CN220752552U - 自主机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种自主机器人，且自主机器人包括本体、多个影像撷取设备、现场可编程门阵列及驱动模块。本体包括用以移动的移动设备，且多个影像撷取设备配置于本体。影像撷取设备分别撷取本体周遭的多个影像，以分别提供多个影像信号。现场可编程门阵列耦接影像撷取设备，且基于影像信号规划导航路径，以基于导航路径提供第一控制信号。驱动模块接收第一控制信号，以基于第一控制信号驱动移动设备。

Description

自主机器人

技术领域

本实用新型涉及一种自主机器人，尤指一种具有多影像输入的自主机器人。

背景技术

由于现今的社会中，重复性高的或低技术门坎的工作逐渐被自主机器人取代。因此，越来越多针对自主机器人的研究及应用，尤其是在自主机器人的控制架构上，更是现今自主机器人的研究重点。举例而言，如图1A所示为现有的自主机器人使用x86平台的控制方块的电路方块图。以使用行动产业处理器接口MIPI的影像撷取设备2在x86平台300当作例子，x86平台300本身支持行动产业处理器接口MIPI的数量较少或甚至没有，常需要额外的芯片来将行动产业处理器接口MIPI接口转换成x86平台300或自主机器人100能接收的接口(例如PCIe的接口)。然后，再通过控制芯片302来对PCIe接口的信号进行处理。因此，需要耗费许多时间与人力成本来做接口转换外，还需要使用额外的控制芯片302来进行处里。另一方面，要完成自主机器人100视觉导航与避障的功能，是需要通过AI功能来辅助达成的，x86平台300目前的做法都是需要增加额外的人工智能引擎32来达成。因此，造成无法降低自主机器人建构成本，且缩小自主机器人的电路体积的状况。

另外一方面，如图1B所示为现有的自主机器人使用原始架构的控制方块的电路方块图。一般自主机器人100的原始架构400，通常网络输入/输出端口会较多，且不含人工智能引擎32的功能。但是，在多影像撷取设备2的需求下，网络输入/输出端口仍有机会不够。所以，需借由外部的现场可编程门阵列3，先将多个影像撷取设备2的数据接收进来，并通过现场可编程门阵列3的人工智能引擎32来完成AI功能。然后，再通过控制芯片402来对网络输入/输出端口的信号进行处理。由于自主机器人100的算力不一定能满足AI功能的需求，可编程门阵列3需要再将AI推论的结果送到控制芯片402处理。因此，此架构不但需要使用额外的控制芯片402来进行处里，造成自主机器人100成本增加外，还需要额外的时间与人力来开发现场可编程门阵列3的功能。因此，同样无法降低自主机器人建构成本，且缩小自主机器人的电路体积。

由于目前自主机器人100主要是以x86平台300或自主机器人100的原始架构400为主，且通常搭配激光探测与测距来完成自主机器人100的导航与避障。但是，随着计算器视觉快速的发展，利用视觉取代激光探测与测距来完成导航与避障的功能是有需求的。由于视觉衍生出来的场景应用也会越来越多，故自主机器人100上面需要搭配的影像撷取设备2数量也会越来越多。

所以，如何设计出一种具有多影像输入的自主机器人，以降低自主机器人建构成本，缩小自主机器人的电路体积，乃为本实用新型所欲行研究的一大课题。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提供一种具有多影像输入的自主机器人，以克服现有技术的问题。因此，本实用新型的自主机器人包括本体、多个影像撷取设备、现场可编程门阵列及驱动模块。本体包括用以移动的移动设备。影像撷取设备配置于本体，且影像撷取设备分别撷取本体周遭的多个影像，以分别提供多个影像信号。现场可编程门阵列耦接影像撷取设备，且基于影像信号规划导航路径，以基于导航路径提供第一控制信号。驱动模块接收第一控制信号，以基于第一控制信号驱动移动设备。

于一实施例中，自主机器人更包括多个感测器。感测器配置于本体，且用以侦测本体碰撞或接近异物而提供第二控制信号。其中，现场可编程门阵列基于第二控制信号调整第一控制信号，以通过调整导航路径而控制本体远离异物。

于一实施例中，感测器通过RS485接口耦接现场可编程门阵列。

于一实施例中，自主机器人更包括输入/输出设备，输入/输出设备耦接现场可编程门阵列。其中，现场可编程门阵列包括用以操控自主机器人运作的运作参数，且现场可编程门阵列用以通过与输入/输出设备相互传输传输信号，以基于传输信号调整运作参数，且将运作参数显示于输入/输出设备。

于一实施例中，输入/输出设备与现场可编程门阵列通过无线传输的方式传输传输信号。

于一实施例中，自主机器人更包括传输设备，且传输设备耦接控制设备与现场可编程门阵列。其中，现场可编程门阵列包括用以操控自主机器人运作的运作参数，且现场可编程门阵列用以通过传输设备来与控制设备相互传输传输信号，以基于传输信号调整运作参数，且将运作参数通过传输设备提供至控制设备。

于一实施例中，传输设备为Wi-Fi设备。

于一实施例中，自主机器人更包括电池控制模块，且电池控制模块耦接电池与现场可编程门阵列。其中，现场可编程门阵列基于电池的电池电量规划对电池充放电的充放电排程，且基于充放电排程调整第一控制信号，以调整导航路径。

于一实施例中，电池控制模块通过RS485接口耦接现场可编程门阵列。

于一实施例中，影像撷取设备分别通过多个行动产业处理器接口耦接现场可编程门阵列。

本实用新型的主要目的及功效在于，由于本实用新型利用视觉来完成自主机器人导航与避障，且仅使用现场可编程门阵列作为导航路径的规划及控制。因此，相较于x86平台或自主机器人的原始架构，本实用新型的自主机器人无需搭配激光探测与测距，也无须额外使用控制芯片。因此可以达成降低自主机器人建构成本，缩小自主机器人的电路体积，且元件的配置具备较好的弹性的功效。

为了能更进一步了解本实用新型为达成预定目的所采取的技术、手段及功效，请参阅以下有关本实用新型的详细说明与附图，相信本实用新型的目的、特征与特点，当可由此得一深入且具体的了解，然而所附图式仅提供参考与说明用，并非用来对本实用新型加以限制。

附图说明

图1A为现有的自主机器人使用x86平台的控制方块的电路方块图；

图1B为现有的自主机器人使用原始架构的控制方块的电路方块图；

图2A为本实用新型具有多影像输入的自主机器人的控制方块的电路方块图；

图2B为本实用新型具有多影像输入的自主机器人的输入/输出方块的电路方块图；

图3A为本实用新型具有多影像输入的自主机器人的结构外观示意图；及

图3B为本实用新型具有多影像输入的自主机器人的影像撷取设备示意图。

其中，附图标记：

300…x86平台

400…原始架构

302、402…控制芯片

100…自主机器人

1…本体

12…移动设备

122…轮子

2…影像撷取设备

3…现场可编程门阵列

32…人工智能引擎

34…实时控制器

MIPI…行动产业处理器接口

CAN_Bus…控制器局域网络

DI/DO…数字信号输入/输出端口

SATA…资料存取端口

4…驱动模块

62…感测器

64…电池

66…电池控制模块

82…输入/输出设备

84…传输设备

200…控制设备

I…影像

Si…影像信号

Sc1…第一控制信号

Sc2…第二控制信号

St…传输信号

Vb…电池电量

具体实施方式

兹有关本实用新型的技术内容及详细说明，配合图式说明如下：

请参阅图2A为本实用新型具有多影像输入的自主机器人的控制方块的电路方块图。自主机器人100(Autonomous Mobile Robot；ARM)包括本体1、多个影像撷取设备2、现场可编程门阵列3(Field Programmable Gate Array；FPGA)及驱动模块4，且本体1包括用以供自主机器人100自主移动的移动设备12。移动设备12视自主机器人100所适用的环境而定，且以平面路地的环境为例，移动设备12例如但不限于可以为轮子。影像撷取设备2配置于本体1，且影像撷取设备2分别撷取本体1周遭的多个影像I，以基于影像I分别提供多个影像信号Si。其中，影像撷取设备2例如但不限于可以为相机、摄影机等可以拍摄、录制影像I的设备，且影像撷取设备2可以分别通过多个行动产业处理器接口MIPI(Mobile IndustryProcessor Interface)提供影像信号Si。

现场可编程门阵列3耦接行动产业处理器接口MIPI，以通过行动产业处理器接口MIPI耦接影像撷取设备2而接收由行动产业处理器接口MIPI所提供的影像信号Si。现场可编程门阵列3包括人工智能引擎32(AI Engine)与实时控制器34(Real Time Controller)，且影像信号Si通过人工智能引擎32的处理及计算，规划自主机器人100的导航路径。实时控制器34基于导航路径而产生第一控制信号Sc1，以提供相应于导航路径的第一控制信号Sc1至驱动模块4。驱动模块4接收第一控制信号Sc1，以基于第一控制信号Sc1驱动移动设备12。移动设备12以轮子为例，驱动模块4可以为马达及马达驱动电路(包含马达控制器)。马达驱动电路通过第一控制信号Sc1调整马达的转速(及/或转向)，以通过调整马达的转速(及/或转向)而控制自主机器人100随着预先规划的导航路径来移动。

其中，现场可编程门阵列3可通过例如但不限于，控制器局域网络CAN_Bus(Controller Area Network Bus)耦接驱动模块4。由于CAN_Bus拥有了良好的弹性调整能力，可以在现有网络中增加节点而不用在软、硬件上做出调整，且讯息的传递不基于特殊种类的节点，增加了升级网络的便利性。因此，使用控制器局域网络CAN_Bus做为二者的耦接为较佳的实施方式。

复参阅图2A，自主机器人100更包括多个感测器62、电池64及电池控制模块66。感测器62配置于本体1，且耦接现场可编程门阵列3。感测器62用以侦测本体1碰撞或接近异物而提供第二控制信号Sc2，且感测器62可以为压力感测器、距离感测器等感测元件，主要是用以感测本体1是否接近或碰撞异物。其中，感测器62可通过，例如但不限于RS485接口来耦接现场可编程门阵列3，使现场可编程门阵列3的实时控制器34接收由感测器62所提供的第二控制信号Sc2来得知本体1是否接近或碰撞异物。然后，现场可编程门阵列3通过第二控制信号Sc2得知本体1接近或碰撞异物时，通过实时控制器34调整第一控制信号Sc1来调整该导航路径，以通过调整该导航路径而控制本体1远离异物。值得一提，于一实施例中，感测器62与现场可编程门阵列3二者的耦接并不限定仅能通过RS485。其可依照实际需求选择RS232、RS422、RS485等接口来耦接。

电池64具有电池电量Vb，且用以提供自主机器人100运作所需的工作电源(即自主机器人100运作所需的电力都可由电池64提供)。电池控制模块66耦接电池64与现场可编程门阵列3。其中，电池控制模块66也可通过，例如但不限于RS485接口来耦接现场可编程门阵列3为较佳的实施方式，但同样可依照实际需求选择RS232、RS422、RS485等接口来耦接。现场可编程门阵列3可基于电池64的电池电量Vb规划对电池64充放电的充放电排程。充放电排程例如但不限于，电池64的充放电频率、电池电量Vb的电量上下限、完成导航路径的预计时间等，主要是为了避免电池64过度充放电而缩短电池64使用年限，或自主机器人100因为电池64的电池电量Vb不足而无法运作。因此，现场可编程门阵列3可基于充放电排程调整第一控制信号Sc1，以调整导航路径而避免自主机器人100发生过度充放电，或电池电量Vb不足等状况。

进一步而言，现场可编程门阵列3具有易扩充的优点来支持多影像撷取设备2的输入。具体而言，现在主流的自主机器人100多为x86平台或自主机器人100的原始架构，利用影像撷取设备2所撷取的影像I取代雷射探测与测距(Light Detection And Ranging；LiDAR)来完成自主机器人100的导航与避障的优点为有效的降低系统的成本，因为激光探测与测距的成本远远高于影像撷取设备2，且影像撷取设备2的体积较小，另一方面，对于物体的识别与环境的认知，都可以利用影像撷取设备2的技术来完成，因此自主机器人100上面搭配影像撷取设备2的数目随之增加。现场可编程门阵列3可以在硬件通道保留下，只要在逻辑数目足够下，可易扩充的增加影像撷取设备2需要的接口，如：以太(Ethernet)或行动产业处理器接口MIPI，相较于x86平台或自主机器人100的原始架构，有较好的弹性。

此外，现场可编程门阵列3由于可有效的整合影像撷取设备2、人工智能引擎32及实时控制器34，因此可降低自主机器人100的成本与功耗。具体而言，x86平台与自主机器人100的原始架构常因为支持影像撷取设备2接口的不足，需要额外的芯片来转换。以x86平台为例，x86平台通常USB接口的数量较多，但远程通信与行动产业处理器接口MIPI很少，甚至没有。因此，x86平台与自主机器人100的原始架构若需将行动产业处理器接口MIPI接口转换成x86平台或自主机器人100的原始架构可以接收的接口，一般需要通过PCIe的接口。而且，若需要完成AI相关的应用(例如自主机器人100的原始架构视觉导航与避障的功能)，皆需要AI功能来辅助完成，故系统均需要增加额外的人工智能引擎32。在驱动模块4的控制方面，x86平台需要一个额外的实时控制器34来完成驱动模块4的控制。然而，本实用新型的现场可编程门阵列3由于可内含人工智能引擎32及实时控制器34，故可以有效的降低自主机器人100成本与功耗。

请参阅图2B为本实用新型具有多影像输入的自主机器人的输入/输出方块的电路方块图，复配合参阅图2A。自主机器人100除了图2A的控制方块之外，更包括如图2B所示的输入/输出设备82与传输设备84等输入/输出方块。输入/输出设备82例如但不限于键盘、屏幕、触控面板等设备，且输入/输出设备82耦接现场可编程门阵列3。现场可编程门阵列3包括用以操控自主机器人100运作的运作参数，且运作参数例如但不限于，自主机器人100的移动速度、自主机器人100的定点停留时间与停留位置、影像撷取设备2与感测器62启用/关闭的数量等。现场可编程门阵列3用以通过与输入/输出设备82相互传输传输信号St，以使用户通过操作输入/输出设备82来相应的产生传输信号St，且通过传输信号St调整运作参数。现场可编程门阵列3也可基于使用者所设定的运作参数，或自主机器人100当前的运作参数而提供传输信号St至输入/输出设备82，以将运作参数显示于输入/输出设备82上。其中，输入/输出设备82可配置于本体1的一侧，且输入/输出设备82与现场可编程门阵列3可通过例如但不限于，无线传输的方式传输传输信号St，但这二者也不排除可使用有线耦接的方式传输传输信号St。

传输设备84例如但不限于Wi-Fi等设备，且控制设备200例如但不限于可以为计算机、手机、平板等设备。传输设备84耦接控制设备200与现场可编程门阵列3，且现场可编程门阵列3用以通过传输设备84来与控制设备200相互传输传输信号St，使控制设备200可通过传输信号St调整运作参数。现场可编程门阵列3也可基于使用者所设定的运作参数，或自主机器人100当前的运作参数而提供传输信号St至传输设备84，以将运作参数通过传输设备84提供至控制设备200。

除此之外，现场可编程门阵列3还可包括数字信号输入/输出端口DI/DO与数据存取端口SATA。数字信号输入/输出端口DI/DO用以将现场可编程门阵列3内部数据以数字信号的形式传输，且数据存取端口SATA用以将现场可编程门阵列3内部数据储存在硬盘或记忆体等存储空间。然不以上述所描述的端口为限，现场可编程门阵列3还可包括多个不同功能的端口，自主机器人100可依实际需求选择对应的端口来应用，在此不在加以赘述。

请参阅图3A为本实用新型具有多影像输入的自主机器人的结构外观示意图、图3B为本实用新型具有多影像输入的自主机器人的影像撷取设备示意图，复配合参阅图2A～2B。在图3A中，以自主机器人100应用于平面路地的环境做为示意，然不以此为限。自主机器人100于外观上，出示了本体1、移动设备12、多个影像撷取设备2、多个感测器62及输入/输出设备82，且移动设备12包括控制本体转向的转盘(图未示)及控制本体前后移动的轮子122。影像撷取设备2用以分别撷取本体1周遭的多个影像I，以规划自主机器人100移动的导航路径，并据以产生用以控制移动设备12的第一控制信号Sc1来控制转盘(图未示)及轮子122。

其中，影像撷取设备2可以如图3B所示配置。影像撷取设备2较佳的配置位置为环绕于本体1的外表面，且影像撷取设备2的数量主要是依据影像撷取设备2的视野而定。当影像撷取设备2的视野越小时，影像撷取设备2的数目越多则较佳，以避免出现较大的视野盲区而影响到现场可编程门阵列3的导航路径。感测器62用以感测自主机器人100是否碰撞或接近异物，且当本体1接近或碰撞异物时，调整第一控制信号Sc1来调整该导航路径，以通过调整该导航路径而控制本体1远离异物。输入/输出设备82可配置于本体1的顶面，且使用者通过操作输入/输出设备82来得知并可修改自主机器人100的运作参数。

因此，综上所述，本实用新型的自主机器人100仅使用现场可编程门阵列3的架构与x86平台、自主机器人100的原始架构的比较如下表1所示：

表1

惟，以上所述，仅为本实用新型较佳具体实施例的详细说明与图式，惟本实用新型的特征并不局限于此，并非用以限制本实用新型，本实用新型的所有范围应以下述的权利要求范围为准，凡合于本实用新型权利要求范围的精神与其类似变化的实施例，皆应包括于本实用新型的范畴中，任何熟悉该项技艺者在本实用新型的领域内，可轻易思及的变化或修饰皆可涵盖在以下本案的专利范围。

当然，本实用新型还可有其它多种实施例，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种自主机器人，其特征在于，包括：

一本体，包括能够移动的一移动设备；

多个影像撷取设备，配置于该本体，且所述影像撷取设备分别撷取该本体周遭的多个影像，以分别提供多个影像信号；

一现场可编程门阵列，耦接所述影像撷取设备，且基于所述影像信号规划一导航路径，以基于该导航路径提供一第一控制信号；及

一驱动模块，接收该第一控制信号，以基于该第一控制信号驱动该移动设备。

2.根据权利要求1所述的自主机器人，其特征在于，更包括：

多个感测器，配置于该本体，且能够侦测该本体碰撞一异物而提供一第二控制信号；

其中，该现场可编程门阵列基于该第二控制信号调整该第一控制信号，以通过调整该导航路径而控制该本体远离该异物。

3.根据权利要求2所述的自主机器人，其特征在于，所述感测器通过RS485接口耦接该现场可编程门阵列。

4.根据权利要求1所述的自主机器人，其特征在于，更包括：

一输入/输出设备，耦接该现场可编程门阵列；

其中，该现场可编程门阵列包括能够操控该自主机器人运作的一运作参数，且该现场可编程门阵列能够通过与该输入/输出设备相互传输一传输信号，以基于该传输信号调整该运作参数，且将该运作参数显示于该输入/输出设备。

5.根据权利要求4所述的自主机器人，其特征在于，该输入/输出设备与该现场可编程门阵列通过一无线传输的方式传输该传输信号。

6.根据权利要求1所述的自主机器人，其特征在于，更包括：

一传输设备，耦接一控制设备与该现场可编程门阵列；

其中，该现场可编程门阵列包括能够操控该自主机器人运作的一运作参数，且该现场可编程门阵列能够通过该传输设备来与该控制设备相互传输一传输信号，以基于该传输信号调整该运作参数，且将该运作参数通过该传输设备提供至该控制设备。

7.根据权利要求6所述的自主机器人，其特征在于，该传输设备为Wi-Fi设备。

8.根据权利要求1所述的自主机器人，其特征在于，更包括：

一电池控制模块，耦接一电池与该现场可编程门阵列；

其中，该现场可编程门阵列基于该电池的一电池电量规划对该电池充放电的一充放电排程，且基于该充放电排程调整该第一控制信号，以调整该导航路径。

9.根据权利要求8所述的自主机器人，其特征在于，该电池控制模块通过RS485接口耦接该现场可编程门阵列。

10.根据权利要求1所述的自主机器人，其特征在于，所述影像撷取设备分别通过多个行动产业处理器接口耦接该现场可编程门阵列。