TWI410605B - 表面檢測裝置 - Google Patents
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Description
本案係指一種表面檢測裝置，尤指一種表面檢測機器人。
近年來，營建產業對於機器人自動化的技術寄予高度的期望與重視，肇因於建築工地的高事故發生率、產品品質的不一致性，和勞力資源在重複性營建工作過程中的浪費，例如工地填土、挖土或龐大的道路鋪面檢測作業。很多研究，例如Skibniewski和Russell以及Maynard etal.，已開始為營建產業發展輔助施工等應用型機器人，然而這些機器人多僅為了單一任務需求而設計，其生產力和效率仍有改進的空間。這類應用型機器人的缺點在於其所能發揮的效益偏低，由於機器人是為了解決特定問題而設計的，研究人員不僅需要大量時間收集機器人需求的偵測器和動作器等不同硬體，而且還需開發演算法使機器人能在動作的同時處理由偵測器接收的訊號。
上述的機器人研發工作通常需要反覆的試驗過程且需耗費大量的時間與人力，令人遺憾的是，大多數機器人的硬體和軟體系統架構無法與其他機器人彼此相容，因此在機器人的發展上無法相互支援。在本研究過程中，我們的目標是發展一個能在硬體設備和軟體系統架構方面均能靈活應用的自主式機器人以供未來執行鋪面檢測作業之用。自主式機器人是一台具備自行執行任務能力而不需要人為介入的智慧型機器人，而機器人在這方面的發展將有助於讓未來各種關於營建自動化的相關研究變得更加容易。
職是之故，申請人鑑於習知技術中所產生之缺失，經過悉心試驗與研究，並一本鍥而不捨之精神，終構思出本案「表面檢測裝置」，能夠克服上述缺點，以下為本案之簡要說明。
本發明係設計一表面檢測機器人的原型，該機器人可應用於真實環境中以測試與運作表面檢測，特別是鋪面檢測。在機器人軟硬體設計上，考量使用上的彈性(flexibility)及再利用性(reusability)，即未來在硬體上可能之更新，包括新增不同的檢測儀器或替換運動元件等，在設計上使用富有彈性的分層式架構。在軟體架構部分，為了使機器人控制軟體更具有彈性，本發明將各部份硬體架構分別撰寫成獨立的軟體組件，最後進行各部份軟體之整合，如此可確保未來修改硬體時，不需要大幅修改控制軟體等，因此本發明所提出的表面檢測機器人無論在軟或硬體架構方面均保有極佳的彈性及再利用性。
根據本發明的第一構想，提出一種表面檢測裝置，其包括一邏輯運算暨控制層架構，其包括一電子運算單元其中安裝有一服務導向軟體；一環境偵測層架構其包括複數偵測單元，該等偵測單元用於探測環境而獲得複數環境資訊；及一動力載具層架構其包括複數全向輪；一運動載具其設置有該等全向輪；及複數動力單元用於驅動該等全向輪，其中該動力載具層架構係用於搭載該邏輯運算暨控制層架構及該環境偵測層架構，該邏輯運算暨控制層架構接收並處理該等環境資訊而產生複數運動指令並據此控制該動力載具層架構。
較佳地，本發明所提供之該種表面檢測裝置，其中該環境
偵測層架構更包括一BS2p24主控晶片模組、一BS2偵測晶片模組及一BS2驅動晶片模組。
較佳地，本發明所提供之該種表面檢測裝置，其中該電子運算單元通過一RS232介面而與該BS2p24主控晶片模組通訊。
較佳地，本發明所提供之該種表面檢測裝置，其中該BS2p24主控晶片模組用於接收由該BS2偵測晶片模組所獲得的該等環境資訊並將其傳輸至該電子運算單元。
較佳地，本發明所提供之該種表面檢測裝置，其中該BS2偵測晶片模組用於接收由該等偵測單元所獲得之該等環境資訊並傳輸至該BS2p24主控晶片模組。
較佳地，本發明所提供之該種表面檢測裝置，其中該BS2p24主控晶片模組用於接收由該電子運算單元所傳輸的該等運動指令並將其傳輸至該BS2驅動晶片模組。
較佳地，本發明所提供之該種表面檢測裝置，其中該BS2驅動晶片模組用於自該BS2p24主控晶片模組接收該等運動指令並據以控制該馬達。
較佳地，本發明所提供之該種表面檢測裝置，其中該動力載具層架構更包括一動力源，用於對該等動力單元提供動力。
較佳地，本發明所提供之該種表面檢測裝置，其中該動力源為一電池。
較佳地，本發明所提供之該種表面檢測裝置，其中該電子運算單元為一桌上型電腦、一工業型電腦、一筆記型電腦、一具有中央處理器的電子裝置或其組合。
較佳地，本發明所提供之該種表面檢測裝置，其中該服務導向軟體為一機器人作業系統(Microsoft Robotics Developer
Studio，MSRDS)。
較佳地，本發明所提供之該種表面檢測裝置，其中該MSRDS包括複數服務。
較佳地，本發明所提供之該種表面檢測裝置，其中該等服務為一主控服務(Control Service)、一任務服務(Tasks Service)、一BS2偵測晶片模組服務(Basic Stamp 2 Sensor Service)、一雷射掃瞄儀服務(Laser Sensor Service)、一BS2驅動晶片模組服務、一超音波測距器服務、一電子羅盤服務、一攝影裝置服務、一影像擷取裝置服務、一GPS服務或其組合。
較佳地，本發明所提供之該種表面檢測裝置，其中每一該等服務包括複數組件。
較佳地，本發明所提供之該種表面檢測裝置，其中該等組件為一服務標示符(Service Identifier)組件、一合約標示符(Contract Identifier)組件、一夥伴(Partners)組件、一服務處理器(Service Handler)組件、一主要埠(Main Port)組件、一狀態(State)組件、一通知(Notification)組件、一資料成員(Data Member)組件或其組合。
較佳地，本發明所提供之該種表面檢測裝置，其中該任務服務(Tasks Service)用於規劃包括至少四種檢測路徑模式，其分別為一橫向檢測路徑模式、一縱向檢測路徑模式、一隨機檢測路徑模式及一方格檢測路徑模式。
較佳地，本發明所提供之該種表面檢測裝置，其中該任務服務(Tasks Service)更用於規劃包括至少兩種特殊檢測模式，其分別為一定點密集檢測模式及一障礙物迴避運動模式。
較佳地，本發明所提供之該種表面檢測裝置，其中該等偵
測單元為一超音波測距器、一電子羅盤、一雷射掃瞄儀、一攝影裝置、一影像擷取裝置、一GPS或其組合。
較佳地，本發明所提供之該種表面檢測裝置，其中該等動力單元為一馬達。
較佳地，本發明所提供之該種表面檢測裝置，其中該邏輯運算暨控制層架構通過該電子運算單元的該服務導向軟體接收並處理該等環境資訊而產生複數運動指令，並據此控制該動力載具層架構中的該等全向輪。
根據本發明的第二構想，提出一種表面檢測機器人其包括一動力載具層架構，其包括複數全向輪；一機架其設置有該等全向輪；及複數動力單元用於驅動該等全向輪；一環境偵測層架構其包括複數偵測單元，該等偵測單元用於探測環境而獲得複數環境資訊；及一邏輯運算暨控制層架構其包括一電子運算單元其中安裝有一機器人作業系統，其中該動力載具層架構係用於搭載該邏輯運算暨控制層架構及該環境偵測層架構，該邏輯運算暨控制層架構接收並處理該等環境資訊而據此控制該動力載具層架構。
較佳地，本發明所提供之該種表面檢測機器人係專用於鋪面檢測。
根據本發明的第三構想，提出一種環境檢測裝置，其包括一動力載具其設置有複數全向輪，每一該等全向輪係由一動力單元所驅動；一電子運算單元其中安裝有一服務導向軟體；及複數偵測單元，該等偵測單元用於探測環境而獲得複數環境資訊，其中該動力載具係用於搭載該電子運算單元及該等偵測單元，該電子運算單元通過該服務導向軟體接收並處理該等環境
資訊而據此控制該等全向輪。
本案將可由以下的實施例說明而得到充分瞭解，使得熟習本技藝之人士可以據以完成之，然本案之實施並非可由下列實施案例而被限制其實施型態。
請參閱第一圖，係為本案之表面檢測裝置的示意圖。本案的表面檢測裝置係透過構型為機器人而得以實現，第一圖中揭示的表面檢測機器人10係包括了邏輯運算暨控制層架構C、環境偵測層架構D及動力載具層架構M，其中邏輯運算暨控制層架構C係建構於整體表面檢測機器人10的最頂層，邏輯運算暨控制層架構C中設置了至少一台筆記型電腦11做為表面檢測機器人10的運算中心，在筆記型電腦11中安裝有一個服務導向軟體，在本實施例中，此服務導向軟體為微軟的機器人作業系統(Microsoft Robotics Developer Studio，MSRDS)，邏輯運算暨控制層架構C主要接收並處理由環境偵測層架構D傳送過來的環境資訊並據此控制動力載具層架構M以決定下一個時間點表面檢測機器人10的運動方式。
環境偵測層架構D係建構於整體表面檢測機器人10的中間層，在環境偵測層架構D中設置了各式的偵測單元，包括超音波測距器12、電子羅盤13及雷射掃瞄儀14等裝置，除以上所述的偵測單元外，還可以再設置攝影裝置、影像擷取裝置或上述偵測單元的組合，其中由於雷射掃瞄儀14的掃描範圍達
270度，故特別將雷射掃瞄儀14設置在最表面檢測機器人10的頂層，以避免雷射掃瞄儀14的掃描範圍受到阻擋，在環境偵測層架構D中還設有一個晶片組17，其包括一顆BS2p24主控晶片模組、一顆BS2偵測晶片模組及一顆BS2驅動晶片模組(Parallax,2004)，環境偵測層架構D係負責從外部環境中獲得環境資訊並通過上述三顆晶片而與邏輯運算暨控制層架構C通訊。
動力載具層架構M係建構在整體表面檢測機器人10的最底層，在動力載具層架構M中具有一個作為運動載具的機架19，機架19用於搭載表面檢測機器人10及上述各種設置在表面檢測機器人10中的裝置，動力載具層架構M中還設置了至少三個全向輪(omni-wheel)15，每一個全向輪15配有一台馬達16，每一個馬達16配有一個馬達驅動晶片模組(未示於圖中)，本實施例中馬達16為直流馬達，動力載具層架構M中還包括了二個電池18，用於對馬達16提供電力。
因此本案的表面檢測表面檢測機器人10係以上述的三層式架構方式而實施，上述的三層式架構可使得表面檢測機器人10擁有非常彈性的硬體架構，當需求改變時，表面檢測機器人10只需要在其中一層新增或移除硬體，在不需要大幅改變硬體架構的狀況下，即可完成表面檢測機器人10硬體架構的修改，舉例而言，若使用者需要功能較為強的電腦主機，僅需將邏輯運算暨控制層架構C的筆記型電腦11升級或替換成一台或者數台具有強大功能的工程用計算機即可，再者，使用者亦可任意增加/更換/刪減環境偵測層架構D中的各種偵測單元，諸如使用者可自行在環境偵測層架構D中增加一台攝影裝置以擷
取環境影像資訊。
而表面檢測機器人10的動力載具層架構M係以全向輪15為基底。請參閱第二圖，係為本案係為本案所使用之全向輪的示意圖。第二圖中的全向輪15包括了設置於輪軸23上並可前後移動的主輪21及設置於主輪21上並可橫向移動的副輪22，設置有主輪21及副輪22的全向輪15，可以讓輪軸不受只能軸向運動的限制。因此表面檢測機器人10可以運用各種靈活的運動模式來進行各式各樣的表面/鋪面檢測，配合筆記型電腦11中的MSRDS軟體，可適當的累積運動與控制的經驗，未來可發展更多樣化的運動方式。
請參閱第三圖(a)及(b)，其中第三圖(a)係為習知技術中一般車行機器人其前進方向與車頭方向示意圖，第三圖(b)係為本案之表面檢測裝置其前進方向與車頭方向示意圖。在第三圖(a)的習知技術中，對一般車行機器人而言，其前進方向f與其車頭方向h之間是一致的，當一般車行機器人轉彎的時候必須將機器人的車頭h轉向沿著路徑行走的前進方向f，如第三圖(a)中所示；但由於本發明設計的表面檢測裝置在動力載具層架構M中採用了全向輪15，因此本發明的表面檢測機器人10其前進方向f與車頭方向h間為可分離，也就是通過對全向輪15的良好控制，表面檢測機器人10可以在固定機器人車頭方向h的狀況下改變前進方向f，如移動或轉彎，或是在不改變機器人原本姿態的狀況下，而移動到任意方向，如第三圖(b)中所示。本案之表面檢測裝置的動力載具層架構M因具有上述設計，故可以搭配更多種類的檢測儀器，若檢測儀器是固定在機架上且無法轉動時，或儀器本身在檢測時必須維持在同一方向
來取樣時，採用本發明以全向輪所設計的的動力載具層架構M即可解決這類型的問題。
為使本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在參閱本案說明書所揭露之技術內容即得據以實施本發明，茲說明本案上述各式元件的規格如後文，但請特別注意，本發明之實施非僅因此而受限定於該等規格。在筆記型電腦11的部份係採用IBM X60作為表面檢測機器人10的計算與處理中心；在BS2晶片模組部分係採用Basic Stamp® BS2 Module；在雷射掃瞄儀14的部分係採用Hokuyo URG-04LX Laser Sensor，其量測角度為240度，精確度為0.36度，量測半徑從20mm至4m；在超音波測距器12的部份係採用PING)))TM Ultrasonic Distance Sensor，其量測距離從2m至3m；在電子羅盤13的部份係採用Hitachi® HM55B Compass Module；在馬達驅動晶片模組部分係採用VNH3SP30 Motor Driver，可穩定供應6Am電流至馬達16，並對馬達16輸入PWM訊號；在馬達16部分係採用直流碳刷馬達IG-42 DC Motor以直接驅動全向輪15；在全向輪15部分係採用Kornylak Corporation Omni Wheel；在電池18部分係採用YUASA 12V鉛蓄電池。
請參閱第四圖，係為本案所使用之晶片模組架構的示意圖。本案鋪面檢測表面檢測機器人10的環境偵測層架構D中的晶片組17係使用一顆BS2偵測晶片模組41、一顆BS2驅動晶片模組43及一顆BS2p24主控晶片模組45而與邏輯運算暨控制層架構C中的筆記型電腦11通訊，其中BS2偵測晶片模
組41專用於接收環境偵測層架構D中由各種偵測單元所獲得的各種環境資訊，如由超音波測距器12偵測到的距離或電子羅盤13所偵測到的方位角等等，BS2p24主控晶片模組45用於統籌BS2偵測晶片模組41所得到的所有環境資訊，再將這些環境資訊傳遞到邏輯運算暨控制層架構C中的筆記型電腦11，當筆記型電腦11中的MSRDS軟體接收並分析這些環境資訊後，即將下個時間點表面檢測機器人10的運動指令再傳遞到BS2p24主控晶片模組45上，再BS2p24主控晶片模組45將這些運動指令轉發至BS2驅動晶片模組43，此BS2驅動晶片模組43將根據這些運動指令而控制右方、左方或中央馬達16，而馬達16將驅動全向輪15。
上述BS2晶片為BaSicStamp2晶片簡稱BS2，BS2晶片係採用BASIC編譯，開發的軟體平台為Parallax公司自行研發的PBASIC的編譯器，將晶片控制邏輯撰寫在PBASIC編譯器上，再透過筆記型電腦11中的RS232介面將程式碼傳送到晶片中，PBASIC編譯器有完整的偵錯視窗可供使用者快速的完成工作。
請參閱第五圖，係為脈衝寬度調變控制方法示意圖。本發明採用兩顆BS2晶片(雙晶片)來控制馬達16的運轉的原因在於，因馬達16為直流馬達，其係採用脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation,PWM)的方式控制，如第五圖中所示，該方法為在相同的周期中，利用不同的波形寬度來控制不同的輸出功率，當波型寬度越寬，輸出的功率越大，馬達轉動速度相對越快，當BS2晶片模組在處理輸出PWM訊號時，晶片會不斷的進行高低電位的變化，但當高電位時，晶片會有一段時間專責將高
電位持續輸出，直到指定的脈衝寬度才恢復低電位，這段時間晶片是無法接收外界所輸入的訊息，故倘若採用單一BS2晶片而擬同時處理與運算單元之間的溝通及驅動馬達兩個任務，會容易發生當運算單元傳送運動指令給晶片時，晶片正在輸出馬達的PWM訊號而處於忙碌的狀態而無法接收指令，如此將導致指令的遺漏，故本發明中採用兩顆BS2晶片模組也就是雙晶片的設計來控制馬達即可避免上述缺陷。
在邏輯運算暨控制層架構C的筆記型電腦11中，係採用微軟所發展的機器人作業系統-Microsoft Robotics Developer Studio(Microsoft,2006)，簡稱為MSRDS的系統，為Microsoft在2006所開發的一個通用機器人開發平台，主要是提供一個整合性的軟體架構、溝通方式及執行環境，其組成的最主要兩個元件為協同與協調運轉時間(Concurrency and Coordination Runtime，CCR)程式庫及分散式軟體服務(Decentralized Software Services，DSS)程式庫，前者用於管理程式以及溝通方式，透過CCR程式庫使用者可以輕易的撰寫機器人所需的多執行序(multi-thread)，使程式能夠達到平行以及即時處理訊息的能力；後者則提供使用者統一的軟體架構，將程式的組成劃分為一個個獨立的服務單元(service)，彼此透過CCR程式庫以傳送訊息的方式溝通，使軟體具有擴充性、彈性以及重複使用性。本案在表面檢測機器人10中的邏輯運算暨控制層架構C中安裝MSRDS，以MSRDS同時處理各項來自環境偵測層架構D中各偵測單元所收集的環境資訊，並做出即時判斷與反應。
當表面檢測機器人10運轉時，所接收到的任何環境資訊，均會放入預定被執行的排程中，CCR除了可以針對排程訂定各項事件的權重，以區分有迫切需先執行、如有障礙物事件，或是無迫切但必須執行的動作、如前往目標點等，且在CCR架構下可在各項任務中進行類平行的執行，所謂類平行指利用一個或多個執行緒跳躍著執行在排程中所有的任務，其不需像一般程式執行完成後才跳出執行下一個任務，而是當程式在執行任務I時，可以在中途先跳出去執行任務II，接著跳回任務III，等執行到最後一個任務後再跳回任務I，依此類推直到所有任務均完成，如此可以避免當機器人遇到緊急的事件發生時，機器人卻因在執行別的任務而忽略此較為緊急的事件，導致任務失敗甚至損害機體，故該機制對於隨時面對環境變化的機器人，是有其必要性的。
而MSRDS另外一個核心技術為分散式軟體服務運轉時間技術-Decentralized Software Services runtime，簡稱為DSS技術，它是一個以服務(Service)為導向的應用設計，如同物件導向的設計般，其Service架構主要是讓機器人在進行軟體與硬體控制時，其針對每一個硬體或軟體組件，無論是大到一台機器人或小至一個馬達或全向輪的運轉，均可分別單獨地撰寫成一個Service。請參閱第六圖，係為本案所使用之MSRDS之服務架構示意圖。MSRDS的每一個Service是由服務標示符(Service Identifier)組件61、合約標示符(Contract Identifier)組件62、夥伴(Partners)63、服務處理器(Service Handler)組件64、主要埠(Main Port組件65、狀態(State)組件66、通知(Notification)組件67及資料成員(Data Member)組件68等的數個基本組件所
構成。Service Identifier組件61為在DSS架構下的識別，每個被使用之Service在DSS架構啟動後，均會動態給予一個唯一的網址作為識別用，讓使用者或其他Service可以利用該識別找到並操作它，而Contract Identifier組件62則記載該Service的行為與可使用的成員，將其資訊提供給其他Service所使用，每個Service中可擁有自已的State組件66，主要為放置要與外界溝通的資訊，假設為偵測單元，那State中就是放置偵測單元所接收到的值，以做為與傳遞與接收外界的容器，另外Service中擁有設計數個Service Handlers組件64，Service透過Main Port組件65接收到資訊時，會自動判斷其資訊該交給那一個Service Handlers組件64加以實作，故Service Handlers組件64就像一個開關，假設當Main Port組件65指派特定Service Handlers組件64接收偵測單元資訊，則Service Handlers組件64及實作偵測單元接收與回傳資訊的動作，Notification組件67為當Service與Service間有訂閱(subscribing)的關係時，由被定閱者在訂閱者所需要的訊息有任何變化時，即會傳送訊息到訂閱的Service上，藉此達到即時更新資訊的目的，最後、Partner組件63為宣告該Service與哪些Service為夥伴關係，唯有透過夥伴的型式才可透過訂閱其訊息(Notification)與透過Main Port組件64來傳遞命令給夥伴Service，有Service也可利用Main Port將直接傳入指令的方式來溝通，透過這樣的機制，讓機器人軟體架構獲得更高自由度，當機器人改變了硬體或軟體時，在控制的軟體撰寫不需要大幅度的改變，只需要新的Service加入架構中，消去舊有的Service即可完成。
MSRDS同時也提供符合物理行為的軟體模擬機器人的功
能，它使用AGEIA公司所發展符合真實世界各種物理現象的軟體模擬環境，包括重力加速度，作用力與反作用力等現象。微軟整合該模擬環境並藉此提供一個更簡單、更經濟的方案讓使用者不需要購買昂貴的偵測單元或是機器人，就可以擁有一個擬真的物理模型來測試與發展使用者的想法。例如，只要在模擬環境中建置機器人裝有一台精確性極高的雷射偵測單元，就可以測試機器人在裝設這台雷射偵測單元後的工作效率是否符合使用者需求，不需要真正的去購買一台價值數十萬的儀器。使用者亦可撰寫一套機器人智慧型控制的軟體，先行在擬真世界上加以測試是否可以順利工作，需安裝於昂貴的機器人上進行不確定性的測試，如此不僅可減少開發成本，也可縮短反覆硬體測試的時間。
因此本案在機器人的軟體架構部分，係採用MSRDS撰寫對應於各項硬體的Service，舉例來說，將用於轉發運動指令的BS2p24主控晶片模組的部分撰寫為主控服務Control Service；將雷射掃描測距儀的部份撰寫為雷射掃瞄儀服務Laser Sensor Service；將BS2偵測晶片模組的部分撰寫成BS2偵測晶片模組服務Basic Stamp 2 Sensor Service；而將四種檢測路徑模式則撰寫為運動控制劇本，即為任務服務Tasks Service。
請參閱第七圖，係為Service與硬體之間的對應關係示意圖。其中Basic Stamp 2 Sensor Service 71與Laser Sensor Service 72偵測單元硬體溝通並取得由偵測單元所獲得的環境資訊，Driver Service 73為指派機器人運動指令的Service，其連結至驅動元件即馬達，這三個Service為各自獨立，當這三個Service所分別對應的硬體設定有所改變時，只需從MSRDS中移除該
硬體所對應的Service，並不影響其他的組件，而Tasks Service是用於指派檢測路徑模式Service，Tasks Service 74與上述三個Service之間為夥伴關係，Tasks Service 74可以分別與成為夥伴的Service而以訂閱或直接命令的方式來與其溝通。
請參閱第七圖，係為本案之軟體及硬體間互動概念示意圖。關於各項Service與機器人之間在運轉(runtime)中的互動，首先於軟體上提供一個主控界面GUI及Controller，其中主控界面GUI用於完成與電腦的溝通，Controller為提供一個控制介面，讓使用者可輕易的指派機器人任務等，此主控界面GUI及Controller並非Service，其中Tasks Service為控制機器人運動模式與任務的核心區域，而BS2 Sensor與Laser Sensor為向機器人取得偵測單元的資訊，並透過訂閱機制傳送到Tasks Service中，另外一方面Driver Service則是接收Tasks Service的命令進行與硬體的溝通與控制。在資訊的傳遞中，Sensor Service傳送準備接收的狀態給晶片，由晶片主動的傳送環境資訊給Sensor Service，更新目前的環境資訊，而Tasks Service則主動的向Sensor Service詢問目前的環境資訊，並加以判斷後，傳遞下一個時間點要運動的方式給Driver Service，再由其傳遞給機器人的運動單元，Controller則是與使用者溝通的控制介面，使用者即可針對要進行的任務來指派機器人的運動。
本案利用MSRDS中的Tasks Service規劃至少四種全面檢測路徑，包括了橫向檢測路徑模式、縱向檢測路徑模式、隨機檢測路徑模式及方格檢測路徑模式，請參閱第九圖(a)~(d)，係
分別為本案Task Service所規劃的之橫向檢測路徑模式、縱向檢測路徑模式、隨機移動檢測路徑模式及方格檢測路徑模式的示意圖，所謂的全面檢測即為進行表面檢測所定義的檢測方式所必須走的路徑，如檢測道路平坦度、車轍時，為使用檢測儀器取得道路縱斷面與橫斷面資訊，而鋪面狀況指標則為全路面狀況的檢查，其中隨機檢測路徑模式為定義當機器人左轉、右轉與向後轉的角度，不同於全面檢測的轉動量為定值，隨機檢測模式的轉動量均為亂數決定，藉此達到隨機移動的目的。
本發明更在上述四種全面檢測路徑模式下架構兩種特殊運動模式即定點密集檢測模式及障礙物迴避模式。請參閱第十圖(a)與(b)，係為本案之定點密集檢測模式示意圖。利用全向輪機器人的移動特性，當機器人遇到需要如表面破損檢測般密集取樣的時候，就會立即由常態檢測切換到定點密集取樣的模式，如前所述，本發明的表面檢測機器人10其前進方向f與車頭方向h間為可分離，即表面檢測機器人10可以在固定機器人車頭方向h的狀況下改變前進方向f，因此在定點密集檢測模式下，當表面檢測機器人10所裝載的檢測儀器遇到需要大量採樣或檢測可能的破壞點時，表面檢測機器人10會利用全向輪給賦予的特性，一邊繞著受測點並將裝載的檢測儀器面對受測點，同時取樣，即將車頭方向h對準受測點，但前進方向f則是避開此受測點如第十圖(a)至(b)中所示，借由該機制，可以在相同時間內，取得受測點較多的資訊，對於未來針對該點分析與評斷有著重要的幫助。
請參閱第十一圖(a)與(b)，係為本案之障礙物迴避模式示意圖。本發明的表面檢測機器人10在進行檢測時，必須要有一
個簡單的避障模式，以避開路徑中可能存在的障礙物。當機器人在進行常態運行即依照四種全面檢測路徑在運行時，或進行上述定點密集檢測的過程中，若發現有障礙物出現在路徑上時，則表面檢測機器人10將以安全為第一考量，中斷原本常態檢測路徑的行徑方式，在不關閉檢測儀器的狀況下，進行第十一圖(a)與(b)中所示的障礙物迴避作動。第十一圖(a)與(b)中所表示的障礙物迴避方式並非唯一的行徑方式，主要精神在於不損壞機器人下完成鋪面檢測，當機器人遇到障礙物的時候，運用MSRDS先將目前機器人的運動模式與其他各種參數，如目的地、目前狀態等，將之暫存於MSRDS中，此時重新指定一個迴避障礙物的反應式動作，反應式動作如同昆蟲迴避障礙物一般，當它遇到有障礙物時，即單純的向右或向左迴避開障礙物前進，若是障礙物過大，甚至會直接回頭等，當機器人從反應式動作中迴避開障礙物，且偵測單元無接收到附近有障礙物的訊息後，將回復之前暫存的狀態，機器人會回到原先定義的運動方式並朝著目標點前進。
總結而言，本案實為一難得一見，值得珍惜的難得發明，惟以上所述者，僅為本發明之最佳實施例而已，當不能以之限定本發明所實施之範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。
C‧‧‧邏輯運算暨控制層架構
D‧‧‧環境偵測層架構
M‧‧‧動力載具層架構
10‧‧‧表面檢測機器人
11‧‧‧筆記型電腦
12‧‧‧超音波測距器
13‧‧‧電子羅盤
14‧‧‧雷射掃瞄儀
15‧‧‧全向輪
15a‧‧‧全向輪
15b‧‧‧全向輪
16‧‧‧馬達
17‧‧‧晶片組
18‧‧‧電池
19‧‧‧機架
21‧‧‧主輪
22‧‧‧副輪
23‧‧‧輪軸
f‧‧‧前進方向
h‧‧‧車頭方向
41‧‧‧BS2偵測晶片模組
43‧‧‧BS2驅動晶片模組
45‧‧‧BS2p24主控晶片模組
61‧‧‧Service Identifier
62‧‧‧Contract Identifier
63‧‧‧Partners
64‧‧‧Service Handler
65‧‧‧Main Port
66‧‧‧State
67‧‧‧Notification
68‧‧‧Data Member
71‧‧‧Basic Stamp 2 Sensor Service
72‧‧‧Laser Sensor Service
73‧‧‧Driver Service
74‧‧‧Tasks Service
第一圖 係為本案之表面檢測裝置的示意圖；第二圖 係為本案之表面檢測裝置的示意圖；
第三圖(a) 係為習知技術中一般車行機器人其前進方向與車頭方向示意圖；第三圖(b) 係為本案之表面檢測裝置其前進方向與車頭方向示意圖；第四圖 係為本案所使用之晶片模組架構的示意圖；第五圖 係為脈衝寬度調變控制方法示意圖；第六圖 係為本案所使用之MSRDS之服務架構示意圖；第七圖 係為Service與硬體之間的對應關係示意圖；第八圖 係為本案之軟體及硬體間互動概念示意圖；第九圖(a) 係為本案之Task Service所規劃的之橫向檢測路徑模式的示意圖；第九圖(b) 係為本案之Task Service所規劃的之縱向檢測路徑模式的示意圖；第九圖(c) 係為本案之Task Service所規劃的之隨機移動檢測路徑模式的示意圖；第九圖(d) 係為本案之Task Service所規劃的之方格檢測路徑模式的示意圖；第十圖(a) 係為本案之定點密集檢測模式示意圖；第十圖(b) 係為本案之定點密集檢測模式示意圖；第十一圖(a) 係為本案之障礙物迴避模式示意圖；以及第十一圖(b) 係為本案之障礙物迴避模式示意圖。
C‧‧‧邏輯運算暨控制層架構
D‧‧‧環境偵測層架構
M‧‧‧動力載具層架構
10‧‧‧表面檢測機器人
11‧‧‧筆記型電腦
12‧‧‧超音波測距器
13‧‧‧電子羅盤
14‧‧‧雷射掃瞄儀
15‧‧‧全向輪
16‧‧‧馬達
17‧‧‧晶片組
18‧‧‧電池
19‧‧‧機架
Claims (23)
- 一種表面檢測裝置，其包括：一模組化邏輯運算暨控制層，其包括：一電子運算單元，其中安裝有一服務導向軟體單元；一模組化環境偵測層，其包括：複數偵測單元，該等偵測單元用於探測環境而獲得複數環境資訊；及一模組化動力載具層，其包括：複數全向輪單元；一運動載具單元，其設置有該等全向輪單元；及複數動力單元，用於驅動該等全向輪單元，其中該模組化動力載具層係用於搭載該模組化邏輯運算暨控制層及該模組化環境偵測層，該模組化邏輯運算暨控制層接收並處理該等環境資訊而產生複數運動指令並據此控制該模組化動力載具層，且該模組化邏輯運算暨控制層、該模組化環境偵測層以及該模組化動力載具層中所包括的各個單元皆為可替換之模組化單元。
- 如申請專利範圍第1項所述的該種表面檢測裝置，其中該模組化環境偵測層更包括一BS2p24主控晶片模組、一BS2偵測晶片模組及一BS2驅動晶片模組。
- 如申請專利範圍第2項所述的該種表面檢測裝置，其中該電子運算單元通過一RS232介面而與該BS2p24主控晶片模組通訊。
- 如申請專利範圍第2項所述的該種表面檢測裝置，其中該BS2p24主控晶片模組用於接收由該BS2偵測晶片模組所獲得 的該等環境資訊並將其傳輸至該電子運算單元。
- 如申請專利範圍第4項所述的該種表面檢測裝置，其中該BS2偵測晶片模組用於接收由該等偵測單元所獲得之該等環境資訊並傳輸至該BS2p24主控晶片模組。
- 如申請專利範圍第2項所述的該種表面檢測裝置，其中該BS2p24主控晶片模組用於接收由該電子運算單元所傳輸的該等運動指令並將其傳輸至該BS2驅動晶片模組。
- 如申請專利範圍第6項所述的該種表面檢測裝置，其中該BS2驅動晶片模組用於自該BS2p24主控晶片模組接收該等運動指令並據以控制該馬達。
- 如申請專利範圍第1項所述的該種表面檢測裝置，其中該模組化動力載具層更包括一動力源，用於對該等動力單元提供動力。
- 如申請專利範圍第8項所述的該種表面檢測裝置，其中該動力源為一電池。
- 如申請專利範圍第1項所述的該種表面檢測裝置，其中該電子運算單元為一桌上型電腦、一工業型電腦、一筆記型電腦、一具有中央處理器的電子裝置或其組合。
- 如申請專利範圍第1項所述的該種表面檢測裝置，其中該服務導向軟體單元為一機器人作業系統(Microsoft Robotics Developer Studio，MSRDS)。
- 如申請專利範圍第11項所述的該種表面檢測裝置，其中該MSRDS包括複數服務。
- 如申請專利範圍第12項所述的該種表面檢測裝置，其中該等服務為一主控服務(Control Service)、一任務服務(Tasks Service)、一BS2偵測晶片模組服務(Basic Stamp 2 Sensor Service)、一雷射掃瞄儀服務(Laser Sensor Service)、一BS2驅動晶片模組服務、一超音波測距器服務、一電子羅盤服務、一攝影裝置服務、一影像擷取裝置服務、一GPS服務或其組合。
- 如申請專利範圍第12項所述的該種表面檢測裝置，其中每一該等服務包括複數組件。
- 如申請專利範圍第14項所述的該種表面檢測裝置，其中該等組件為一服務標示符(Service Identifier)組件、一合約標示符(Contract Identifier)組件、一夥伴(Partners)組件、一服務處理器(Service Handler)組件、一主要埠(Main Port)組件、一狀態(State)組件、一通知(Notification)組件、一資料成員(Data Member)組件或其組合。
- 如申請專利範圍第13項所述的該種表面檢測裝置，其中該任務服務(Tasks Service)用於規劃包括至少四種檢測路徑模式，其分別為一橫向檢測路徑模式、一縱向檢測路徑模式、一隨機檢測路徑模式及一方格檢測路徑模式。
- 如申請專利範圍第16項所述的該種表面檢測裝置，其中該任務服務(Tasks Service)更用於規劃包括至少兩種特殊檢測模式，其分別為一定點密集檢測模式及一障礙物迴避運動模式。
- 如申請專利範圍第1項所述的該種表面檢測裝置，其中該等偵測單元為一超音波測距器、一電子羅盤、一雷射掃瞄儀、一攝影裝置、一影像擷取裝置、一GPS或其組合。
- 如申請專利範圍第1項所述的該種表面檢測裝置，其中該等動力單元為一馬達。
- 如申請專利範圍第1項所述的該種表面檢測裝置，其中該模組化邏輯運算暨控制層通過該電子運算單元的該服務導向軟體單元接收並處理該等環境資訊而產生複數運動指令，並據此控制該模組化動力載具層中的該等全向輪單元。
- 一種表面檢測機器人，其包括：一模組化動力載具層，其包括：複數全向輪單元；一機架，其設置有該等全向輪單元；及複數動力單元，用於驅動該等全向輪單元；一模組化環境偵測層，其包括：複數偵測單元，該等偵測單元用於探測環境而獲得複數環境資訊；及一模組化邏輯運算暨控制層，其包括：一電子運算單元，其中安裝有一機器人作業系統，其中該動力載具層係用於搭載該邏輯運算暨控制層及該環境偵測層，該邏輯運算暨控制層接收並處理該等環境資訊而據此控制該動力載具層，且該模組化動力載具層、該模組化環境偵測層以及該模組化邏輯運算暨控制層中所包括的各個單元皆為可替換之模組化單元。
- 如申請專利範圍第21項所述的該種環境檢測機器人係用於鋪面檢測。
- 一種鋪面檢測裝置，其包括：一模組化動力載具，其設置有複數全向輪單元，每一該等全向輪單元係由一動力單元所驅動；一模組化電子運算單元，其中安裝有一服務導向軟體單 元；及複數模組化偵測單元，該等偵測單元用於探測環境而獲得複數環境資訊，其中該模組化動力載具係用於搭載該模組化電子運算單元及該等模組化偵測單元，該模組化電子運算單元通過該服務導向軟體單元接收並處理該等環境資訊而據此控制該等全向輪單元，且各個該等單元皆為可替換之模組化單元。
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