模塊式運(yùn)動(dòng)學(xué)構(gòu)造套件優(yōu)先權(quán)和相關(guān)申請本申請要求轉(zhuǎn)讓到科羅拉多州ModularRoboticsIncorporatedofBoulder公司的、于2012年10月31日提交的美國臨時(shí)專利申請?zhí)?1/553,305的優(yōu)先權(quán)。申請?zhí)?1/553,305的詳細(xì)內(nèi)容以其全文并為所有合適目的而通過引用并入本申請。本申請涉及于2012年1月24日根據(jù)35USC§371(c)(1)在美國專利商標(biāo)局提交、并分配美國序列號13/386,707的美國專利申請公開號2012/0122059。申請序列號13/386,707的詳細(xì)內(nèi)容也以其全文并為所有合適目的而通過引用并入本申請。技術(shù)領(lǐng)域本發(fā)明的諸方面總體涉及科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)，具體涉及一種機(jī)器人學(xué)構(gòu)造套件，其利用模塊式部件形成完整的構(gòu)造。

背景技術(shù)：
存在各種系統(tǒng)、套件和玩具，供兒童用以構(gòu)造機(jī)器人和對其編程。但尚不存在這樣一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)容許人們利用模塊式塊件和其它部件、同時(shí)能夠使機(jī)器人得以構(gòu)建而無需復(fù)雜的編程技術(shù)和高度專業(yè)化的知識(shí)。雖然存在一些用于構(gòu)造機(jī)器人的現(xiàn)有系統(tǒng)，其為集中式的(centralized)，具有控制機(jī)器人操作的一臺(tái)計(jì)算機(jī)，但是這些現(xiàn)有系統(tǒng)不體現(xiàn)分布式計(jì)算模型，并且不容許初學(xué)者實(shí)施機(jī)器人的模塊式構(gòu)造。包含多于一個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)的少數(shù)玩具是無源娛樂產(chǎn)品，并且在它們與物理世界的互動(dòng)模式上是有限的。機(jī)械電子學(xué)通常已知為機(jī)械工程、電子/電氣工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)、軟件工程、控制工程和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的組合，用于設(shè)計(jì)和制造有用的產(chǎn)品。無論此術(shù)語如何定義，本發(fā)明的諸方面將機(jī)械電子學(xué)引用為多學(xué)科的工程領(lǐng)域。轉(zhuǎn)讓到科羅拉多州ModularRoboticsIncorporatedofBoulder公司的美國專利申請?zhí)?012/0122059解決了這些問題之中的一些并且容許構(gòu)造簡單的機(jī)械。然而，該申請中所描述的發(fā)明沒有提供高度定制化，并且在這類構(gòu)造中所能實(shí)現(xiàn)的機(jī)械電子學(xué)方面是有限的。這牽涉功能性和機(jī)械適應(yīng)性兩方面。目前，在智能構(gòu)造塊與無自動(dòng)力式磚體(比如LEGOTM磚體)之間存在顯著空缺，其酌留余地給簡易可重新配置型的、帶機(jī)械和電氣功能的結(jié)構(gòu)。見Schweikardt和M.D.Gross所著的"ABriefSurveyofDistributedComputationalToys(淺論分布式計(jì)算型玩具)"，其發(fā)表在2007DIGITEL:TheFirstIEEEInternationalWorkshoponDigitalGameandIntelligentToyEnhancedLearning(第一屆關(guān)于數(shù)字游戲和智力玩具增強(qiáng)式學(xué)習(xí)的IEEE國際研討會(huì)),Jhongli,Taiwan,2007。需要的是一種模塊式構(gòu)造套件，其提供帶公共接口的單元以構(gòu)建城堡、電氣電路、遙控車、自主型有腿機(jī)器人和許多其它有趣的有源創(chuàng)建物。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
在一個(gè)實(shí)施例中，一種構(gòu)造套件包括：多個(gè)建構(gòu)模塊，其中，所述建構(gòu)模塊中的至少一個(gè)是功能式的，并且適用于執(zhí)行特定行為。所述套件包括至少一個(gè)連接器，其適用于將所述至少一個(gè)功能式模塊結(jié)合到至少一個(gè)其它模塊，同時(shí)在所述功能式模塊與所述至少一個(gè)其它模塊之間提供高達(dá)三個(gè)自由度。在某些實(shí)施例中，所述至少一個(gè)連接器能夠使至少電壓流至所述至少一個(gè)功能式模塊和從其流出。在另外一個(gè)實(shí)施例中，一種用于構(gòu)造套件中的功能式建構(gòu)模塊，所述功能式建構(gòu)模塊包括：外殼，其確定多個(gè)角部；至少一個(gè)電子部件，其安裝在所述外殼內(nèi)；至少一個(gè)凹入磁觸頭表面，其定位成接近所述多個(gè)外殼角部的至少一個(gè)；和至少一個(gè)導(dǎo)電連接器。在某些實(shí)施例中，所述至少一個(gè)導(dǎo)電連接器適用于接合在所述至少一個(gè)凹型觸頭表面中，并且適用于在所述功能式建構(gòu)模塊與第二建構(gòu)部件之間提供高達(dá)三個(gè)自由度。在其它實(shí)施例中，所述至少一個(gè)導(dǎo)電連接器能夠使至少電壓流至所述至少一個(gè)電子部件和從其流出。在又一個(gè)實(shí)施例中，一種構(gòu)造套件包括多個(gè)建構(gòu)模塊，其中，所述建構(gòu)模塊的至少一個(gè)是功能式的并且適用于執(zhí)行特定行為。在一些實(shí)施例中，各所述建構(gòu)模塊包括：至少一個(gè)連接面，其適用于將數(shù)據(jù)或電力從第一建構(gòu)模塊的第一面?zhèn)鬟f到第二建構(gòu)模塊的第一面。在某些其它實(shí)施例中，所述建構(gòu)模塊的各連接面電連接于其它各面。所述套件包括至少一個(gè)連接器，其適用于將所述至少一個(gè)功能式模塊結(jié)合到至少一個(gè)其它模塊，同時(shí)在所述功能式模塊與所述至少一個(gè)其它模塊之間提供高達(dá)三個(gè)自由度。其它實(shí)施例將由本領(lǐng)域技術(shù)人員在結(jié)合附圖和權(quán)利要求閱讀以下說明書之后所知曉。附圖說明本發(fā)明的各種方面和實(shí)施例由以下附圖結(jié)合隨附描述而示出，在附圖中：圖1是根據(jù)本發(fā)明的一些方面、呈機(jī)器人玩具形式的一種完整構(gòu)造的透視圖；圖2示出根據(jù)本發(fā)明的一些方面、可定制化研發(fā)塊的一個(gè)實(shí)施例；圖3示出根據(jù)本發(fā)明的一些方面、優(yōu)化的產(chǎn)品塊的一個(gè)實(shí)施例；圖3A是根據(jù)本發(fā)明的一些方面、產(chǎn)品塊的分解視圖；圖3B是一種可以利用一些塊構(gòu)建的等效電路的示意圖。圖4A–4E示出根據(jù)本發(fā)明的一些方面、單元塊的各種實(shí)施例；圖5A–5D示出根據(jù)本發(fā)明的一些方面、電池塊的一個(gè)實(shí)施例；圖6A–6D示出根據(jù)本發(fā)明的一些方面、軸承塊的一個(gè)實(shí)施例；圖7A–7D示出根據(jù)本發(fā)明的一些方面、連續(xù)旋轉(zhuǎn)塊的一個(gè)實(shí)施例；圖8A–8D示出根據(jù)本發(fā)明的一些方面、角度伺服塊的一個(gè)實(shí)施例；圖9A–9D示出根據(jù)本發(fā)明的一些方面、線性延伸伺服塊的一個(gè)實(shí)施例；圖10A–10D示出根據(jù)本發(fā)明的一些方面、旋鈕塊的一個(gè)實(shí)施例；圖11示出根據(jù)本發(fā)明的一些方面、思考塊的一個(gè)實(shí)施例。圖11A–11C示出根據(jù)本發(fā)明的一些方面、思考塊可采用的功能的一些替代實(shí)施例；圖12示出根據(jù)本發(fā)明的一些方面的USB塊；圖13A–13C示出根據(jù)本發(fā)明的一些方面、柔性連接塊的實(shí)施例的一個(gè)對稱式半體；圖13D示出用于在此描述的、包括所述柔性連接塊和單元塊的一些所述塊的功能簡圖的實(shí)施例；圖14A–14C示出根據(jù)本發(fā)明的一些方面、L形塊的一個(gè)實(shí)施例；圖15A–17J示出根據(jù)本發(fā)明的一些方面構(gòu)造的其它塊元件的其它實(shí)施例；圖18A–18B示出根據(jù)本發(fā)明的附加方面構(gòu)造的塊元件的附加實(shí)施例；和圖19A–19B示出根據(jù)本發(fā)明的另外附加方面構(gòu)造的塊元件的附加實(shí)施例。具體實(shí)施方式本發(fā)明的諸方面利用低成本的機(jī)械電子學(xué)磚體、塊和其它部件(功能式且無源的)以容許使用者在教育、娛樂和科學(xué)中探索應(yīng)用。雖然在本申請中公開的實(shí)施例確定地意圖用于簡單的教育和純粹的娛樂環(huán)境中，但是也存在其它方面，其可應(yīng)用到更復(fù)雜的和制度化的學(xué)習(xí)環(huán)境，比如大學(xué)或私人研究和開發(fā)組織。在此描述的系統(tǒng)的部件有時(shí)稱為“塊”或“模塊”。意圖不是：通過將它們之中的任一個(gè)稱為塊或模塊來限制各種構(gòu)造部件的物理特性。相反地，意圖是：給予這類部件可能的最寬泛的解釋。如從以下各種實(shí)施例和描述可見，這類部件可采取各種各樣的形狀之一，其中一些并不類似“塊”形狀，并且其中一些可能無法正常解釋為“模塊”。意圖是：這些術(shù)語的使用被解釋為涵蓋任何在此描述的構(gòu)造部件及它們的等同物。本發(fā)明的諸方面也實(shí)現(xiàn)一種用于對機(jī)器人和并行通信主體進(jìn)行構(gòu)造和編程的分散式模塊系統(tǒng)。機(jī)器人學(xué)構(gòu)造套件用作：供兒童在科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)中參加解決問題和創(chuàng)新思維的平臺(tái)，有時(shí)統(tǒng)稱為STEM。通過從看似簡單的一組封裝機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)的、電子的、和軟件元件的模塊而設(shè)計(jì)和建構(gòu)機(jī)器人學(xué)構(gòu)造體，從而兒童和其他人能遇到、探索和試驗(yàn)科學(xué)的基本原則和計(jì)算。不像現(xiàn)有的用于教育的機(jī)器人學(xué)構(gòu)造套件，本發(fā)明將復(fù)雜行為抽象成可簡易重新配置型元件，其鷹架式教導(dǎo)(scaffold)對網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和電子學(xué)的理解，而無需特定領(lǐng)域知識(shí)。一般來說，在此描述的模塊是一組兼容的建構(gòu)塊，各具有截然不同的機(jī)械的、電氣的、聽覺的、或視覺的功能(見例如以下描述的圖3)。抽象地說，信息呈單一連續(xù)值的形式在連接的塊之間傳遞。這在對電氣電路進(jìn)行建構(gòu)和布線的科學(xué)中達(dá)到極點(diǎn)，在其中模塊可具有修改此信號的部件，例如通過包含兩個(gè)面之間的電阻器、三個(gè)面之間的晶體管，或連接多個(gè)面的微處理器。所述模塊也可具有與物理世界進(jìn)行交互的部件，例如LED、揚(yáng)聲器、傳感器或電機(jī)塊。其它模塊可簡單地傳遞信號通過、將信號分支(如同導(dǎo)線)或阻斷信號(如同絕緣體)。有四種類別的塊：感測塊，思考塊(thinkblock)，動(dòng)作塊和實(shí)用塊。在生產(chǎn)和商業(yè)環(huán)境中，不同的顏色或紋理可指示不同的塊類別，使得使用者可容易辨識(shí)哪個(gè)部件在給定構(gòu)造方案內(nèi)工作。一般來說，傳感器/感測塊感測來自環(huán)境的信號(包括光、聲音、觸覺、運(yùn)動(dòng)和離目標(biāo)的距離)，并且將相應(yīng)的信號傳遞到一個(gè)或多個(gè)連接的相鄰塊。思考塊基于數(shù)學(xué)函數(shù)、邏輯、條件語句等修改信號，并且可考慮多個(gè)輸入信號以產(chǎn)生多個(gè)輸出信號。動(dòng)作塊將它們接收的信號轉(zhuǎn)換成各種類型的動(dòng)作。例如，機(jī)動(dòng)塊(motorizedblock)按它接收的信號決定的速度旋轉(zhuǎn)。其它動(dòng)作塊可包括旋轉(zhuǎn)的面、明亮的LED和揚(yáng)聲器。實(shí)用塊可包括電源，比如電池(例如鋰離子或太陽能供電的電池)。大多數(shù)構(gòu)造將需要某類型的電池或電源。實(shí)用塊也可包括：無源型數(shù)據(jù)連接塊，其影響構(gòu)造的物理形式，而不影響數(shù)據(jù)的內(nèi)容或流動(dòng)，比如腿狀附屬物、輪、或加強(qiáng)式支架。實(shí)用塊可包括：通信塊，其能夠以硬接線或無線方式使得附近的計(jì)算機(jī)或移動(dòng)設(shè)備與構(gòu)造進(jìn)行通信。一些實(shí)用塊可以是：阻斷器塊，其限制數(shù)據(jù)流經(jīng)構(gòu)造。對于所有基本建構(gòu)系統(tǒng)的一個(gè)重要方面是，元件之間的機(jī)械和電氣接口。在此詳細(xì)說明的各構(gòu)造模塊包括：磁體，其嵌入到或以另外不同方式附接到各角部或特定結(jié)構(gòu)的其它接頭邊緣。構(gòu)造然后利用簡單的鋼球作為多向聯(lián)結(jié)體。這些接頭(磁體加連接球)在塊之間建立運(yùn)動(dòng)學(xué)機(jī)械連接，并且可容許在被連接建構(gòu)模塊之間的高達(dá)三個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度。因?yàn)榇朋w和鋼球兩者都導(dǎo)電，所以這些機(jī)械聯(lián)結(jié)元件也用于在整個(gè)組裝的結(jié)構(gòu)中傳播電氣接地網(wǎng)(electricalgroundmesh)。在各塊或其它模塊內(nèi)部的所有磁體在該模塊結(jié)構(gòu)自身內(nèi)部電連接(例如硬接線)在一起的。這容許每個(gè)附接的模塊具有電氣接地基準(zhǔn)。此配置能夠使特定塊或其它模塊的各面包含單個(gè)電氣端子(例如在中心處)，這相對于現(xiàn)有的電激活的建構(gòu)塊大大減小了復(fù)雜度。見P.Wyeth和G.Wyeth所著的"ElectronicBlocks:TangibleProgrammingElementsforPreschoolers(電子塊：用于學(xué)前兒童的可觸摸編程元件)"，其發(fā)表在EighthIFIPTC13ConferenceonHuman-ComputerInteraction(第八屆關(guān)于人機(jī)交互IFIPTC13會(huì)議)(Interact2001),2001。例如，電機(jī)模塊(如以下示例詳細(xì)討論的)需要僅單面觸頭進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。電氣返回路徑是通過球到磁體接地網(wǎng)。在構(gòu)造中無論何處需要接地基準(zhǔn)，可簡單地將接地塊插入到結(jié)構(gòu)中，所述接地塊將角部處的地網(wǎng)橋接到面上的觸頭處。在此描述的磁體和球連接實(shí)施例的一個(gè)特征涉及創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)學(xué)接頭。將模塊邊緣到邊緣或角部到角部進(jìn)行連接，分別創(chuàng)建回轉(zhuǎn)式接頭或球和球窩接頭。圖3示出一種包括這類磁式連接點(diǎn)102a和102b的、大體立方體形狀的構(gòu)造模塊100的一個(gè)代表性示例，以及用于在功能式和/或機(jī)械構(gòu)造中將兩個(gè)或更多個(gè)模塊連接在一起的導(dǎo)電球104a和104b的示例。雖然在圖3中不可見，但是模塊100的八個(gè)角部的每一個(gè)包括連接點(diǎn)，且能夠接收導(dǎo)電球并且隨后能夠?qū)崿F(xiàn)模塊100與另外一個(gè)模塊之間的連接。雖然圖3所示基礎(chǔ)單元模塊100是單個(gè)立方體，但是該構(gòu)造系統(tǒng)作為整體被設(shè)計(jì)成且適用于機(jī)械上不均勻的，并且為了機(jī)械剛度容許為較大磚體(例如1x1x6單位的磚體)，以及具有非均勻的附屬物，比如輪和輕重量的腿，其附接到球連接器的現(xiàn)有柵格，并且大大擴(kuò)展了本發(fā)明套件的潛在功能性和美感。這類部件的細(xì)節(jié)在以下更詳細(xì)地描述。在一個(gè)實(shí)施例中且如圖3所示，該立方體在各邊緣上為近似25mm。雖然預(yù)期根據(jù)在此公開的方面所構(gòu)造的模塊的大部分將是非常廉價(jià)的并且在它們的信息處理能力上是鈍態(tài)的(passive)，但是也預(yù)期其中將包括智能或“腦(brain)”模塊以產(chǎn)生呈開環(huán)的或作為輸入的函數(shù)的任意輸出信號。腦塊可大于基礎(chǔ)模塊(例如尺寸為2x2x1基本單元)，既用以使包裝可實(shí)行、又用以通過具有更多可用的面來連接從而容許更多的輸入和輸出。構(gòu)想是，這些腦塊將具有連接到主機(jī)計(jì)算機(jī)進(jìn)行編程的能力，并且可包括用于遠(yuǎn)程控制創(chuàng)建物的無線連接。在兩者中任一情況下，預(yù)期是，各種類型、風(fēng)格、尺寸和性能的不同模塊可以以多種方式組合在一起，以創(chuàng)建從簡單到復(fù)雜的構(gòu)造，例如機(jī)器人裝置和其它機(jī)械電子學(xué)構(gòu)造。以下描述的圖1示出如何將各種模塊可相互組合使用的一個(gè)實(shí)施例。設(shè)計(jì)和開發(fā)模塊雖然未構(gòu)想用于商業(yè)銷售或使用，但是本發(fā)明的諸方面也可包括使用：開發(fā)模塊套件...