TWI457737B - 機器人開發系統 - Google Patents

Description

機器人開發系統

本發明是有關於一種機電系統，且特別是有關於一種用於機器人模組設計的機器人開發系統。

隨著科技的進步，對於機器人的研究也隨著經驗的累積越來越深入，而對於機器人的開發則是越來越多人有興趣去研究與探討的一個項目。但是機器人的研發除了軟體上的控制程式撰寫外，更需要精密的機電系統做為硬體上的配合，使得對此領域的跨入門檻相對於其他研究領域高出許多。LEGO mindstorms NXT為樂高(LEGO)公司所推出的一種機器人設計平台，其提供了數個模組化的感測器、致動器以及控制程式，使得簡單的機器人設計能夠更為普及，並且使一般有興趣的人不需要有太多的背景技術也可完成簡單的機器人設計。

然而，樂高公司的NXT機器人設計平台仍為一個以娛樂為主要用途的產品，因此其所提供的運算能力與傳輸速度以及擴充性與應用性皆有所侷限，換句話說，若是在中高階的機器人開發中，NXT機器人設計平台所提供的性能是遠遠不足的，以致於在中高階的機器人設計與教學研究中，仍無一種高自由度的模組化機器人開發系統，以利中高階機器人的開發與建置。

本發明提供一種機器人開發系統，其具有高運算能力、高傳輸速度以及高擴充性的特性，並且為一個模組化的機電系統，使中高階機器人模組開發者能夠省去研發過程中機電系統建置所需耗費的時間與精力。

本發明提出一種機器人開發系統，包括電源模組、控制模組、訊號分配模組以及功能模組。電源模組用以提供機器人開發系統運作所需的工作電壓，並且根據機器人開發系統的工作狀態進行電源管理。控制模組耦接電源模組，其用以根據程式指令產生對應的控制訊號，其中控制訊號藉由控制模組中的傳輸埠進行傳遞。訊號分配模組耦接電源模組與控制模組，其用以將傳輸埠轉換為多個通用訊號傳輸介面，並且將控制訊號以及電源模組所提供的工作電壓分配至對應的通用訊號傳輸介面。功能模組耦接訊號分配模組，包括至少一個功能元件，其中功能元件透過對應的通用訊號傳輸介面接收控制訊號，並且根據控制訊號，進行對應的功能操作。

在本發明之一實施例中，機器人開發系統更包括無線通訊模組，其耦接電源模組以及控制模組，用以無線傳送或接收程式指令。

在本發明之一實施例中，控制模組更包括場可程式化邏輯閘陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)以及即時處理單元，其中控制模組根據場可程式化邏輯閘陣列與即時處理單元，使傳輸埠所傳輸的控制訊號具有高傳輸速度的特性，並對各該些模組進行實時(real-time)控制。

在本發明之一實施例中，控制模組更包括RS232傳輸介面、通用序列匯流排(Universal Serial Bus,USB)以及控制器區域網路匯流排(Controller Area Network Bus,CAN Bus)。

在本發明之一實施例中，控制訊號為數位輸入/輸出(Digital Input/Output,DIO)訊號。

在本發明之一實施例中，電源模組更包括第一繼電器、第二繼電器以及電源檢測單元。第一繼電器用以控制電源模組對功能元件提供第一電壓規格以及第二電壓規格的工作電壓。第二繼電器用以控制電源模組對功能元件提供驅動電壓規格的工作電壓。電源檢測單元用以檢測機器人開發系統的電源數據，並且根據所量測到的電源數據，令該控制模組發送一電源保護的控制訊號，使該電源模組進行一電源保護機制，其中電源數據為機器人開發系統的總電流或總電壓。

在本發明之一實施例中，電源保護機制包括當電源數據超過臨界範圍時，根據電源保護的控制訊號，強制電源模組斷開第二繼電器，以停止電源模組提供驅動電壓規格的工作電壓。

在本發明之一實施例中，功能元件包括直流馬達控制單元，用以根據控制訊號驅動直流馬達，其中控制訊號為直流馬達驅動訊號。

在本發明之一實施例中，直流馬達控制模組更包括狀態感測器以及功能擴充單元。狀態感測器用以根據直流馬達的運轉狀態，回傳直流馬達的運轉速度與位置的數據。功能擴充單元包括至少一個通用訊號傳輸介面，用以耦接位置感測器且/或溫度感測器。

在本發明之一實施例中，控制模組根據狀態感測器所回傳的直流馬達的運轉速度與位置的數據，進行回授控制。

在本發明之一實施例中，直流馬達控制單元更包括直流馬達控制器，用以根據狀態感測器所回傳的直流馬達運行速度與位置的數據，進行回授控制。

在本發明之一實施例中，位置感測器為光阻斷器(Photo interrupter)、霍爾感測器(Hall-effect sensor)或近接開關(Limit switch)。

在本發明之一實施例中，功能元件更包括伺服馬達控制單元，其用以根據控制訊號驅動多個伺服馬達，其中控制訊號包括伺服馬達驅動訊號以及伺服馬達電源訊號。

在本發明之一實施例中，功能元件更包括數位感測單元，其用以根據感測條件，對週遭環境進行感測，並透過對應的通用訊號傳輸介面回傳數位感測訊號至控制模組，使控制模組根據數位感測訊號與對應的程式指令，產生對應的控制訊號。

在本發明之一實施例中，數位感測單元包括超音波感測器、溫度感測器或接觸感測器。

在本發明之一實施例中，功能元件更包括介面轉換單元，其用以將通用訊號傳輸介面轉換為多個序列周邊介面(Serial Peripheral Interface,SPI)匯流排或多個I2C匯流排。

在本發明之一實施例中，功能元件更包括數位類比轉換單元，其用以將通用訊號傳輸介面轉換為多個類比訊號傳輸介面。

在本發明之一實施例中，功能元件更包括類比感測單元。類比感測單元耦接數位類比轉換單元，並且用以根據感測條件，對週遭環境進行感測，以及透過對應的類比訊號傳輸介面回傳類比感測訊號至控制模組，使控制模組根據類比感測訊號與對應的程式指令，產生對應的控制訊號。

在本發明之一實施例中，類比感測單元包括測距儀(IR ranger)、慣性量測單元(Inertial Measurement Unit,IMU)、水平儀(inclinometer)、數位羅盤(digital compass)、力量感測器(force sensor)、一壓力感測器(pressure sensor)以及一應變規(strain gauge)至少其中之一。

基於上述，本發明實施例之機器人開發系統，提供了一個中高階的機器人開發平台，其利用訊號分配模組所提供的高擴充相容性以及控制模組所提供的高運算能力與傳輸速度等效能，以對各功能元件進行更為複雜的動作控制或邏輯反應作動。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

在本發明之實施例所提出的機器人開發系統，提供了一種高擴充性與高效能的機器人開發平台，使得開發者可以根據所述之機器人開發系統設計進行更中高階的機器人設計。為了使本發明之內容更容易明瞭，以下特舉實施例作為本發明確實能夠據以實施的範例。另外，凡可能之處，在圖式及實施方式中使用相同標號的元件/構件/步驟代表相同或類似部分。

圖1繪示依照本發明一實施例之機器人開發系統的示意圖。請參照圖1，機器人開發系統100包括電源模組110、控制模組120、訊號分配模組130、功能模組140以及無線通訊模組150，其中控制模組120具有多個傳輸埠t_1、t_2、...、t_m，訊號分配模組130具有多個通用訊號傳輸介面u_1、u_2、...、u_n，功能模組140包括至少一個功能元件142_1，以及多個可安裝於功能模組140中的功能元件142_2、142_3、...、142_n。電源模組110耦接控制模組120、訊號分配模組130以及無線通訊模組150，用以提供控制模組120所需的工作電壓V_ctl、無線通訊模組所需的工作電壓V_com以及功能模組140所需的工作電壓V_fcnt，並且根據機器人開發系統100的工作狀態進行電源管理。

控制模組120耦接訊號分配模組130與無線通訊模組150，當控制模組120自無線通訊模組150接收到程式指令P時，控制模組120根據程式指令P產生對應的控制訊號CS，並且利用控制模組120上的傳輸埠t_1、t_2、...、t_m中之對應的傳輸埠進行控制訊號CS的傳遞，其中控制訊號CS係根據開發者所設計之控制程式及其程式指令P進行對應的運算而得，其中控制模組120更傳輸控制訊號CS_P以控制電源模組110的工作狀態。另一方面，控制模組120亦可自訊號分配模組130接收功能模組140所回傳的控制訊號CS，再根據控制訊號CS產生對應的程式指令P並透過無線通訊模組發送，或產生對應的另一控制訊號，再透過訊號分配模組使得功能模組140得以根據所回傳的控制訊號CS進行對應的操作。

訊號分配模組130耦接電源模組110與控制模組120，用以將控制模組120的多個傳輸埠t_1、t_2、...、t_m轉換為可與功能模組直接連接的多個通用訊號傳輸介面u_1、u_2、...、u_n，並且訊號分配模組130將電源模組110所提供的工作電壓V_fcnt分配至對應的通用訊號傳輸介面u_1、u_2、...、u_n，以驅動功能元件142_1、142_2、...、142_n。對應於控制訊號CS的功能元件142_1則透過通用訊號傳輸介面u_1、u_2、...、u_n中之對應的通用訊號傳輸介面接收控制訊號CS，並根據控制訊號CS進行對應的功能操作，其中控制模組120亦可根據多個程式指令對功能元件下達多個控制訊號，以同時對多個功能元件進行控制，或對同一功能元件以多個控制訊號進行高複雜度的控制程序。無線通訊模組150在機器人開發系統100中，則用以無線傳送或接收程式指令P。

圖2繪示依照圖1實施例之機器人開發系統的功能元件控制的示意圖。請參閱圖2，舉例來說，開發者可根據其機器人模組設計的需求，在控制模組120中寫入控制程式，並且將所需的功能元件142_1連接於訊號分配模組130的通用訊號傳輸介面u_1上，當使用者想要對功能元件142_1進行控制時，其藉由電腦或遙控裝置對機器人開發系統100下達一個對應的程式指令P1，無線通訊模組150接收程式指令P1並將程式指令P1傳送至控制模組120，使得控制模組120根據控制程式產生對應的控制訊號CS1與控制訊號CS2。接著，控制訊號CS1與控制訊號CS2分別透過控制模組120的傳輸埠t_1與傳輸埠t_2傳遞至訊號分配模組130，訊號分配模組130將控制訊號CS1與控制訊號CS2以及所需的工作電壓V_fcnt分配至對應的通用訊號傳輸介面u_1及其所對應連接的功能元件142_1，使功能元件142_1根據控制訊號CS1與控制訊號CS2進行對應的功能操作，進而達到機器人模組的功能控制。

請參閱圖1與圖2，圖2之實施例揭示了功能元件142_1的控制流程，由此可知，當功能模組140具有多個功能元件142_1、142_2、...、142_n時，圖1所示之控制訊號CS就不僅只代表對應功能元件142_1的控制訊號，而是可進一步地表示控制模組120與訊號分配模組130間，以及訊號分配模組130與功能模組140間，對應於多個功能元件142_1、142_2、...、142_n的多個控制訊號CS(故以粗箭頭表示之，程式指令P亦表示可包括不只單一個程式指令)。

因此，請再參閱圖1，由於訊號分配模組130將控制模組120的傳輸埠t_1、t_2、...、t_m分配為多個標準化的通用訊號傳輸介面u_1、u_2、...、u_n，相較於習知的機器人開發平台僅具有數個傳輸介面以提供功能模組進行使用，本實施例之機器人開發系統100具有更高的功能擴充性。此外，由於訊號分配模組130將控制模組120的傳輸埠進一步地標準化為多個通用訊號傳輸介面，因此本實施例之機器人開發系統100相較於習知的機器人開發平台更利於進行機器人的模組化設計。

以下再舉一實施例以更清楚的說明本發明之機器人開發系統100。圖3繪示依照本發明另一實施例之機器人開發系統的示意圖。請參照圖3，在本實施例中，無線通訊模組150係根據IEEE 802.11b(Wi-Fi)的通訊標準進行程式指令的無線傳輸，以使所開發之機器人模組具有較遠的操控距離。然而，無線通訊模組150亦可根據其他IEEE.802.11的通訊標準或藍芽(Bluetooth)通訊標準進行程式指令的無線傳輸，本發明不以此為限。

控制模組120包括場可程式化邏輯閘陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)200、即時處理單元202、RS232傳輸介面204、通用序列匯流排(Universal Serial Bus,USB)206以及控制器區域網路匯流排(Controller Area Network Bus,CAN Bus)208，其中本實施例之控制模組120更包括可傳輸96個控制訊號CS1~CS96的傳輸埠t_1~t_96。然而，此僅為本實施例之控制模組120的一個實施規格，本發明不以此為限。

控制模組120內建的RS232傳輸介面204、通用序列匯流排206以及控制器區域網路匯流排208可根據機器人開發者的需求，用以與模組化的全球定位系統(GPS)、視覺系統、雷射測距系統(Laser Rangefinder)等具有上述傳輸介面的功能元件進行連接。

此外，控制模組120的傳輸埠t95以及傳輸埠t96用以傳輸控制訊號CS95、CS96以控制電源模組110的操作，根據場可程式化邏輯閘陣列200與即時處理單元202，使傳輸埠t_1~t_96所傳輸的控制訊號CS1~CS96具有高傳輸速度的特性，並對各模組進行實時(real-time)控制，使得整體機器人開發系統100相較於習知的機器人開發平台，具有更高的運算能力與更快的傳輸速度以及控制反應，進而能夠負荷較中高階的機器人模組設計所需進行的大量控制程式運算，其中控制模組120所需的工作電壓介於19V到30V之間。在本實施例中，控制模組120可為美國國家儀器公司(National Instruments)所生產的Single Board RIO任一系列的嵌入式介面卡。

電源模組110包括第一繼電器210、第二繼電器212以及電源檢測單元214，電源模組110除了分別提供控制模組120與無線通訊模組150所需的工作電壓V_ctl與V_com外，其更依據功能元件142_1~142_12預設的電壓規格需求，提供不同的工作電壓V_fcnt。其中，第一繼電器210係用以控制電源模組110對功能模組140中之功率消耗較低的功能元件(例如數位感測單元142_3~142_5或類比感測單元142_7~142_12)提供具有第一電壓規格以及第二電壓規格的工作電壓V_fcnt，而第二繼電器212則用以控制電源模組110對功能模組140中之高功率消耗的功能元件(例如直流馬達控制單元142_1)提供具有驅動電壓規格的工作電壓V_fcnt。在本實施例中，所述之第一電壓規格與第二電壓規格的工作電壓V_fcnt可分別為5V與12V，而驅動電壓規格的工作電壓V_fcnt為電源模組110所能提供之最大電壓，在此可為22.2V，然而第一電壓規格、第二電壓規格以及驅動電壓規格可視不同的功能元件的需求而有所改變，本發明不以此為限。

電源檢測單元214用以檢測機器人開發系統100的電源數據，並且根據所檢測到的電源數據，令控制模組120發送一電源保護的控制訊號CS_95(亦可為控制訊號CS_96，視開發者設計決定)，使電源模組110進行電源保護機制，其中電源數據為機器人開發系統100的總電流或總電壓。換言之，當電源檢測單元214檢測到電源數據超過一個預設的臨界範圍時，控制模組120發出電源保護的控制訊號CS_95至電源模組110，使得電源模組110根據電源保護的控制訊號CS_95，強制斷開第二繼電器212，以停止電源模組110提供驅動電壓規格的工作電壓V_fcnt。此外，在本實施例的電源模組110中，亦可利用保險絲對電源模組110進行短路(short circuit)保護。

本實施例之電源模組110提供較高的系統運作電壓，因此可供應具有多個功能元件142_1~142_12的功能模組140使用，以進行較複雜與較大型的機器人設計。此外，電源模組110藉由控制模組120的控制訊號CS95與控制訊號CS96操作第一繼電器210與第二繼電器212，因此可以節省控制程式測試時的電源損耗，以及作為遠端程式操控的緊急開關使用。

在本實施例中，訊號分配模組130將傳輸埠t_1~t_94轉換為11個通用訊號傳輸介面u_1~u_11與1個特殊訊號傳輸介面s_1，其中每1個通用訊號傳輸介面u_1~u_11由8個傳輸埠所組成，因此1個通用訊號傳輸介面可傳輸8個控制訊號，例如通用訊號傳輸介面u_1傳輸控制訊號CS1~CS8、通用訊號傳輸介面u_2傳輸控制訊號CS9~CS16...以此類推。特殊訊號傳輸介面s_1只傳輸6個控制訊號CS89~CS94，並作為特殊用途的連接介面。然而，本實施例之訊號分配方法(8個傳輸埠轉換為1個通用訊號傳輸介面)僅為更清楚地說明本發明的訊號分配模組130的架構，在其他實施例中，亦可有其他訊號分配方式，本發明不以此為限。

此外，由於訊號分配模組130的通用訊號傳輸介面u_1~u_11以及特殊訊號傳輸介面s_1與控制模組120的傳輸埠t_1~t_96間的訊號傳輸皆以數位輸入/輸出(Digital Input/Output,DIO)訊號直接進行分配與傳輸，而不再藉由特定的匯流排(例如CANBus、Ethernet等)進行各模組間的訊號傳輸，因此使得機器人開發系統100所傳輸的控制訊號CS1、CS2、...CS96不會因為模組間的訊號傳輸轉換而造成了控制訊號CS1~CS96的傳輸速度下降。

通用訊號傳輸介面u_1~u_11與功能元件142_1~142_7的耦接，可藉由多個16針腳的插座排線與對應的功能元件142_1~142_7連接的方式實現，其中以8個控制訊號搭配工作電壓V_fcn作為連接功能元件142_1~142_7的標準規格，例如第一組16針腳的插座排線上之第1~4針腳輸入5V的工作電壓V_fcn1，第5~8針腳輸入接地電壓，第9~16針腳輸入控制訊號CS1~CS8，以此類推，然而本發明不以此為限。而特殊訊號傳輸介面s_1則可藉由10針腳的插座排線與對應的功能元件進行連接。

在機器人開發系統100中，功能模組140包括功能元件142_1~142_12，其中功能元件142_1~142_12的選擇係根據機器人開發者對於其所開發之機器人模組的功能需求，進一步地選擇所需的功能元件142_1~142_12。在本實施例中提出數個模組化的功能元件142_1~142_12的實施例，然而，本發明實施例之機器人開發系統100更可依據不同的需求開發其他模組化的功能元件，並且以本發明實施例之機器人開發系統100進一步地對所開發之功能元件進行控制，本發明不僅限於此。

在本實施例中，功能元件142_1~142_12分別包括直流馬達控制單元142_1、伺服馬達控制單元142_2、數位感測單元142_3~142_5、介面轉換單元142_6、數位類比轉換單元142_7以及類比感測單元142_8~142_12。

在一般的機器人模組設計中，機器人模組的行進動作通常是利用直流馬達進行驅動。因此，在機器人開發系統100中，提供一個模組化的直流馬達控制單元142_1用以根據控制訊號CS1~CS8驅動直流馬達222，其中由於直流馬達222的電力需求較大，因此在本實施例中，直流馬達控制單元142_1直接耦接電源模組110，以接收自第二繼電器212所輸出之具有驅動電壓規格的工作電壓V_fcnt，然而本發明不以此為限。

直流馬達控制單元142_1包括狀態感測器216以及功能擴充單元220，耦接對應的通用訊號傳輸介面u_1，其中直流馬達控制器216利用直流馬達驅動訊號(控制訊號)CS1~CS4控制直流馬達222的運轉狀態，控制訊號CS5、CS6則用以回傳狀態感測器216所感測到的直流馬達222的運轉狀態，而控制訊號CS7、CS8分配給功能擴充單元220中的通用訊號傳輸介面v_1。

在本實施例中，狀態感測器216根據直流馬達222的運轉狀態(例如直流馬達222的轉角量值)，回傳控制訊號CS5、CS6至控制模組120，使得控制模組120根據控制訊號CS5、CS6決定直流馬達驅動訊號CS1~CS4，並將直流馬達驅動訊號CS1~CS4傳輸至直流馬達控制單元142_1，以完成直流馬達222閉迴路的回授控制，其中狀態感測器216可為編碼器(encoder)、電位計(potentiometer)或速度計(techometer)。

此外，由於在機器人模組的設計中，機器人模組的行進作動往往需要高精密度的計算以及控制，所以本發明的機器人開發系統在一些實施例中，所述之直流馬達控制單元142_1可更類似於一個子控制模組，其利用直流馬達控制器進一步地針對直流馬達的作動進行控制運算，因此，直流馬達控制訊號並非在控制模組中即進行控制運算，而是將程式指令所要求的作動再進一步地傳輸至直流馬達控制單元進行運算。

功能擴充單元220包括通用訊號傳輸介面v_1，用以連接位置感測器224，其中位置感測器224在本實施例中可為光阻斷器(Photo interrupter)、霍爾感測器(Hall-effect sensor)或近接開關(Limit switch)。在其他實施例中，功能擴充單元220可以具有一個以上的通用訊號傳輸介面以連接位置感測器224或溫度感測器，或者同時連接位置感測器224與溫度感測器，並進一步地根據感測數據對直流馬達222進行回授控制。

伺服馬達控制單元142_2耦接對應的通用訊號傳輸介面u_2，其係用以根據外部電源(此處指非電源模組110所提供之任一符合伺服馬達控制單元142_2的工作電壓規格之電源)與控制訊號CS9~CS16驅動多個伺服馬達226_1~226_7，其中伺服馬達驅動訊號(控制訊號)CS9~CS15用以控制伺服馬達226_1~226_7的運轉狀態，而伺服馬達電源訊號CS16則用以控制外部電源的開關，換言之，當伺服馬達控制單元142_2接收到伺服馬達電源訊號CS16時，外部電源才開啟電源供應。在本實施例中，伺服馬達控制單元142_2可以控制7個伺服馬達226_1~226_7，然而本發明不以此為限。

數位感測單元142_3~142_5係用以根據不同的感測條件對週遭環境進行感測，並透過對應的通用訊號傳輸介面回傳數位感測訊號至控制模組120，使控制模組120根據數位感測訊號與對應的程式指令，產生對應的控制訊號，其中數位感測單元142_3~142_5包括超音波感測器142_3、溫度感測器142_4以及接觸感測器142_5分別耦接對應的通用訊號傳輸介面u_3、通用訊號傳輸介面u_4以及通用訊號傳輸介面u_5，使得機器人開發系統100得以根據超音波、溫度以及接觸狀況等的感測條件，對所開發之機器人模組進行控制。

介面轉換單元142_6係用以將該些通用訊號傳輸介面轉換為多個序列周邊介面(Serial Peripheral Interface,SPI)匯流排或多個I2C匯流排，使其他具有不同連接介面形式(例如SPI匯流排或I2C匯流排)的模組化功能元件也可以應用在本實施例之機器人開發系統100上，以提升機器人開發系統100的擴充相容性。

數位類比轉換單元142_7耦接對應的通用訊號傳輸介面u_7，其係用以將通用訊號傳輸介面u_7轉換為多個類比訊號傳輸介面，在本實施例中，數位類比轉換單元142_7可將通用訊號傳輸介面u_7轉換為16個類比訊號傳輸介面a_1~a_16。

因此，類比感測單元142_8~142_12得以透過類比訊號傳輸介面a_1~a_16回傳類比感測訊號至控制模組120，使控制模組120進行對應的功能操作。換言之，類比感測單元142_8~142_12耦接數位類比轉換單元142_7，並根據不同的感測條件對週遭環境進行感測，並透過對應的類比傳輸介面a_1~a_16回傳類比感測訊號至控制模組120，使控制模組120根據類比感測訊號與對應的程式指令，產生對應的控制訊號。

在本實施例中，類比感測單元142_8~142_12包括測距儀(IR ranger)142_8、慣性量測單元(Inertial Measurement Unit,IMU)142_9、水平儀(inclinometer)142_10、數位羅盤(digital compass)142_11以及力量感測器(force sensor)142_12分別耦接對應的類比訊號傳輸介面a_1~a__5以回傳距離、慣性、水平傾斜狀態、方向狀態以及施力狀態等感測數據至控制模組120，使控制模組120可根據所接收到之感測數據，對各功能元件進行對應的控制。此外，在其他實施例中，類比感測單元亦可為壓力感測器(pressure sensor)或應變規(strain gauge)，本發明不以此為限。

最後，未連接功能元件的通用訊號傳輸介面u_8~u_11則可作為可擴充的備用輸入端，用以根據開發者的需求增加所需的功能元件。

值得注意的是，上述實施例所提供之各功能元件142_1~142_12僅為方便機器人開發系統100的說明而所舉之範例，實際上本發明實施例之機器人開發系統提供了極高的功能模組自由度(亦即具有極高的功能元件擴充性，可搭配出具有多種不同功能的功能模組)，使得開發者可以根據需求自行決定功能模組中之各功能元件以及傳輸介面形式。並且，由於本發明實施例之機器人開發系統100所提供之功能元件擴充性，可使得根據本發明實施例之機器人開發系統100所開發出的機器人模組具有相當高的自由度，因此可提供給高階使用者或較為深入之機器人教學研究所使用。

綜上所述，本發明實施例之機器人開發系統，提供了一個中高階的機器人開發平台，其利用訊號分配模組所提供的高擴充相容性以及控制模組所提供的高運算能力與高傳輸速度等效能，以進行更為複雜的動作控制或邏輯反應作動，並且搭配可根據開發者需求的所決定之功能模組，使機器人模組的開發得以更為方便、更為適用於中高階機器人模組的開發與研究。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100．．．機器人開發系統

110．．．電源模組

120．．．控制模組

130．．．訊號分配模組

140．．．功能模組

142_1．．．功能元件(直流馬達控制單元)

142_2．．．功能元件(伺服馬達控制單元)

142_3~142_5．．．功能元件(數位感測單元)

142_6．．．功能元件(介面轉換單元)

142_7．．．功能元件(數位類比轉換單元)

142_8~142_12．．．功能元件(類比感測單元)

150．．．無線通訊模組

200．．．場可程式化邏輯閘陣列

202．．．即時處理單元

204．．．RS232傳輸介面

206．．．通用序列匯流排

208．．．控制器區域網路匯流排

210．．．第一繼電器

212．．．第二繼電器

214．．．電源檢測單元

216．．．狀態感測器

220．．．功能擴充單元

222．．．直流馬達

224．．．位置感測器

226_1~226_7．．．伺服馬達

a_1~a_16．．．類比訊號傳輸介面

CS1~CS96．．．控制訊號

FPGA．．．場可程式化邏輯閘陣列

s_1．．．特殊訊號傳輸介面

t_1~t_96．．．傳輸埠

u_1~u_11．．．通用訊號傳輸介面

v_1．．．通用訊號傳輸介面

V_com．．．工作電壓

V_ctl．．．工作電壓

V_fcnt．．．工作電壓

V_fcn．．．工作電壓

V_fcn1~V_fcn11．．．工作電壓

圖1繪示依照本發明一實施例之機器人開發系統的示意圖。

圖2繪示依照圖1實施例之機器人開發系統的功能元件控制的示意圖。

圖3繪示依照本發明另一實施例之機器人開發系統的示意圖。

100．．．機器人開發系統

110．．．電源模組

120．．．控制模組

130．．．訊號分配模組

140．．．功能模組

142_1、142_2、...、142_n．．．功能元件

150．．．無線通訊模組

t_1、t_2、...、t_m．．．傳輸埠

u_1、u_2、...、u_n．．．通用訊號傳輸介面

Claims (19)

1. 一種機器人開發系統，包括：一電源模組，用以提供該機器人開發系統運作所需的工作電壓，並且根據該機器人開發系統的工作狀態進行電源管理；一控制模組，耦接該電源模組，用以根據一程式指令產生對應的一控制訊號，其中該控制訊號藉由該控制模組中的多個傳輸埠進行傳遞；一訊號分配模組，耦接該電源模組與該控制模組，用以將該些傳輸埠轉換為多個通用訊號傳輸介面，並且將該控制訊號以及該電源模組所提供的工作電壓分配至對應的該些通用訊號傳輸介面；以及一功能模組，耦接該訊號分配模組，包括至少一功能元件，其中該至少一功能元件透過對應的該些通用訊號傳輸介面接收該控制訊號，並且根據該控制訊號，進行對應的功能操作，其中該些傳輸埠與該些通用訊號傳輸介面應用相同的訊號格式進行訊號傳輸。
2. 如申請專利範圍第1項所述之機器人開發系統，更包括：一無線通訊模組，耦接該電源模組以及該控制模組，用以無線傳送或接收該程式指令。
3. 如申請專利範圍第1項所述之機器人開發系統，其 中該控制模組更包括：一場可程式化邏輯閘陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)；以及一即時處理單元，其中該控制模組根據該場可程式化邏輯閘陣列與該即時處理單元，使該些傳輸埠所傳輸的該控制訊號具有高傳輸速度的特性，並對各該些模組進行實時(real-time)控制。
4. 如申請專利範圍第1項所述之機器人開發系統，其中該控制模組更包括一RS232傳輸介面、一通用序列匯流排(Universal Serial Bus,USB)以及一控制器區域網路匯流排(Controller Area Network Bus,CAN Bus)。
5. 如申請專利範圍第1項所述之機器人開發系統，其中該控制訊號為一數位輸入/輸出(Digital Input/Output,DIO)訊號。
6. 如申請專利範圍第1項所述之機器人開發系統，其中該電源模組更包括：一第一繼電器，用以控制該電源模組對該至少一功能元件提供一第一電壓規格以及一第二電壓規格的工作電壓；一第二繼電器，用以控制該電源模組對該至少一功能元件提供一驅動電壓規格的工作電壓；以及一電源檢測單元，用以檢測該機器人開發系統的一電源數據，並且根據所檢測到的該電源數據，令該控制模組發送一電源保護的控制訊號，使該電源模組進行一電源保 護機制，其中該電源數據為該機器人開發系統的總電流或總電壓。
7. 如申請專利範圍第6項所述之機器人開發系統，其中該電源保護機制包括：當該電源數據超過一臨界範圍時，根據該電源保護的控制訊號，強制該電源模組斷開該第二繼電器，以停止該電源模組提供該驅動電壓規格的工作電壓。
8. 如申請專利範圍第1項所述之機器人開發系統，其中該至少一功能元件包括：一直流馬達控制單元，用以根據該控制訊號驅動一直流馬達，其中該控制訊號為一直流馬達驅動訊號。
9. 如申請專利範圍第8項所述之機器人開發系統，其中該直流馬達控制單元更包括：一狀態感測器，用以根據該直流馬達的運轉狀態，回傳該直流馬達的運轉速度與位置的數據；以及一功能擴充單元，包括至少一個該些通用訊號傳輸介面，用以耦接一位置感測器且/或一溫度感測器。
10. 如申請專利範圍第9項所述之機器人開發系統，其中該控制模組根據該狀態感測器所回傳的該直流馬達的運轉速度與位置的數據，進行一回授控制。
11. 如申請專利範圍第9項所述之機器人開發系統，其中該直流馬達控制單元更包括一直流馬達控制器，用以根據該狀態感測器所回傳的直流馬達運行速度與位置的數據，進行一回授控制。
12. 如申請專利範圍第9項所述之機器人開發系統，其中該狀態感測器包括一編碼器(encoder)、一電位計(potentiometer)或一速度計(techometer)；以及該位置感測器包括一光阻斷器(Photo interrupter)、一霍爾感測器(Hall-effect sensor)或一近接開關(Limit switch)。
13. 如申請專利範圍第1項所述之機器人開發系統，其中該至少一功能元件更包括：一伺服馬達控制單元，用以根據該控制訊號驅動多個伺服馬達，其中該控制訊號包括一伺服馬達驅動訊號以及一伺服馬達電源訊號。
14. 如申請專利範圍第1項所述之機器人開發系統，其中該至少一功能元件更包括：一數位感測單元，用以根據一感測條件，對週遭環境進行感測，並透過對應的該些通用訊號傳輸介面回傳一數位感測訊號至該控制模組，使該控制模組根據該數位感測訊號與對應的該些程式指令，產生對應的該控制訊號。
15. 如申請專利範圍第14項所述之機器人開發系統，其中該數位感測單元包括一超音波感測器、一溫度感測器或一接觸感測器。
16. 如申請專利範圍第1項所述之機器人開發系統，其中該至少一功能元件更包括：一介面轉換單元，用以將該些通用訊號傳輸介面轉換為多個序列周邊介面(Serial Peripheral Interface,SPI)匯流 排或多個I2C匯流排。
17. 如申請專利範圍第1項所述之機器人開發系統，其中該至少一功能元件更包括：一數位類比轉換單元，用以將該些通用訊號傳輸介面轉換為多個類比訊號傳輸介面。
18. 如申請專利範圍第17項所述之機器人開發系統，其中該至少一功能元件更包括：一類比感測單元，耦接該數位類比轉換單元，用以根據一感測條件，對週遭環境進行感測，並透過對應的該些類比訊號傳輸介面回傳一類比感測訊號至該控制模組，使該控制模組根據該類比感測訊號與對應的該些程式指令，產生對應的該控制訊號。
19. 如申請專利範圍第18項所述之機器人開發系統，其中該類比感測單元包括一測距儀(IR ranger)、一慣性量測單元(Inertial Measurement Unit,IMU)、一水平儀(inclinometer)、一數位羅盤(digital compass)、一力量感測器(force sensor)、一壓力感測器(pressure sensor)以及一應變規(strain gauge)至少其中之一。