TW201604060A - 自動爬樓梯機器人平台 - Google Patents

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羅仁權
蕭明
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國立臺灣大學
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Abstract

一種自動爬樓梯機器人平台，包括一個人電腦模組；一通用序列匯流排-控制器區域網路介面轉換模組；一馬達模組，包括複數馬達，藉由通用序列匯流排-控制器區域網路介面轉換模組控制馬達模組；一Kinect感應器模組，用以測量前方地形的點雲數據及影像資料，且將感測數據傳輸至個人電腦模組；一第一慣性測量單元模組，用以測量Kinect感應器模組的傾斜角，且將Kinect感應器模組的傾斜角數據傳輸至個人電腦模組；以及一第二慣性測量單元模組，用以測量自動爬樓梯機器人平台的傾斜角，且將自動爬樓梯機器人平台的傾斜角數據傳輸至個人電腦模組。

Description

自動爬樓梯機器人平台
本發明涉及一種機器人，尤指一種自動爬樓梯機器人平台。
現今，由於半導體製程及電子科技的進步，機器人的發展及需求變得十分快速，且已經擴大應用至生活的各種領域，如食、衣、住、行、育樂、醫療等領域。依據機器人的應用，機器人可以區分為工業用機器人、商業自動化機器人、家用機器人、醫療機器人、教育機器人及娛樂機器人。
一般而言，工業用機器人是指藉由機械本體、控制器、伺服驅動器及感測器所構成的一種仿人操作、自動化控制及能在三維空間中完成各種作業的機電整合之生產設備及儀器，並且，工業用機器人可以直接接受控制指令，亦可以執行預先編程的程序，或者根據人工智慧技術制定其運動方式。
再者，商業自動化機器人包括3D列印、營業自動化、自動販賣系統及餐飲點餐系統。家用機器人包括家庭自動化、智慧家電、智慧建築及導覽服務機器人。醫療與健康照護機器人包括輔具及復健機器人、穿戴式產品及智慧型按摩機器人。此外，教育機器人及娛樂機器人強調直覺式實體人機互動多元化。
然而，上述的機器人僅能在平坦的地面上移動，但無法在實體環境中自動地跨越空間障礙，因此，為了解決跨越空間障礙的問題，已有一些習知機器人被發展出來，其中，以人形機器人、輪型機器人及履帶型機器人較為常見。
但是，人形機器人與輪型機器人相比較具有高耗能及難以控制的缺點。此外，雖然輪腳型機器人及履帶型機器人較易於控制，但這兩種類型機器人均須緊貼平坦地面移動，否則不易於保持平衡移動及影響移動 的穩定性，所以，仍然無法解決跨越空間障礙(如攀爬樓梯)的問題。
因此，如何提出一種能讓使用者在操作機器人時，於實體空間環境中仍能保持平衡移動及具有低耗能的特點，同時兼顧安全性與穩定性、降低成本及簡易使用的特性，實為目前各界亟欲解決之技術問題。
鑒於上述習知技術之缺點，本發明之一主要目的為藉由輪型機器人具有低耗能的優點及人機互動的功能，提供使用者能以直立式機器人平台的方式，在平坦地面移動時，可以利用車輪進行移動，在攀爬樓梯時，可以直立的方式進行自動爬樓梯，且維持攀爬過程中的平衡移動及穩定性。
為達上述目的及其他目的，本發明提供一種自動爬樓梯機器人平台，包括：一個人電腦模組；一通用序列匯流排-控制器區域網路介面(USB-CAN interface)轉換模組；一馬達模組，包括複數馬達，藉由該通用序列匯流排-控制器區域網路介面轉換模組控制該馬達模組；一Kinect感應器模組，用以測量前方地形的點雲數據及影像資料，且將感測數據傳輸至該個人電腦模組；一第一慣性測量單元模組，用以測量該Kinect感應器模組的傾斜角，且將該Kinect感應器模組的傾斜角數據傳輸至該個人電腦模組；以及一第二慣性測量單元模組，用以測量該自動爬樓梯機器人平台的傾斜角，且將該自動爬樓梯機器人平台的傾斜角數據傳輸至該個人電腦模組。
此外，在控制及操作時，該自動爬樓梯機器人平台進一步包括一通用序列匯流排-輸入輸出介面(USB-I/O interface)轉換模組及一煞車模組，藉由將該通用序列匯流排-輸入輸出介面轉換模組控制該煞車模組。
此外，該自動爬樓梯機器人平台進一步包括一電源供應模組包括複數電池，該複數電池可進行充電，其中，該電源供應模組供應電源至該個人電腦模組、該馬達模組、該Kinect感應器模組、該第一慣性測量單元模組及該第二慣性測量單元模組。
在這種自動爬樓梯機器人平台中，進一步包括一本體，用以供使用者站立；一直立式結構，用以固定於該本體的前端，且包括一對把手 及一緊急按鈕，其中，該個人電腦模組、該通用序列匯流排-控制器區域網路介面轉換模組、該Kinect感應器模組、該第一慣性測量單元模組及該第二慣性測量單元模組均設置於該直立式結構上；複數車輪及二旋轉盤，其中，該二旋轉盤分別設置於該本體的兩側，且各旋轉盤包括該複數車輪之三者，該複數馬達之兩者用以驅動該本體兩側的複數車輪，且該複數馬達之另兩者用以驅動該本體兩側的二旋轉盤；以及一彈簧模組，用以連接該本體及該二旋轉盤。
此外，該個人電腦模組可為工業電腦(inductrial PC)、工業控制器(industrial controller)或嵌入式系統(embedded system)之一者。
基於此自動爬樓梯機器人平台，該個人電腦模組具有樓梯檢測(stair detection)運算功能、體感控制(somatosensory control)運算功能、傾斜角(body tile)運算功能及運動控制(locomotion decision)運算功能。
此外，該自動爬樓梯機器人平台自動地前後移動、左右轉彎移動及原地旋轉。
此外，該自動爬樓梯機器人平台藉由左右兩側的該複數車輪及該二旋轉盤上下樓梯。
相較於習知技術，本發明不但可以承載使用者，在平坦地面移動時，可利用車輪進行移動，然而，在攀爬樓梯時，可自動地感測樓梯地形，且能夠使使用者以直立的方式在攀爬過程中維持平衡及穩定性，因此，本發明具有安全性與靈活性、降低成本及簡易使用的優點。
10‧‧‧個人電腦模組
12‧‧‧樓梯檢測運算功能
14‧‧‧體感控制運算功能
16‧‧‧傾斜角運算功能
18‧‧‧運動控制運算功能
20‧‧‧通用序列匯流排-控制器區域網路介面轉換模組
30‧‧‧馬達模組
40‧‧‧Kinect感應器模組
50‧‧‧第一慣性測量單元模組
60‧‧‧第二慣性測量單元模組
70‧‧‧通用序列匯流排-輸入輸出介面轉換模組
80‧‧‧煞車模組
90‧‧‧電源供應模組
100‧‧‧緊急繼電器模組
110‧‧‧本體
120‧‧‧直立式結構
130‧‧‧把手
140‧‧‧複數車輪
150‧‧‧二旋轉盤
160‧‧‧車輪保護殼
170‧‧‧擋泥板
第1圖為說明依據本發明實施例之自動爬樓梯機器人平台的系統方塊圖；第2圖為說明依據本發明實施例之自動爬樓梯機器人平台的立體圖；第3a至3d圖為說明依據本發明實施例之自動爬樓梯機器人平台的重心之示意圖；以及第4a至4c圖為說明本發明實施例之自動爬樓梯機器人平台的攀爬類型 之示意圖。
以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點及功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實例加以施行或應用，本發明說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。
須知，本說明書所附圖式繪示之結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技藝之人士瞭解與閱讀，並非用以限定本發明可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本發明所能產生之功效及所能達成之目的下，均應落在本發明所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。
為了解決上述問題，如第1圖所示，本發明提供一種自動爬樓梯機器人平台，包括一個人電腦模組10；一通用序列匯流排-控制器區域網路介面(USB-CAN interface)轉換模組20；一馬達模組30，包括複數馬達，藉由通用序列匯流排-控制器區域網路介面轉換模組20控制馬達模組30；一Kinect感應器模組40，用以測量前方地形的點雲數據及影像資料，且將感測數據傳輸至個人電腦模組；一第一慣性測量單元模組50，用以測量Kinect感應器模組40的傾斜角，且將Kinect感應器模組40的傾斜角數據傳輸至個人電腦模組10；以及一第二慣性測量單元模組60，用以測量自動爬樓梯機器人平台的傾斜角，且將自動爬樓梯機器人平台的傾斜角數據傳輸至個人電腦模組10。
依據本發明的實施例，Kinect感應器模組40為一類似網路攝影機的裝置，包括三鏡頭，其中，左右兩側的鏡頭分別為紅外線發射器及紅外線攝影機所構成的3D結構光深度感應器，以及中間的鏡頭為RGB彩色攝影機。並且，Kinect感應器模組40亦搭配追焦功能，設置於內部的小馬達會隨著對焦物體的移動跟著轉動。
此外，在控制及操作自動爬樓梯機器人平台時，自動爬樓梯機 器人平台進一步包括一通用序列匯流排-輸入輸出介面(USB-I/O interface)轉換模組70及一煞車模組80，藉由將通用序列匯流排-輸入輸出介面轉換模組70控制煞車模組80。
再者，自動爬樓梯機器人平台進一步包括一電源供應模組90包括複數電池，複數電池可進行充電，其中，電源供應模組90供應電源至個人電腦模組10、馬達模組30、Kinect感應器模組40、第一慣性測量單元模組50及第二慣性測量單元模組60。
第2圖為說明依據本發明實施例之自動爬樓梯機器人平台的立體圖
如第1及2圖所示，在這種自動爬樓梯機器人平台中，進一步包括一本體110，用以供使用者站立；一直立式結構120，用以固定於本體110的前端，且包括一對把手130及一緊急按鈕(未顯示於圖式眾)，其中，個人電腦模組10、通用序列匯流排-控制器區域網路介面轉換模組20、Kinect感應器模組40、第一慣性測量單元模組50及第二慣性測量單元模組60均設置於直立式結構120上；以及複數車輪140及二旋轉盤150，其中，二旋轉盤150分別設置於本體110的兩側，且各旋轉盤150包括複數車輪140之三者，複數馬達(未顯示於圖式中)之兩者用以驅動本體兩側的複數車輪140，且複數馬達之另兩者用以驅動本體兩側的二旋轉盤150。複數馬達可設置於本體110下方。
此外，依據本發明的實施例，個人電腦模組10可為工業電腦(industrial PC)、工業控制器(industrial controller)或嵌入式系統(embedded system)之一者。
基於此機器人平台，本發明的個人電腦模組10具有樓梯檢測(stair detection)運算功能12、體感控制(somatosensory control)運算功能14、傾斜角(body tile)運算功能16及運動控制(locomotion decision)運算功能18等。
另外，本發明之自動爬樓梯機器人平台可以自動地前後移動、左右轉彎移動及原地旋轉。
此外，依據本發明的實施例，自動爬樓梯機器人平台可以藉由左右兩側的複數車輪140及二旋轉盤150上下樓梯。
再者，煞車模組80亦可藉由一緊急繼電器(emergency relay)模組100控制。
又，本發明進一步包括一彈簧模組(未顯示於圖式中)，彈簧模組連接本體110及二旋轉盤150，可使自動爬樓梯機器人平台具有小幅度的前後擺動，以實現體感控制的功能。
依據本發明的實施例，如第2圖所示，自動爬樓梯機器人平台進一步包括一對車輪保護殼160及一擋泥板170。
參閱第3a至3d圖，第3a至3d圖為說明依據本發明實施例之自動爬樓梯機器人平台的重心之示意圖。
在本發明之自動爬樓梯機器人平台中，為了使機器人平台及使用者在爬樓梯的過程中仍能保持平衡狀態，在感測到樓梯時，自動爬樓梯機器人平台藉由個人電腦模組對二旋轉盤的控制參數進行運算，因此，可以自動地改變重心至適當的位置，接著，藉由控制二旋轉盤進行攀爬樓梯，其中，控制參數包括機器人平台的整體質量(m total)及長度(l total)(如第3a圖所示)、機器人平台相對於x軸的角度(θtotal及θin)(如第3b圖所示)、樓梯的深度(d)及高度(h)(如第3c圖所示)、斜率線(L slope)及矩陣(vwheel及vzmp(zero-momentpoint))(如第3d圖所示)。
換句話說，如第3圖所示，本發明之自動爬樓梯機器人平台可以自動地感測樓梯的深度(d)及高度(h)，以對二旋轉盤的控制參數進行運算，並且調整二旋轉盤的轉動角度及轉動速度。
再者，第4a至4c圖為說明本發明實施例之自動爬樓梯機器人平台的攀爬類型之示意圖。
如第4a至4c圖所示，在攀爬樓梯的過程中可分為三種類型：第一類型(如第4a圖所示)為在平坦地面移動時感測前方樓梯；第二類型(如第4b圖所示)為攀爬樓梯期間；以及第三類型(如第4c圖所示)為在攀爬樓梯時感測前方平坦地面。
應注意到，當控制及操作本發明自動爬樓梯機器人平台時，在第一類型及第二類型中，所需二旋轉盤的轉動角度及轉動速度相同，然而，在進行第三類型的攀爬時，所需二旋轉盤的轉動角度及轉動速度必須加以調整，以使機器人平台及使用者仍能保持平衡移動及增加移動穩定性。
此外，本發明之自動爬樓梯機器人平台亦可依照各種不同的地形，藉由Kinect感應器模組測量前方地形的點雲數據及影像資料，且將感測數據傳輸至個人電腦模組；第一慣性測量單元模組測量Kinect感應器模組的傾斜角，且將Kinect感應器模組的傾斜角數據傳輸至個人電腦模組；以及第二慣性測量單元模組測量自動爬樓梯機器人平台的傾斜角，且將自動爬樓梯機器人平台的傾斜角數據傳輸至個人電腦模組，接著，個人電腦模組將對複數車輪及二旋轉盤的控制參數進行運算，通過調整複數車輪及二旋轉盤的轉動角度及運動速度，所以，本發明的機器人平台可以自動地改變重心至適當的位置。因此，本發明能使機器人平台及使用者在非平坦的地形中仍然保持平衡運動及增加移動穩定性。
綜上所述，本發明提出一種能適用於攀爬樓梯之自動爬樓梯機器人平台，其只需利用複數車輪及旋轉盤即可平衡、穩定地攀爬樓梯，克服跨越空間障礙的問題，從而使使用者操作機器人時，可於於實體空間環境中仍能保持上下平衡地移動。因此，不但解決了現有技術僅能在平坦地面移動而無法跨越空間障礙移動的問題，並且更進一步提高移動的穩定性及安全性。
上述實施例僅例示性說明本發明之功效，而非用於限制本發明，任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與改變。此外，在上述該些實施例中之元件的數量僅為例示性說明，亦非用於限制本發明。因此本發明之權利保護範圍，應如以下之申請專利範圍所列。
10‧‧‧個人電腦模組
12‧‧‧樓梯檢測運算功能
14‧‧‧體感控制運算功能
16‧‧‧傾斜角運算功能
18‧‧‧運動控制運算功能
20‧‧‧通用序列匯流排-控制器區域網路介面轉換模組
30‧‧‧馬達模組
40‧‧‧Kinect感應器模組
50‧‧‧第一慣性測量單元模組
60‧‧‧第二慣性測量單元模組
70‧‧‧通用序列匯流排-輸入輸出介面轉換模組
80‧‧‧煞車模組
90‧‧‧電源供應模組
100‧‧‧緊急繼電器模組

Claims (9)

  1. 一種自動爬樓梯機器人平台，包括：一個人電腦模組；一通用序列匯流排-控制器區域網路介面轉換模組；一馬達模組，包括複數馬達，藉由該通用序列匯流排-控制器區域網路介面轉換模組控制該馬達模組；一Kinect感應器模組，用以測量前方地形的點雲數據及影像資料，且將感測數據傳輸至該個人電腦模組；一第一慣性測量單元模組，用以測量該Kinect感應器模組的傾斜角，且將該Kinect感應器模組的傾斜角數據傳輸至該個人電腦模組；以及一第二慣性測量單元模組，用以測量該自動爬樓梯機器人平台的傾斜角，且將該自動爬樓梯機器人平台的傾斜角數據傳輸至該個人電腦模組。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述的自動爬樓梯機器人平台，復包括一通用序列匯流排-輸入輸出介面轉換模組及一煞車模組，藉由將該通用序列匯流排-輸入輸出介面轉換模組控制該煞車模組。
  3. 依據申請專利範圍第1項所述的自動爬樓梯機器人平台，復包括一電源供應模組包括複數電池，該複數電池可進行充電，其中，該電源供應模組供應電源至該個人電腦模組、該馬達模組、該Kinect感應器模組、該第一慣性測量單元模組及該第二慣性測量單元模組。
  4. 依據申請專利範圍第1項所述的自動爬樓梯機器人平台，復包括一本體，用以供使用者站立；一直立式結構，用以固定於該本體的前端，且包括一對把手及一緊急按鈕，其中，該個人電腦模組、該通用序列匯流排-控制器區域網路介面轉換模組、該Kinect感應器模組、該第一慣性測量單元模組及該第二慣性測量單元模組均設置於該直立式結構上；複數車輪及二旋轉盤，其中，該二旋轉盤分別設置於該本體的兩側，且各旋轉盤包括該複數車輪之三者，該複數馬達之兩者用以驅 動該本體兩側的複數車輪，且該複數馬達之另兩者用以驅動該本體兩側的二旋轉盤；以及一彈簧模組，用以連接該本體及該二旋轉盤。
  5. 依據申請專利範圍第1項所述的自動爬樓梯機器人平台，其中，該個人電腦模組為工業電腦、工業控制器或嵌入式系統之一者。
  6. 依據申請專利範圍第1項所述的自動爬樓梯機器人平台，其中，該個人電腦模組具有樓梯檢測運算功能、體感控制運算功能、傾斜角運算功能及運動控制運算功能。
  7. 依據申請專利範圍第1項所述的自動爬樓梯機器人平台，其中，該自動爬樓梯機器人平台自動地前後移動、左右轉彎移動及原地旋轉。
  8. 依據申請專利範圍第1項所述的自動爬樓梯機器人平台，其中，該自動爬樓梯機器人平台藉由左右兩側的該複數車輪及該二旋轉盤上下樓梯。
  9. 依據申請專利範圍第2項所述的自動爬樓梯機器人平台，其中，該煞車模組可藉由一緊急繼電器模組控制。
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