TWM647348U

TWM647348U - 自主機器人

Info

Publication number: TWM647348U
Application number: TW112208064U
Authority: TW
Inventors: 鄭育旻; 黃品勛; 輝煌梁; 楊凱閔; 邱振益; 和成黃
Original assignee: 新漢智能系統股份有限公司
Priority date: 2023-07-31
Filing date: 2023-07-31
Publication date: 2023-10-11

Abstract

一種自主機器人，且自主機器人包括本體、複數個影像擷取設備、現場可編程門陣列及驅動模組。本體包括用以移動的移動設備，且複數個影像擷取設備配置於本體。影像擷取設備分別擷取本體周遭的複數個影像，以分別提供複數個影像訊號。現場可編程門陣列耦接影像擷取設備，且基於影像訊號規劃導航路徑，以基於導航路徑提供第一控制訊號。驅動模組接收第一控制訊號，以基於第一控制訊號驅動移動設備。

Description

自主機器人

本申請係涉及一種自主機器人，尤指一種具有多影像輸入的自主機器人。

由於現今的社會中，重複性高的或低技術門檻的工作逐漸被自主機器人取代。因此，越來越多針對自主機器人的研究及應用，尤其是在自主機器人的控制架構上，更是現今自主機器人的研究重點。舉例而言，如圖1A所示為習知的自主機器人使用x86平台的控制方塊的電路方塊圖。以使用行動產業處理器接口MIPI的影像擷取設備2在x86平台300當作例子，x86平台300本身支援行動產業處理器接口MIPI的數量較少或甚至沒有，常需要額外的晶片來將行動產業處理器接口MIPI介面轉換成x86平台300或自主機器人100能接收的介面(例如PCIe的介面)。然後，再通過控制晶片302來對PCIe介面的訊號進行處理。因此，需要耗費許多時間與人力成本來做介面轉換外，還需要使用額外的控制晶片302來進行處裡。另一方面，要完成自主機器人100視覺導航與避障的功能，是需要透過AI功能來輔助達成的，x86平台300目前的做法都是需要增加額外的人工智慧引擎32來達成。因此，造成無法降低自主機器人建構成本，且縮小自主機器人的電路體積的狀況。

另外一方面，如圖1B所示為習知的自主機器人使用原始架構的控制方塊的電路方塊圖。一般自主機器人100的原始架構400，通常網路輸入/輸出端口會較多，且不含人工智慧引擎32的功能。但是，在多影像擷取設備2的需求下，網路輸入/輸出端口仍有機會不夠。所以，需藉由外部的現場可編程門陣列3，先將多個影像擷取設備2的資料接收進來，並透過現場可編程門陣列3的人工智慧引擎32來完成AI功能。然後，再通過控制晶片402來對網路輸入/輸出端口的訊號進行處理。由於自主機器人100的算力不一定能滿足AI功能的需求，可編程門陣列3需要再將AI推論的結果送到控制晶片402處理。因此，此架構不但需要使用額外的控制晶片402來進行處裡，造成自主機器人100成本增加外，還需要額外的時間與人力來開發現場可編程門陣列3的功能。因此，同樣無法降低自主機器人建構成本，且縮小自主機器人的電路體積。

由於目前自主機器人100主要是以x86平台300或自主機器人100的原始架構400為主，且通常搭配雷射探測與測距來完成自主機器人100的導航與避障。但是，隨著計算機視覺快速的發展，利用視覺取代雷射探測與測距來完成導航與避障的功能是有需求的。由於視覺衍生出來的場景應用也會越來越多，故自主機器人100上面需要搭配的影像擷取設備2數量也會越來越多。

所以，如何設計出一種具有多影像輸入的自主機器人，以降低自主機器人建構成本，縮小自主機器人的電路體積，乃為本案創作人所欲行研究的一大課題。

為了解決上述問題，本創作係提供一種具有多影像輸入的自主機器人，以克服習知技術的問題。因此，本創作的自主機器人包括本體、複數個影像擷取設備、現場可編程門陣列及驅動模組。本體包括用以移動的移動設備。影像擷取設備配置於本體，且影像擷取設備分別擷取本體周遭的複數個影像，以分別提供複數個影像訊號。現場可編程門陣列耦接影像擷取設備，且基於影像訊號規劃導航路徑，以基於導航路徑提供第一控制訊號。驅動模組接收第一控制訊號，以基於第一控制訊號驅動移動設備。

於一實施例中，自主機器人更包括複數個感測器。感測器配置於本體，且用以偵測本體碰撞或接近異物而提供第二控制訊號。其中，現場可編程門陣列基於第二控制訊號調整第一控制訊號，以通過調整導航路徑而控制本體遠離異物。

於一實施例中，感測器係通過RS485介面耦接現場可編程門陣列。

於一實施例中，自主機器人更包括輸入/輸出設備，輸入/輸出設備耦接現場可編程門陣列。其中，現場可編程門陣列包括用以操控自主機器人運作的運作參數，且現場可編程門陣列用以通過與輸入/輸出設備相互傳輸傳輸訊號，以基於傳輸訊號調整運作參數，且將運作參數顯示於輸入/輸出設備。

於一實施例中，輸入/輸出設備與現場可編程門陣列係通過無線傳輸的方式傳輸傳輸訊號。

於一實施例中，自主機器人更包括傳輸設備，且傳輸設備耦接控制設備與現場可編程門陣列。其中，現場可編程門陣列包括用以操控自主機器人運作的運作參數，且現場可編程門陣列用以通過傳輸設備來與控制設備相互傳輸傳輸訊號，以基於傳輸訊號調整運作參數，且將運作參數通過傳輸設備提供至控制設備。

於一實施例中，傳輸設備為Wi-Fi設備。

於一實施例中，自主機器人更包括電池控制模組，且電池控制模組耦接電池與現場可編程門陣列。其中，現場可編程門陣列基於電池的電池電量規劃對電池充放電的充放電排程，且基於充放電排程調整第一控制訊號，以調整導航路徑。

於一實施例中，電池控制模組係通過RS485介面耦接現場可編程門陣列。

於一實施例中，影像擷取設備係分別通過複數個行動產業處理器接口耦接現場可編程門陣列。

本創作之主要目的及功效在於，由於本揭露係利用視覺來完成自主機器人導航與避障，且僅使用現場可編程門陣列作為導航路徑的規劃及控制。因此，相較於x86平台或自主機器人的原始架構，本揭露的自主機器人無需搭配雷射探測與測距，也無須額外使用控制晶片。因此可以達成降低自主機器人建構成本，縮小自主機器人的電路體積，且元件的配置具備較好的彈性之功效。

為了能更進一步瞭解本創作為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本創作之詳細說明與附圖，相信本創作之目的、特徵與特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本創作加以限制者。

茲有關本創作之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下：

請參閱圖2A為本揭露具有多影像輸入的自主機器人的控制方塊的電路方塊圖。自主機器人100(Autonomous Mobile Robot；ARM)包括本體1、複數個影像擷取設備2、現場可編程門陣列3 (Field Programmable Gate Array；FPGA）及驅動模組4，且本體1包括用以供自主機器人100自主移動的移動設備12。移動設備12視自主機器人100所適用的環境而定，且以平面路地的環境為例，移動設備12例如但不限於可以為輪子。影像擷取設備2配置於本體1，且影像擷取設備2分別擷取本體1周遭的複數個影像I，以基於影像I分別提供複數個影像訊號Si。其中，影像擷取設備2例如但不限於可以為相機、攝影機等可以拍攝、錄製影像I的設備，且影像擷取設備2可以分別通過複數個行動產業處理器接口MIPI(Mobile Industry Processor Interface)提供影像訊號Si。

現場可編程門陣列3耦接行動產業處理器接口MIPI，以通過行動產業處理器接口MIPI耦接影像擷取設備2而接收由行動產業處理器接口MIPI所提供的影像訊號Si。現場可編程門陣列3包括人工智慧引擎32(AI Engine)與實時控制器34（Real Time Controller），且影像訊號Si通過人工智慧引擎32的處理及計算，規劃自主機器人100的導航路徑。實時控制器34基於導航路徑而產生第一控制訊號Sc1，以提供相應於導航路徑的第一控制訊號Sc1至驅動模組4。驅動模組4接收第一控制訊號Sc1，以基於第一控制訊號Sc1驅動移動設備12。移動設備12以輪子為例，驅動模組4可以為馬達及馬達驅動電路(包含馬達控制器)。馬達驅動電路通過第一控制訊號Sc1調整馬達的轉速(及/或轉向)，以通過調整馬達的轉速(及/或轉向)而控制自主機器人100隨著預先規劃的導航路徑來移動。

其中，現場可編程門陣列3可通過例如但不限於，控制器區域網路CAN_Bus(Controller Area Network Bus)耦接驅動模組4。由於CAN_Bus擁有了良好的彈性調整能力，可以在現有網路中增加節點而不用在軟、硬體上做出調整，且訊息的傳遞不基於特殊種類的節點，增加了升級網路的便利性。因此，使用控制器區域網路CAN_Bus做為二者的耦接為較佳的實施方式。

復參閱圖2A，自主機器人100更包括複數個感測器62、電池64及電池控制模組66。感測器62配置於本體1，且耦接現場可編程門陣列3。感測器62用以偵測本體1碰撞或接近異物而提供第二控制訊號Sc2，且感測器62可以為壓力感測器、距離感測器等感測元件，主要是用以感測本體1是否接近或碰撞異物。其中，感測器62可通過，例如但不限於RS485介面來耦接現場可編程門陣列3，使現場可編程門陣列3的實時控制器34接收由感測器62所提供的第二控制訊號Sc2來得知本體1是否接近或碰撞異物。然後，現場可編程門陣列3通過第二控制訊號Sc2得知本體1接近或碰撞異物時，通過實時控制器34調整第一控制訊號Sc1來調整該導航路徑，以通過調整該導航路徑而控制本體1遠離異物。值得一提，於一實施例中，感測器62與現場可編程門陣列3二者的耦接並不限定僅能通過RS485。其可依照實際需求選擇RS232、RS422、RS485等介面來耦接。

電池64具有電池電量Vb，且用以提供自主機器人100運作所需的工作電源(即自主機器人100運作所需的電力都可由電池64提供)。電池控制模組66耦接電池64與現場可編程門陣列3。其中，電池控制模組66也可通過，例如但不限於RS485介面來耦接現場可編程門陣列3為較佳的實施方式，但同樣可依照實際需求選擇RS232、RS422、RS485等介面來耦接。現場可編程門陣列3可基於電池64的電池電量Vb規劃對電池64充放電的充放電排程。充放電排程例如但不限於，電池64的充放電頻率、電池電量Vb的電量上下限、完成導航路徑的預計時間等，主要是為了避免電池64過度充放電而縮短電池64使用年限，或自主機器人100因為電池64的電池電量Vb不足而無法運作。因此，現場可編程門陣列3可基於充放電排程調整第一控制訊號Sc1，以調整導航路徑而避免自主機器人100發生過度充放電，或電池電量Vb不足等狀況。

進一步而言，現場可編程門陣列3具有易擴充的優點來支持多影像擷取設備2的輸入。具體而言，現在主流的自主機器人100多為x86平台或自主機器人100的原始架構，利用影像擷取設備2所擷取的影像I取代雷射探測與測距(Light Detection And Ranging；LiDAR)來完成自主機器人100的導航與避障的優點為有效的降低系統的成本，因為雷射探測與測距的成本遠遠高於影像擷取設備2，且影像擷取設備2的體積較小，另一方面，對於物體的識別與環境的認知，都可以利用影像擷取設備2的技術來完成，因此自主機器人100上面搭配影像擷取設備2的數目隨之增加。現場可編程門陣列3可以在硬體通道保留下，只要在邏輯數目足夠下，可易擴充的增加影像擷取設備2需要的介面，如：乙太(Ethernet)或行動產業處理器接口MIPI，相較於x86平台或自主機器人100的原始架構，有較好的彈性。

此外，現場可編程門陣列3由於可有效的整合影像擷取設備2、人工智慧引擎32及實時控制器34，因此可降低自主機器人100的成本與功耗。具體而言，x86平台與自主機器人100的原始架構常因為支援影像擷取設備2介面的不足，需要額外的晶片來轉換。以x86平台為例，x86平台通常USB介面的數量較多，但遠端通訊與行動產業處理器接口MIPI很少，甚至沒有。因此，x86平台與自主機器人100的原始架構若需將行動產業處理器接口MIPI介面轉換成x86平台或自主機器人100的原始架構可以接收的介面，一般需要通過PCIe的介面。而且，若需要完成AI相關的應用(例如自主機器人100的原始架構視覺導航與避障的功能)，皆需要AI功能來輔助完成，故系統均需要增加額外的人工智慧引擎32。在驅動模組4的控制方面，x86平台需要一個額外的實時控制器34來完成驅動模組4的控制。然而，本揭露的現場可編程門陣列3由於可內含人工智慧引擎32及實時控制器34，故可以有效的降低自主機器人100成本與功耗。

請參閱圖2B為本揭露具有多影像輸入的自主機器人的輸入/輸出方塊的電路方塊圖，復配合參閱圖2A。自主機器人100除了圖2A的控制方塊之外，更包括如圖2B所示的輸入/輸出設備82與傳輸設備84等輸入/輸出方塊。輸入/輸出設備82例如但不限於鍵盤、螢幕、觸控面板等設備，且輸入/輸出設備82耦接現場可編程門陣列3。現場可編程門陣列3包括用以操控自主機器人100運作的運作參數，且運作參數例如但不限於，自主機器人100的移動速度、自主機器人100的定點停留時間與停留位置、影像擷取設備2與感測器62啟用/關閉的數量等。現場可編程門陣列3用以通過與輸入/輸出設備82相互傳輸傳輸訊號St，以使使用者通過操作輸入/輸出設備82來相應的產生傳輸訊號St，且通過傳輸訊號St調整運作參數。現場可編程門陣列3也可基於使用者所設定的運作參數，或自主機器人100當前的運作參數而提供傳輸訊號St至輸入/輸出設備82，以將運作參數顯示於輸入/輸出設備82上。其中，輸入/輸出設備82可配置於本體1的一側，且輸入/輸出設備82與現場可編程門陣列3可通過例如但不限於，無線傳輸的方式傳輸傳輸訊號St，但這二者也不排除可使用有線耦接的方式傳輸傳輸訊號St。

傳輸設備84例如但不限於Wi-Fi等設備，且控制設備200例如但不限於可以為電腦、手機、平板等設備。傳輸設備84耦接控制設備200與現場可編程門陣列3，且現場可編程門陣列3用以通過傳輸設備84來與控制設備200相互傳輸傳輸訊號St，使控制設備200可通過傳輸訊號St調整運作參數。現場可編程門陣列3也可基於使用者所設定的運作參數，或自主機器人100當前的運作參數而提供傳輸訊號St至傳輸設備84，以將運作參數通過傳輸設備84提供至控制設備200。

除此之外，現場可編程門陣列3還可包括數位訊號輸入/輸出端口DI/DO與資料存取端口SATA。數位訊號輸入/輸出端口DI/DO用以將現場可編程門陣列3內部資料以數位訊號的形式傳輸，且資料存取端口SATA用以將現場可編程門陣列3內部資料儲存在硬碟或記憶體等存儲空間。然不以上述所描述的端口為限，現場可編程門陣列3還可包括多個不同功能的端口，自主機器人100可依實際需求選擇對應的端口來應用，在此不在加以贅述。

請參閱圖3A為本揭露具有多影像輸入的自主機器人的結構外觀示意圖、圖3B為本揭露具有多影像輸入的自主機器人的影像擷取設備示意圖，復配合參閱圖2A~2B。在圖3A中，係以自主機器人100應用於平面路地的環境做為示意，然不以此為限。自主機器人100於外觀上，出示了本體1、移動設備12、複數個影像擷取設備2、複數個感測器62及輸入/輸出設備82，且移動設備12包括控制本體轉向的轉盤(圖未示)及控制本體前後移動的輪子122。影像擷取設備2用以分別擷取本體1周遭的複數個影像I，以規劃自主機器人100移動的導航路徑，並據以產生用以控制移動設備12的第一控制訊號Sc1來控制轉盤(圖未示)及輪子122。

其中，影像擷取設備2可以如圖3B所示配置。影像擷取設備2較佳的配置位置係環繞於本體1的外表面，且影像擷取設備2的數量主要是依據影像擷取設備2的視野而定。當影像擷取設備2的視野越小時，影像擷取設備2的數目越多則較佳，以避免出現較大的視野盲區而影響到現場可編程門陣列3的導航路徑。感測器62用以感測自主機器人100是否碰撞或接近異物，且當本體1接近或碰撞異物時，調整第一控制訊號Sc1來調整該導航路徑，以通過調整該導航路徑而控制本體1遠離異物。輸入/輸出設備82可配置於本體1的頂面，且使用者通過操作輸入/輸出設備82來得知並可修改自主機器人100的運作參數。

因此，綜上所述，本揭露的自主機器人100僅使用現場可編程門陣列3的架構與x86平台、自主機器人100的原始架構的比較如下表1所示：表1

	x86平台	自主機器人100的原始架構	本揭露
影像擷取設備2的擴充性	低	中	高	1. x86較常支援的影像擷取設備2的介面為USB3.0，但相較於行動產業處理器接口MIPI，具有功耗過高的缺點。 2. 原始架構較常支援的影像擷取設備2的介面為網路介面，但在多影像擷取設備2的應用下，其數目仍略顯不足。 3. 本揭露僅使用現場可編程門陣列3在硬體通道保留下，內部邏輯足夠下，是可以依據客戶需求，易擴充影像擷取設備2的數量與不同介面需求。
AI計算能力	高	低	中	1. x86在AI計算能力雖然較高，但是在自主機器人100的應用上，其AI計算能力的需求並沒有很高，因此本揭露僅使用現場可編程門陣列3的架構即可符合需求。 2. 自主機器人100的原始架構大部分是沒有支援人工智慧引擎32的功能，AI計算能力較差。
功率消耗	高	低	中	1. x86平台與原始架構通常需要額外的現場可編程門陣列3或晶片做影像擷取設備2的介面轉換來滿足多影像擷取設備2與不同介面的需求，有可能還需要額外的人工智慧引擎32來滿足AI的功能。 2. 本揭露僅使用現場可編程門陣列3的架構由於整合了多影像擷取設備2與人工智慧引擎32在單一晶片內，因此能夠有效的降低自主機器人100的成本與功耗。
成本	高	低	中

惟，以上所述，僅為本創作較佳具體實施例之詳細說明與圖式，惟本創作之特徵並不侷限於此，並非用以限制本創作，本創作之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本創作申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包括於本創作之範疇中，任何熟悉該項技藝者在本創作之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。

300:x86平台 400:原始架構 302、402:控制晶片 100:自主機器人 1:本體 12:移動設備 122:輪子 2:影像擷取設備 3:現場可編程門陣列 32:人工智慧引擎 34:實時控制器 MIPI:行動產業處理器接口 CAN_Bus:控制器區域網路 DI/DO:數位訊號輸入/輸出端口 SATA:資料存取端口 4:驅動模組 62:感測器 64:電池 66:電池控制模組 82:輸入/輸出設備 84:傳輸設備 200:控制設備 I:影像 Si:影像訊號 Sc1:第一控制訊號 Sc2:第二控制訊號 St:傳輸訊號 Vb:電池電量

圖1A為習知的自主機器人使用x86平台的控制方塊的電路方塊圖；

圖1B為習知的自主機器人使用原始架構的控制方塊的電路方塊圖；

圖2A為本揭露具有多影像輸入的自主機器人的控制方塊的電路方塊圖；

圖2B為本揭露具有多影像輸入的自主機器人的輸入/輸出方塊的電路方塊圖；

圖3A為本揭露具有多影像輸入的自主機器人的結構外觀示意圖；及

圖3B為本揭露具有多影像輸入的自主機器人的影像擷取設備示意圖。

100:自主機器人

1:本體

12:移動設備

2:影像擷取設備

3:現場可編程門陣列

32:人工智慧引擎

34:實時控制器

MIPI:行動產業處理器接口

CAN_Bus:控制器區域網路

DI/DO:數位訊號輸入/輸出端口

SATA:資料存取端口

4:驅動模組

62:感測器

64:電池

66:電池控制模組

I:影像

Si:影像訊號

Sc1:第一控制訊號

Sc2:第二控制訊號

Vb:電池電量

Claims

一種自主機器人，包括：一本體，包括用以移動的一移動設備；複數個影像擷取設備，配置於該本體，且該等影像擷取設備分別擷取該本體周遭的複數個影像，以分別提供複數個影像訊號；一現場可編程門陣列，耦接該等影像擷取設備，且基於該等影像訊號規劃一導航路徑，以基於該導航路徑提供一第一控制訊號；及一驅動模組，接收該第一控制訊號，以基於該第一控制訊號驅動該移動設備。
如請求項1所述之自主機器人，更包括：複數個感測器，配置於該本體，且用以偵測該本體碰撞一異物而提供一第二控制訊號；其中，該現場可編程門陣列基於該第二控制訊號調整該第一控制訊號，以通過調整該導航路徑而控制該本體遠離該異物。
如請求項2所述之自主機器人，其中該等感測器係通過RS485介面耦接該現場可編程門陣列。
如請求項1所述之自主機器人，更包括：一輸入/輸出設備，耦接該現場可編程門陣列；其中，該現場可編程門陣列包括用以操控該自主機器人運作的一運作參數，且該現場可編程門陣列用以通過與該輸入/輸出設備相互傳輸一傳輸訊號，以基於該傳輸訊號調整該運作參數，且將該運作參數顯示於該輸入/輸出設備。
如請求項4所述之自主機器人，其中該輸入/輸出設備與該現場可編程門陣列係通過一無線傳輸的方式傳輸該傳輸訊號。
如請求項1所述之自主機器人，更包括：一傳輸設備，耦接一控制設備與該現場可編程門陣列；其中，該現場可編程門陣列包括用以操控該自主機器人運作的一運作參數，且該現場可編程門陣列用以通過該傳輸設備來與該控制設備相互傳輸一傳輸訊號，以基於該傳輸訊號調整該運作參數，且將該運作參數通過該傳輸設備提供至該控制設備。
如請求項6所述之自主機器人，其中該傳輸設備為Wi-Fi設備。
如請求項1所述之自主機器人，更包括：一電池控制模組，耦接一電池與該現場可編程門陣列；其中，該現場可編程門陣列基於該電池的一電池電量規劃對該電池充放電的一充放電排程，且基於該充放電排程調整該第一控制訊號，以調整該導航路徑。
如請求項8所述之自主機器人，其中該電池控制模組係通過RS485介面耦接該現場可編程門陣列。
如請求項1所述之自主機器人，其中該等影像擷取設備係分別通過複數個行動產業處理器接口耦接該現場可編程門陣列。