2的输入，电压调节器100-U2提供用于给H桥接电路100-U1和微控制器100-U3供电的调节功率信号100-VDD。端口100-J1的插头#1意旨用于连接到输入连接电缆110A的数据信号线60D，以及端口100-J2的插头#1意旨用于连接到输出连接电缆110B的数据信号线60D。但是应当注意的是，端口100-J1的插头#1和100-J2的插头#1不连系到一起，使得输入和输出通信电缆110A、110B的数据信号线电隔离。
图5A-5D是指令性的构造视图，其示出数字伺服模块100如何可与元件构造块组装来构建枢转致动器10的一个实施方式。
该元件构造块包括第一和第二托架50、52(图5A、图5D)，第一和第二托架50、52可相对于彼此枢转或旋转，从而提供枢转关节。第一托架50包括后壁50A和侧壁50B、50C，后壁50A和侧壁50B、50C限定用于安置马达壳体102的开口50D。马达壳体102具有两个向外延伸的凸缘114，用于经由一个或多个紧固件(诸如螺栓和螺母)将壳体102安装到第一托架侧壁50C上。如在图5B和5C中所看到的那样，包括上半部和下半部116A、116B的半圆形外壳116围绕马达壳体凸缘114和第一托架侧壁50C中的一个安装并安装在马达壳体凸缘114和第一托架侧壁50C中的该个上。如图5D中所看到的那样，第二托架52具有后壁52A和两个侧壁52B，52C。侧壁52B包括一体形成的互连特征，诸如用于连接到配合的第二互连特征的孔52D，配合的第二互连特征诸如一体地形成在伺服输出臂112中的突起112A。为U形形式的第二托架52优选由挠曲性的弹性制材料诸如塑料制成，该挠曲性的弹性制材料允许其侧壁52B、52C稍微挠曲以便允许第二托架52在输出臂112和第一托架50的上方卡口适配。一个或多个紧固件也可用于将第二托架52固定到伺服输出臂112和/或第一托架50。
所述第一托架50的后壁50A和第二托架50的后壁52A可分别包括孔50E，52E，用于使用套件紧固件将枢转致动器10互连到其它构造块。
2.2模拟伺服模块
模拟伺服模块(未示出)是常规的脉冲比例伺服，其包括用于包括电源、接地和数据信号线的三线连接电缆的至少一个三插头输入连接器。常规的标准伺服数据信号是以约50赫兹的频率重复的从约0.5毫秒至约2.5毫秒的正脉冲范围(并且更典型地在约0.9至2.1毫秒的范围内)。常规伺服单元将其输出轴设置成与脉冲宽度成比例。在物理上，模拟伺服模块如果不与数字伺服单元相同就会是类似的，并以相同或相似的方式用于组装枢转致动器10。
模拟伺服模块由中央控制器400或者数字伺服模块100直接驱动。如在下面更详细论述的那样，数字模块可以菊花链状连接在一起，但模拟模块不能串联连接到彼此，从而限制了在机器人系统内可包括的模拟模块的数量。
2.3数字LED模块
图6是数字LED模块200的硬件电路图。数字LED模块200具有类似于数字伺服模块100的控制配置，除了伺服马达和其驱动电路之外。更具体地，数字LED模块100包括至少一种颜色的LED 200-D1、优选第二颜色的LED 200-D2、微控制器200-U1、优选分别提供输入和输出端口以便分别连接到输入和输出三线电缆110A、110B的两个I/O通信端口200-J1和200-J2、以及电压调节器200-U2。
微控制器200-U1同样优选地编程以便与中央控制器400和其它系统模块通信，根据数字通信协议执行由中央控制器400提供的命令，并且将同步或是不同步的反馈提供给中央控制器400。
微控制器200-U1控制LED 200-D1、200D2的打开、关闭及其颜色，其可经由信号200-LED_R1、200-LED_G1、200-LED_B1、和200-LED_R2，200-LED_G2和200-LED_B2通过红色、绿色和蓝色光的相对强度控制。
两个I/O通信端口200-J1和200-J2也同样线接到数字伺服模块100的I/O端口，因为端口200-J1的插头#1没有连接到端口200-J2的插头#1，使得输入和输出通信电缆110A、110B的数据信号线60D保持电隔离。每个端口200-J1和200-J2的插头#2意旨用于连接到连接电缆的电源线60P并且在点200-V_MOT处连接到一起。点200-V_MOT连接到电压调节器200-U2的输入端，其提供给微控制器U1供电的调节功率信号200-VDD。每个端口200-J1和200-J2的插头#3意旨用于连接到连接电缆110A、110B的接地线60G并且一起连接到数字LED模块200中的共同接地。
在一些实施例中，输出端口200-J2也可以省略。在这样的实施例中，没有其它的数字模块会附连到数字LED模块的下游。
数字LED模块200可具有一个以上的LED(其并联连接)，并可以用于使拟人化的眼睛运动。例如，图2A的局部分解视图示出集成到外壳70内的数字LED模块200。数字LED模块200具有印刷电路板(PCB)(未示出)，其容纳在外壳70的容置部72内。输入电缆110A连接到PCB。外壳70还包括两个间隔开的翼部部分74，两个间隔开的翼部部分74内安装两个LED200-D1和200-D2。两个LED 200-D1和200-D2可安装以便照射到双眼结构78的凹入的半透明表面76上。
2.4模拟LED模块
模拟LED模块(未示出)构成一个以上的LED，其由中央控制器400上的某些输出端口上的设定电压直接控制。
2.5模拟轮模块
模拟轮模块300在图2B的局部分解视图中示出，并包括旋转直流马达302，其具有用于电源和接地的两线输入304。直流马达302具有输出轴306，并且供应到马达的电流量控制所述输出轴的速度。如图2B中所示，轮308可安装到输出轴306。机器人人物可采用两个模拟轮模块300来驱动两个轮，控制所述两个轮以使机器人人物向前、向后移动和/或通过改变一个轮相对于另一个轮的速度使其转动。
2.6数字轮模块
该系统还可以采用数字轮模块300'，其在图7中以示意性框图的形式示出，其将包括微控制器300-U1，分别提供输入和输出端口以便分别连接到输入和输出三线电缆310A、310B的两个I/O通信端口300-J1和300-J2，电压调节器300-U2，用于驱动直流马达302的马达驱动器电路300-D1，与驱动器电路相关联的用于电流反馈目的的电流检测器300-R1，以及位置或速度传感器300-P1，诸如霍尔效应传感器或绝对编码器，以提供反馈，如下面更详细论述的那样。
类似于先前所述的数字模块，微控制器300-U1优选编程以便与中央控制器400和其它系统模块进行通信，根据数字通信协议执行由中央控制器400提供的命令，并将同步或不同步的反馈提供给中央控制器400。
2.7中央控制器
图8示出中央控制器400的一个实施方式的示意性硬件框图。
中央控制器400包括数字信号处理器(DSP)402，其可操作地连接到：
·实时时钟404
·USB端口406
·多个三插头I/O端口408
·与电流传感器411相关联的两个直流马达驱动器电路410
·功率控制器412
·音频放大器和扬声器414
·麦克风416
·至少一个SPI闪存418
·SPI连接器420
·至少一个手动致动的按钮或开关422
·至少一个发光二极管(LED)426
马达驱动器电路410是机载驱动器，其用于驱动小型直流马达，诸如用于驱动轮308的旋转直流马达302。这些电路在其意旨部署模拟轮模块300(如在图1和图2中)以使得机器人人物运动的情况下是有用的。在一些实施方式中，如果意旨部署数字轮模块300'，则马达驱动器电路410和相关联的电流传感器411可以被省略，其中数字轮模块300'具有用于驱动直流马达302的必需电路。
三插头的I/O端口408中的每一个连接到DSP 402的不同的I/O信道。如先前所论述的那样，一个插头意旨用于连接到电源线60P，一个插头意旨用于连接到接地线60G，以及一个插头意旨用于连接到数据信号线60D。如先前所论述的那样，数据信号插头/线电隔离。
功率控制器412将DSP 402与电源诸如例如可再充电电池接口连接。
USB端口406使得中央控制器402能够与计算设备进行通信，计算设备诸如用于应用程序处理目的的计算机、输入板或智能手机。
3.0通信协议
3.1网络拓扑
图9示出机器人系统的网络拓扑结构。中央控制器400具有由I/O端口408提供的多个信道450(各个信道被指定为450A、450B、…、450N)。为了限制延迟问题，可在任何给定信道内串行链接的数字模块的数量被限制到优选不超过四个模块。每个模块经由三线三线链路60连接到其相邻模块，诸如当连接到相邻的下游数字模块(诸如数字伺服模块100的输入电缆110A)的三线输入电缆时由一个数字模块的三线输出电缆(诸如数字伺服模块100的输出电缆110B)提供。如先前所论述的那样，每个链路60分别包括电源、接地和数据信号线60P、60G和60D。任何相邻链路60的电源线60P电互连，以及任何相邻链路60的接地线60G串联地互连。然而，任何相邻链路60D的数据信号线不电互连；也就是说，在发现之前，在给定链路60的数据信号线60D上的任何信号不被瞬时传播到相邻链路(多个)60的数据信号线60D。
如将在下面更详细论述的那样，每个信道450最初以串联模式操作以便于发现数字模块的目的。在这种模式下，数字模块将从中央控制器400接收数据包，处理该数据包，并确定是否将该数据包传送到下游数字模块。然而，一旦数字模块由中央控制器400发现，信道在该点以准并行的方式表现，其原因在于每个被发现的数字模块将其数据信号输入和输出插头(例如，100-J1的插头#1和100-J2的插头#1)以跟随通过模式设置，以便所有数据都基本上在同一时间呈现给信道的每个数字模块。该方案是有利的，因为该系统意旨作为一种使用低成本的低速电子器件的低成本设备。此外，信道的通信速率通常还相对缓慢地操作，例如，在只有2400波特的最大速度下操作。通过这样低的通信速度，将会存在滞后，因为串联中的每个数字模块在将数据包的内容传送到下游之前进行累加，造成在远端数字模块处的相当大的延迟。但是，到准并行模式的转变降低延迟并提高控制响应性。
模拟伺服模块(ASM)100'不包括经由数字通信协议进行通信所需的逻辑，因此只能被放置在紧接数字伺服模块100(诸如ASM 100'-NC)下游或紧接中央控制器400下游的信道端部处。数字伺服模块100的微控制器100-U3和中央控制器400的DSP 402分别编程以便通过将常规伺服PCM信号传送通过数据信号线60D来控制所连接的模拟伺服模块100'。
3.2链路协议
图10示出从中央控制器400到数字模块的数据包600的格式。数据包600包括标题字602、多个子信道数据字604(分别为604A-604N)、以及包括校验半字节606和模块反馈ID(MFID)半字节608的字。每个字优选被配以一个起始位、八个数据位、一个停止位。如所示的数据包600是专门针对模块的最大允许数量为四个的情况配置的。本领域技术人员将理解的是，在其它实施方式中，数据包的格式可与示出的有所不同。其它数据包结构也是可能的。
从数字模块到中央控制器的应答数据包610优选格式化为单个字，该单个字包括一个起始位612和一个响应字节614，如图11所示。其它格式也是可能的。
中央控制器400在每个信道450上周期性地传送数据包600，例如，在20赫兹下。每个子信道字604包含用于在信道450中相应定位的数字模块的命令。例如，在图9所示的信道450B中，第一子信道字604A将包含用于数字伺服模块(DSM)100-2A的命令以及第二子信道字604B将包含用于数字LED模块(LM)200-2B的命令。所述MFID 608确定信道450中的哪个数字模块应发送应答数据包610。例如，如果MFID 608的值是0×00，则数字伺服模块100-2A将传送应答包，以及如果MFID 608的值是0×01，则数字LED模块200-2B将传送应答包。当中央控制器400周期性地传送数据包600时，MFID 608的值连续地循环，使得在信道中的每个被发现的数字模块有机会在中央控制器传输之间的时间间隔内进行应答。例如，在信道中最多四个模块和20赫兹的中央控制器传输速率的情况下，各数字模块提供5Hz的反馈速率。
3.3发现
为了实现快速动态的重新配置，机器人系统在启动或通电开机时经受优选的发现过程。
每个信道450可在串联连接的配置或串行链路中的位置A、B、…N中具有多达N(优选四个)个数字模块。例如，在图9中，信道450A在位置A至D中分别具有四个数字伺服模块(DSM)100-1A、100-1B、100-1C和100-1D，以及信道450B在位置A至B中分别具有两个数字模块DSM 100-2A和LM 200-2B。在位置A中的数字模块紧邻中央控制器400，因此可以被认为是第一上游模块。在位置N中的数字模块在距离中央控制器400的最远下游，因此可以被认为是在串行链路中的最后一个数字模块。(在其它实施方式中，根据可以安全支持的串行比特速率，信道可以支持更多或更少的数字模块。)
在通电开机时，中央控制器在所有的子信道数据字604上传送“分配ID”的命令。
当第一数字模块A接收到该数据包时，模块注意到“分配ID”命令的第一实例是在第一子信道字604A内。因此，第一数字模块A能够检测到它处于串行链中的第一位置下。第一数字模块A不将该数据包向下游传递到串行链中的下一个相邻的数字模块B。相反，第一数字模块A将“认可ID”应答发送回到中央控制器。因此，中央控制器检测到数字模块A插入。第一数字模块A也将其数据信号I/O端口设置在流通模式下，如上所述。
接下来，中央控制器发出第二数据包，第二数据包具有在第二、第三和第四子信道数据字中的“分配ID”命令，并且所述MFID递增。第一子信道字具有另一个命令，诸如显式ID编码的分配，意旨用于数字模块A。数字模块A将接收命令X并且不管它是什么都作出反应。但是，数字模块A现在会把数据包向下游传递到数字模块B(如果已附连)。(一旦数字模块接收到ID，它就将数据发送到下一个模块。)数字模块B现在接收数据包并检测到在数据包中“分配ID”命令的第一实例是在第二子信道字内。数字模块B从而检测到它在第二位置下，从而将作用于在第二子信道内传送的命令。数字模块B然后将“认可ID”的应答发送回到中央控制器，并将其数据信号I/O端口设置在流通模式下，如上所述。因此，中央控制器检测到数字模块B插入。
该过程以中央控制器发出第三数据包并且所述MFID 608递增来继续，第三数据包具有在第三和第四子信道数据字中的“分配ID”命令。第一和第二子信道字604A、604B具有分别意指用于数字模块A和B的其它命令X和Y。数字模块A和B将接收命令X和Y并且无论它们是什么都作出反应。但是，数字模块A和B将数据包向下游传递到数字模块C(如果已附连)。数字模块C现在接收数据包并检测到在数据包中“分配ID”命令的第一实例是在第三子信道字604C内。数字模块C从而检测到它在第三位置下，从而将作用于在第三子信道604C内传送的命令。数字模块C然后将“认可ID”的应答发送回到中央控制器，并将其数据信号I/O端口设置在流通模式下，如上所述。因此，中央控制器检测到数字模块C插入。
这个过程一直持续，直到所有的数字模块检测到它们在信道450内的位置和分配的ID。类似地，中央控制器知晓多少模块插入。应注意的是，所述中央控制器继续在子信道上发送“分配ID”命令，直到中央控制器接收所需应答。
优选的发现过程给它带来许多优点。
首先，发现过程使得附加数字模块的“热插拔”成为可能。例如，考虑的是数字模块A和B都插入的情况。中央控制器以在子信道字三和四的“分配ID”命令发送出数据包。如果数字模块C被插入，其将会收到经过数字模块A和B的数据流。数字模块C将获知“分配ID”命令的第一实例是在第三子信道字内，因此检测它是在该信道的第三位置下。数字模块C应答中央控制器，中央控制器从而检测数字模块C。因此，数字模块C被附连并分配一个唯一的ID。
优选的发现过程的另一优点是，它使得位置依相邻的模块而定。例如，考虑到数字模块A，B和C已插入。数字模块B无法被拔掉，数字模块C也无法从信道拔掉。当中央控制器没有从模块接收返回数据时(即，当没有响应于给定MFID的应答数据包时)，则中央控制器假定相应的数字模块被拔掉，并在相应的子信道上改变命令到“分配ID”。在该实例中，通过数字模块B和C被拔掉，中央控制器未收到任何应答，并因此以在第二至第四子信道字604B、604C和604D上的“分配ID”命令发送出数据包。
该“分配ID”命令可包括唯一的标识符和值(例如，4位可用于命令以及4位用于传送唯一的ID)。备选地，唯一的ID可在输送下一个数据包时在相应的子信道内被携载。仍在进一步的替代方案中，如上所述，借助于发现过程基于位置可以暗示唯一ID，所述发现过程识别中央控制器和数字模块，后者的位置在串行链中。
数字伺服模块通过感测在其输出I/O端口的数据信号线上的下拉电压来确定是否附连标准的伺服单元。如果该条件被感测到，并且数字伺服模块注意到除了在相邻相应的下行子信道字上的“分配ID”之外没有其它中央命令，则数字伺服模块假定附连标准的伺服单元。
3.4命令集和状态编码
下面论述数字命令集的一个实施方式。表1列出用于数字伺服模块100和数字LED模块200的各种状态情况。
表1－状态编码
这些命令可以各种方式来实施。因为大多数命令通常都将是伺服设定位置的命令，子信道字的地址范围可被分段，以便范围的一部分被保留用于显式命令，以及范围的大部分用于“设定伺服位置”的隐式命令。例如，数据值0xFF到0xF0可被保留用于显式命令(诸如上述的“分配ID”命令)。数据值0xEF到0x00可用于模块位置数据。因此，例如，0xAA可将命令“设定伺服位置”对应于数字伺服的预定角度范围(0×00-0xEF)内的相对位置0xAA。使用单字节来通信所需伺服位置消除了用于传送标准伺服50Hz的脉冲信号的需求以及用于传送标准伺服50Hz的脉冲信号所需的带宽。
“请求类型”命令请求给定的数字模块来报告其类型，诸如数字伺服模块或数字LED模块。由数字模块传送的应答数据包将把类型报告给中央控制器。
“获取伺服位置”命令可请求给定的数字伺服模块来报告其相关联的伺服马达的位置。由数字伺服传送的应答数据包将把位置报告给中央控制器。在一些实施方式中，对于中央控制器而言可能没有必要传送请求伺服位置反馈的显示命令；更确切地说，中央控制器传送伺服位置命令的事实意味着数字伺服模块返回伺服位置反馈。
“请求伺服转矩”命令可以请求给定的数字伺服模块在其相关联的伺服马达的转矩输出上进行报告。如先前所述，每个数字伺服模块包括用于感测所施加扭矩的电流传感器。由数字伺服传送的应答数据包将把扭矩报告给中央控制器。
“获取伺服状态”命令可请求给定的数字伺服模块或LED模块报告其内部状态。由数字模块传送的应答数据包将把状态报告给中央控制器。
每个数字伺服模块自主地设定内部状态条件连同其相关联LED的颜色。这些状态条件和相关联的颜色在表1中有所概述。在该具体的方案中，如果所述数字伺服模块正常地操作，则它会将其内部状态条件设定到特定值并将所述LED的颜色设定成蓝色。类似地，如果数字伺服模块正常地操作但连接到从属的标准伺服单元，则数字伺服模块将其内部状态条件设定到另一预定值并将LED颜色设定成蓝色。如果数字伺服模块经受失速条件(电流传感器检测到电流峰值)，则数字伺服模块修订其内部状态条件，并将其LED颜色设定成红色。如果失速条件持续超过阈值时限和/或位置传感器(电位计)不显示任何进一步的运动，则所述数字伺服模块将暂时将其本身禁用，以防止任何物理损坏，修订其内部状态条件以反映该条件，并将LED颜色设定成红色。如果数字伺服模块尚未从中央控制器接收到ID编码，则数字伺服模块将其内部状态条件设定成特定值并将LED颜色设定成黄色。数字伺服也可设置成“LIM”模式，如下面更详细论述的那样。在这种情况下，数字伺服模块修订其内部状态条件以反映这种条件，并将其相关联的LED颜色设定成绿色。
“设定LED颜色”命令请求给定的数字伺服模块或数字LED模块设定其相关联的LED的颜色。如果该命令被发送到数字伺服模块并且颜色值为0，则所述数字伺服模块基于其内部状态自主地设定LED的颜色，如上所述。
在一些实施方式中，设定颜色命令可通过两个数据包600传送。例如，一个实施方式利用以下方案：
·(ⅰ)第一字节＝00gggrrr，其中00表示这是第一字节，ggg为用于绿光强度的3位值，以及rrr为用于红光强度的3位值；
·(ⅱ)第二字节＝01tttbbb，其中01表示这是第二字节，ttt是用于褪色时间的3位值，以及bbb为蓝光强度的3位值。
·ttt(褪色时间)值是不按比例如下预先设定的：
000-0秒(不褪色，立即改变)
001-200毫秒(非常非常快速地褪色)
010-500毫秒(非常快速地褪色)
011-800毫秒(快速地褪色)
100-1秒(正常褪色)
101-2秒(缓慢地褪色)
110-3秒(非常缓慢地褪色)
111-4秒(非常非常缓慢地褪色)
“设定伺服状态”命令指令所指示的数字伺服模块基于由中央控制器传送的显式值修订其内部状态条件。
“确认”命令请求快速认可应答。当不需要其它命令时，这可用于在中央控制器和数字模块之间实施周期性的心跳协议。
在一些实施方式中，由于来自数字伺服模块100的大多数应答将是伺服位置数据，应答数据包字614的地址范围可被分段，以便该范围的一部分被保留用于显式返回编码以及地址范围的大多数用于有关伺服位置的隐式反馈数据。例如，在一个实施方式中，0xEF-0×00被保留用于伺服位置数据；0xFF指示伺服失速，而0xFA是数字伺服模块处于LIM模式的验证码。
4.0控制和编程
所述机器人系统意旨用作玩具和/或用于教育市场，其中用户可能没有太多或者任何先前编程的经验。该系统使得这些人能够容易地控制从机器人套件构建的任何机器人人物。
4.1语音识别
机器人套件包将通常被传送给消费者，并且具有来自套件制造商的用于构建特定机器人人物的详细指令，或者这样的详细指令可通过制造商的网站获得。从这样的指令构建的机器人人物在本文中称为“预定的构造”。例如，图1中所示的机器人20是一种预定的构造。中央控制器400可设有语音识别软件，其将使得用户能够基于将触发某些动作的预定语音命令来控制一个或多个预定构造。在一个实施方式中，中央控制器400可经由手动致动开关422设置在语音识别模式下。在该状态下，中央控制器400听取语音命令并响应于所识别的语音命令。例如，下面的语音命令在图1的预定构造中触发相关联的结果动作：
“前进”-中央控制器给两个轮模块300A、300B供电以便使得机器人20向前运动
“后退”-中央控制器给两个轮模块300A、300B供电以便使得机器人20向后运动
“向左转动”-中央控制器给轮模块300B供电预定的时间以便使得机器人20向左运动
“向右转动”-中央控制器给轮模块300A供电预定的时间以便使得机器人20向右运动
“转身”-中央控制器给轮模块300A、300B供电以便向前和向后运动预定的时间从而使得机器人20转身
“跳舞”-中央控制器致动各个枢转致动器10，控制数字LED模块200以预定的照明图案照亮眼睛结构78，并通过扬声器414根据预定序列播放预先录制的语音/声音轨迹以便模仿舞蹈例行程序
“功夫”-中央控制器致动各个枢转致动器10，控制数字LED模块200以预定的照明图案照亮眼睛结构78，并通过扬声器414根据预定序列播放预先录制的语音/声音轨迹以便模仿功夫例行程序
“列出命令”-中央控制器通过扬声器414播放预先录制的语音/声音轨迹来列出预先指定的语音命令。
4.2LIM模式
中央控制器和数字模块可以学习或LIM模式(“学习的智能运动”)设置，其中，用户可手动移动机器人人物的骨架结构，并且中央控制器记录所有连接的数字伺服模块、数字LED模块、以及数字轮模块(如果有的话)的轨迹，以及同时记录在LIM模式下存在的任何音频。(更具体地，数字伺服模块轨迹是伺服位置的时间序列；数字LED模块轨迹是照明图案(多个)的时间序列；以及数字轮模块轨迹是轮位置或速度的时间序列)。然后这些轨迹和音频可被重播。例如，图1中所示的机器人20可被设置在LIM模式下并使其向前滚动，同时挥动其一只胳膊。在此期间，用户可以发声的方式讲出表达，诸如“欢迎回家，我想念你”。一旦终止LIM模式，中央控制器400可随后回放运动轨迹和音频。(除非上下文指示，否则这种轨迹的集合(具有或不具有伴随的音频)都被称为“动画”。)如果需要的话，则回放音频可利用预先指定的失真以便复制用于机器人人物的独特语音来合成。
中央控制器400连接到各种开关422，如上所述。在一个实施方式中，开关422可被标记为“记录”和“播放”。在该实施方式中，中央控制器400配置成在记录按钮致动时开始记录轨迹和音频，并在随后致动记录按钮时停止记录。另外地或备选地，中央控制器可利用语音识别命令。例如，记录开关可被致动，但记录开始和停止通过语音命令来控制，诸如“开始记录”和“停止记录”。如本领域内已知的那样可提供各种其它输入装置以便将机器人系统置于LIM模式下。
一旦接合到LIM模式下，中央控制器将所有数字伺服模块的状态设置成LIM模式(例如，使用“设置伺服状态”命令)。在LIM模式下，每个数字伺服模块被编程以便将其相关联LED的颜色设置到预定的颜色，并且定期地记录其伺服马达的位置。位置数据被周期性地传送到中央控制器，这样，如果相关联的关节已经被手动地移动，则相应伺服马达的轨迹(随时间推移的伺服位置)被报告给中央控制器。以这种方式，中央控制器构造机器人人物的所有位置控制关节的协调轨迹(随时间推移的伺服位置)。该数据以基本上实时的方式捕获并且用所记录的音频覆盖以便将轨迹和音频相关联。
在一些实施方式中，中央控制器400还可以同时地记录数字轮模块300'中的直流马达302的速度。该信息由中央控制器处理以产生与协调的数字伺服模块轨迹和音频时间轴相关联的轮模块轨迹。
在回放时，中央控制器400根据所记录的时间轴重放所记录的数字伺服和轮模块轨迹以及音频。
在前述实施例中，每个数字伺服模块将位置数据周期性地发送到中央控制器，中央控制器记录数字伺服模块的轨迹。然而，本领域内的那些技术人员将理解的是，在替代性的实施例中，每个数字伺服模块可记录其自身的轨迹，并且或者将整个所记录的轨迹上传到中央控制器用于随后回放或在接收到特定的回放命令时播放轨迹。然而，在该替代性的实施例中，每个数字伺服模块将需要内部定时器或同步至外部时钟。
在一些实施方式中，在LIM模式期间由中央控制器记录的轨迹和音频轨迹可作为动画文件被保存在闪存418内，并给予用户定义的身份以供将来访问和使用。如将在以下更详细论述的那样，这些动画文件可被调用以便将一系列的动画串起来。
但是应当理解的是，LIM模式编程也可应用到未预先构造的机器人人物中，使得对于编程经验有限的那些人而言容易根据他们自身的想象来使机器人构造进行运动。LIM模式尤为灵活，以便允许没有经验的用户能够迅速和容易地重新配置机器人人物，并具有新的配置，所述新的配置只要一重新配置就准备好且有利地与用户交互。
4.3跟随模式
在预定的构造中，机器人系统可置于“跟随模式”下，这使得用户能够抓握机器人人物的附肢，并使其跟随用户。例如，一个人可以握住图1中所示的人形机器人20的手23并开始行走。作为响应，所述机器人人物将跟随该人。
在跟随模式下，中央控制器将特定的数字伺服模块的状态设置成LIM模式(使用“设置伺服状态”命令)。受影响的数字伺服模块将伺服位置数据发送到中央控制器。因此，例如，如果机器人手23围绕中间位置向上和向右/向左移动，则这种位置数据就被传送到中央控制器。中央控制器处理该信息以导出方向矢量并控制模拟轮模块300A、300B沿方向矢量移动。
例如，在一个实施方式中，供应到模拟轮模块300A、300B的电流与机器人上臂24的高度和外侧角成比例。用于执行跟随模式的方法的实施方式在图11的算法700中进行描述。在第一逻辑流程700A的步骤702中，中央控制器400接收有关与枢转致动器10C相关联的当前伺服位置的反馈。在接下来的步骤704中，算法确定当前的伺服位置是否超过最小阈值。如果否，则该算法认为该用户还未督促机器人20跟随用户，并返回到步骤702。如果是，则在步骤706，中央控制器则将供应到模拟轮模块300A、300B的电流与预定的最小量加一定的量成比例，该一定的量等于：
其中pa是当前伺服位置，pmax是最大伺服位置，pt是阈值伺服位置，imax是可以供应到轮马达的最大电流，以及imin是移动机器人20所需的最小电流。在步骤706后，算法返回到步骤702。
在可替代的实施方式中，供应到模拟轮模块300A，300B的电流可以是预先确定的设定量。如果与枢转致动器10C相关联的伺服位置超过第一阈值角度，则电流被接通或者触发。如果伺服位置小于第二阈值角度，小于第一阈值角度，则电流可以被关掉，因此提供在致动角度上的些许迟滞。
在并行逻辑流程700B的步骤712中，中央控制器400接收有关与枢转致动器10B相关联的当前伺服位置的反馈。在接下来的步骤714中，算法确定当前伺服位置是否小于第一阈值。如果是，则该算法认为用户已经督促机器人20向左且跟随步骤716，其中电流延迟供应到模拟轮模块300B，与相对于指示左转的伺服位置范围的实际伺服位置成比例。如果不是，则在步骤718，所述算法确定当前伺服位置是否大于第二阈值。如果是，则算法认为用户已经督促机器人20向右且跟随步骤720，其中电流延迟供应到模拟轮模块300A，与相对于指示右转的伺服位置范围的当前伺服位置成比例。如果不是，则算法返回步骤712。算法也在步骤716或720之后返回到步骤712。
跟随模式给非常没有经验的用户(诸如幼儿)提供与机器人人物互动的直观方式。
4.4应用程序处理器
在一些实施方式中，机器人系统可与诸如计算机、平板电脑或智能手机的应用程序处理器通信，所述处理器执行应用程序，所述应用程序可用于控制由系统套件构建的任何机器人人物。应用程序处理器可通过有线连接(诸如通过USB端口406)或通过无线连接(诸如标准蓝牙(R)连接)与中央控制器400进行通信。在一些实施方式中，诸如图1中所示，构造块之一可以是槽26，其尺寸定制成保持智能手机(未示出)。这允许智能手机方便地束缚到机器人人物，特别是在此处智能手机有线连接到机器人人物。
4.4.1运动捕获
在一些实施方式中，应用程序处理器可包括运动捕获应用程序，其经由附连的摄像机(例如，智能手机摄像机)记录一个人的手臂运动并处理所捕获的视频图像，以获得臂运动轨迹。该轨迹然后被转换成伺服位置命令，以使预定构造的运动模仿所捕获视频的运动。
运动捕获应用程序的一个实例参照图13A-13E中所示的用户界面屏幕730A-730E进行描述。如图13A中可见，当运动捕获应用程序启用时，在屏幕730A中指示用户将他或她的身体与身体模板图形732对准。如图13B的屏幕730B中可见，一旦用户已经将他或她的身体与模板图形732对准，则运动捕获应用程序通知用户，例如，通过文本消息734。接着，如图13C的屏幕730中可见，运动捕获应用程序请求用户给应用程序发出信号，以便开始跟踪和记录用户的运动，例如，通过请求用户发出特定的诸如由文本736所识别的语音命令。运动捕获应用程序还显示伺服轨迹时间轴740和音频时间轴742。运动捕获应用程序处理所捕获的用户图像以便开发对应于预定构造的用户的虚拟骨架模型744(包括骨骼节段746)，使得用户身体结构的各个节段与预定构造的一个或多个关节连接的骨架结构的虚拟表示相关连。例如，如图13D的屏幕730D中所示，在一些实施方式中，可跟踪用户的手臂和头部运动，以产生用于图1中所示的机器人人物20的前臂22、上臂24和头部28的轨迹。运动捕获应用程序处理虚拟骨架轨迹，以产生在时间轴740上显示的伺服轨迹750(在时间轴740中的每一条线代表一个单独的伺服轨迹)，并记录在时间轴742上显示的同时进行的音频记录752。用户指令运动捕获应用程序停止记录，例如，通过特定的诸如由文本754识别的语音命令。此后，如图13E的屏幕730E中所示，用户可使用图标756来保存动画文件，随后动画文件可由用户通过应用程序处理器检索并播放。在回放时，应用处理器利用系统数字命令集发出命令到数字伺服模块100以便复制伺服轨迹，并且中央控制器400传送命令到数字伺服模块。音频记录可通过应用处理器回放或传送到中央控制器以便通过其扬声器同时回放。
运动捕获应用程序优选也可以实时模式使用，其中当人的手臂运动被捕获并处理时，轨迹可由机器人人物基本上实时地播放。
运动捕获功能提供用于编程预定构造的简单而直观的方法，特别是对于较年幼的孩子或编程经验有限的那些人而言。
4.4.2虚拟远程控制
在一些实施方式中，应用程序处理器可执行虚拟远程应用程序，该虚拟远程应用程序使得用户能够通过操纵预定构造的虚拟表示来控制预定的构造。这可用于对预定的构造进行即时或直接的控制，或用作对于编程经验有限的那些人而言用于创建动画的一种手段。
4.4.2.1直接控制
直接控制应用程序的一个实例参照图14的用户界面屏幕760论述。直接的控制应用程序示出预定构造的虚拟表示762，该预定构造诸如图中的机器人20以及各种游标764A-764C，这使得用户能够虚拟操纵虚拟表示762的臂766、768和头部770。模拟的运动由直接控制应用程序处理，以产生通过中央控制器中继的基本上同时的命令，以便以其基本上立即复制臂766、768和/或头部770运动的方式定位数字伺服模块100。图标772使得显示旋转，以便允许用户更容易地在模拟的三维空间中视觉看到和操纵虚拟表示762。图标774控制模拟轮模块300。更具体地，当用户触摸这些图标774之一时，直接控制应用程序指令中央控制器400使得相应的模拟轮模块在激活的图标方向上移动。直接控制应用程序还通过允许用户进行下述操作来控制任何数字伺服模块或数字LED模块的LED模式，即允许用户首先触摸相应的虚拟伺服770或眼睛结构780，然后激活图标776，该图标将呈现出颜色轮，所述颜色轮将使得用户能够设置LED的颜色和/或闪光模式。直接控制应用程序指令中央控制器400来控制相应的数字伺服模块LED 100-D1或数字LED模块LED 200-D1以便复制模拟。
4.4.2.2动画生成器
动画生成器应用程序的一个实例参照图15的用户界面屏幕800进行论述。用户界面类似于图14中所示的用户界面，但是添加了伺服轨迹时间轴740和音频时间轴742，其分别与“记录”图标802和“播放”图标804相关联，以使当用户经由游标764A-764C操纵虚拟表示762时，使得用户能够分别记录和回放虚拟手臂766、768和头部770的轨迹以及记录任何可能存在的音频。任何数字伺服模块或数字LED模块的LED也可如前所述记录。生成的动画文件可被保存，或另一种这样的文件可被下载，分别由“保存”和“下载”图标806和808所指示的那样。动画也可由用户通过将时间轴游标810移动到时间轴上的任何点来编辑，其中虚拟表示762的可移动骨架元件在对应于沿着时间指示器812的伺服位置的位置下显示。此时，用户可覆盖(override)动画的一部分，例如，通过移动臂766，从而产生用于相应伺服的新轨迹。这使得用户能够组合单独记录的轨迹。备选地，用户可通过擦除时间轴游标810(即，使得时间轴游标810迅速来回往复)、释放空间来记录动画的新部分来删除动画的一部分。在时间轴被分割时虚拟表示762未以完全相同的方式定位的情况下，动画生成器应用程序供应插入(intervening)伺服轨迹以便在终止和开始位置之间平稳地移动。
当动画生成器应用程序播放动画文件时，应用程序使虚拟表示762运动，并将对应的伺服位置和其它控制命令传送到中央控制器，其相应地控制所述预定的构造。
4.4.2.3可重新配置的人形
如前所述，用户可重新配置预定的构造。例如，在图3中所示的机器人人物20'由图1中所示的预定构造构建。在一些实施方式中，应用程序处理器可包括形象生成器应用程序，其使得用户能够设计重新配置的机器人的虚拟表示，其中用户设计的虚拟表示可用于直接控制或生成动画文件来控制重新配置的机器人。
重新配置的机器人的用户设计的虚拟表示可通过各种设计应用程序进行配置。
在一个实施方式中，用户可以通过使用诸如图16中所示的“简笔画(stick)”设计应用程序900来设计重新配置的机器人的虚拟表示。该应用程序900提供多个图标，该图标允许用户在三维空间内绘制重新配置的机器人的物理布局的简笔画表示。图标902控制显示屏幕的空间取向。(请注意，图16如图所示只示出在一个平面上的显示屏幕。)图标904A、904B、904C表示静态主体元件，诸如线、正方形和圆形，其可如绘图软件领域内公知的那样定制尺寸和连接到一起，以使得用户能够以与重新配置的机器人成比例并表示该重新配置的机器人的方式创建简笔画绘图。例如，图16中所示的简笔画绘图910模拟图3中所示的机器人人物20'的基本骨架结构。图标904D、904E表示数字和/或模拟模块，诸如数字伺服模块100和数字LED模块200。该应用程序900使得用户能够在简笔画绘图910中对模块进行物理定位和取向。例如，数字伺服模块100具有运动的操作范围，因此必须相对于主体元件取向。
在另一实施方式中，常规的CAD应用程序(未示出)可用于允许用户实质上由单个元件构造块的三维表示来虚拟构建重新配置的机器人。该实施方式可提供重新配置的机器人的综合表示，但可能会需要更多的时间投入来创建虚拟表示。
在另一实施方式中，用户可获得重新配置的机器人的一幅或多幅图片，并且具有识别骨骼结构的图像处理应用程序(未示出)。用户可通过将图片的部分进行分段来辅助图像处理应用程序。图像处理应用程序还可以识别电子模块并在该过程中由用户协助。
然而在实施之后，形象生成器应用程序还必须将重新配置的机器人的用户设计的虚拟表示与电子模块的电气配置相关联。例如，图17示出在图3中所示的重新配置的机器人人物20'中电子模块100、200、300如何可互连到中央控制器400。如前所述，发现过程使得中央控制器400能够动态地识别每个单独的数字模块，例如，10A、10B、10C，等等。为了将每个电子模块与用户设计的虚拟表示相关联，形象生成器应用程序可执行一个过程，在该过程中其给用户指示每个电子模块，例如通过照亮相关联的LED或简单地致动伺服马达或直流马达，允许用户在用户设计的虚拟表示中选择对应的模块，从而将电气结构映射到物理结构。例如，图18示出了相关过程的结果，其中图17中所示的单个电子模块10A、10B、10C等已被映射到简笔画绘图910中的相应物理位置。从而映射过程使得动画生成器应用程序能够控制适当的电子模块，以便在重新配置的机器人中实现用户设计的虚拟表示的虚拟操作或设置(诸如简笔画绘图910)。
本发明的原理并不限于如参照所附图示论述的具体实例。还可具有其它实施例或实践其它实施方式，它们采用本发明的原理，并且落入如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内。

Claims (8)

1.一种可重新配置的机器人系统，该系统包括：
多个数字伺服模块，其中所述多个数字伺服模块中的每个包括伺服马达，所述伺服马达包括伺服位置传感器；以及
多个元件构造块，其中所述多个元件构造块与所述多个数字伺服模块连接以便构建具有位置控制关节的机器人人物，其中所述多个元件构造块可与所述多个数字伺服模块组合来构建不同配置的机器人人物；
中央控制器，所述中央控制器具有至少一个通信信道，所述至少一个通信信道包括提供电源、接地和数据信号的输出端口；
其中所述多个数字伺服模块中的每个包括输入端口和输出端口，数字伺服模块输入端口具有电源、接地和数据信号的插头，数字伺服模块输出端口具有电源、接地和数据信号插头，数字伺服模块输入数据信号插头与数字伺服模块输出数据信号插头电隔离；
其中所述多个数字伺服模块中的给定的数字伺服模块的输入端口连接到中央控制器的输出端口，而所述多个数字伺服模块中的其余的数字伺服模块按一定的顺序相互连接，使得所述其余的数字伺服模块中的每个的输入端口顺序连接到下一个相邻的数字伺服模块的输出端口，当存在下一个相邻的数字伺服模块时；以及
其中中央控制器和所述多个数字伺服模块被编程以执行其中中央控制器发现所述多个数字伺服模块的通信协议，并且其中所述多个数字伺服模块配置成在发现之前以串行方式沿着信道传送数据并且配置成在发现之后以准并行方式沿着信道传送数据；
其中，在串行配置中，所述给定的数字伺服模块将接收和处理由中央控制器传送的数据包，而不将数据包向下游发送到下一个相邻的数字伺服模块，当存在下一个相邻的数字伺服模块时；
其中，在准并行配置中，所述给定的数字伺服模块以跟随通过模式设置其数据信号I/O端口，使得在接收到对应于所述中央控制器的数据包的数据流时，所述给定的数字伺服模块将数据流向下游发送到下一个相邻的数字伺服模块，当存在下一个相邻的数字伺服模块时。
2.根据权利要求1所述的可重新配置的机器人系统，其特征在于数据包被细分成多个有序子信道，所述多个有序子信道中的每个或所述多个有序子信道为分别定位的所述多个数字伺服模块之一提供数据流。
3.根据权利要求2所述的可重新配置的机器人系统，其特征在于数据包包括模块反馈识别，并且响应接收到的数据包仅所识别的数字伺服模块将应答包发送回到中央控制器。
4.根据权利要求1所述的可重新配置的机器人系统，其包括：
至少一个数字LED模块，其包括发光二极管；
其中所述至少一个数字LED模块包括输入端口和输出端口，数字LED模块输入端口具有电源、接地和数据信号插头，数字LED模块输出端口具有电源、接地和数据信号插头，数字LED模块输入数据信号插头与数字LED模块输出数据信号插头电隔离，使得数字LED模块输入数据信号插头与数字LED模块输出数据信号插头不对彼此短路；
其中所述至少一个数字LED模块可按一定的顺序与所述多个数字伺服模块连接；以及
其中中央控制器、所述多个数字伺服模块和所述至少一个数字LED模块可被编程以实现所述通信协议，在所述通信协议中所述多个数字伺服模块和所述至少一个数字LED模块在发现之前以串行方式配置并且在发现之后以准并行方式配置。
5.根据权利要求1所述的可重新配置的机器人系统，其特征在于所述多个数字伺服模块中的每个可经由数字伺服模块输出端口连接到标准的伺服单元，并且其中所述多个数字伺服模块中的每个配置成在输出端口信号线上输出常规伺服PCM信号以便控制所连接的标准伺服单元。
6.根据权利要求1所述的可重新配置的机器人系统，其特征在于机器人人物的位置控制关节可被手动操纵，以及所述中央控制器可操作地将所述多个数字伺服模块中的每个设置在学习运动模式下，其中：
所述多个数字伺服模块中的每个将伺服位置周期性地传送到中央控制器；以及
中央控制器记录用于所述多个数字伺服模块中的每个的轨迹。
7.根据权利要求1所述的可重新配置的机器人系统，其包括：
模拟轮模块，其包括直流马达；
其中所述中央控制器包括至少一个直流马达驱动电路，所述直流马达驱动电路可连接到所述轮模块以便驱动其直流马达。
8.根据权利要求6所述的可重新配置的机器人系统，其包括数字轮模块，所述数字轮模块具有直流马达和用于感测直流马达的运动的运动传感器，并且其中：
在学习运动模式下，中央控制器记录轮模块直流马达的轨迹，所述轮模块直流马达与所记录的所述多个数字伺服模块中的每个的轨迹相关连；以及
中央控制器控制数字轮模块，以便与重放所记录的所述多个数字伺服模块中的每个的轨迹协调来重放轮模块直流马达轨迹。
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