一种无线模组化具身智能机器人控制方法及系统与流程

本发明属于无线模块机器人控制，具体涉及一种无线模组化具身智能机器人控制方法及系统。

背景技术：

1、目前，机器人需要应对各种复杂多样的任务，模块化设计相比于非模块化机器人具有显著优势，如便于独立制造、测试、维护和维修，可以根据需求灵活调整机器人功能和配置，使其更具适应性和可扩展性。然而，现有模块化机器人方案在模块自主性、互联方式及整机建模方面仍存在诸多局限。

2、例如，公开号为cn119283055b的发明，公开了采用模块化的机器人关节及标准化的机械接口，实现了机器人在结构上的模块化重组；通过通用接口的关节通信电路，实现了在电路拓扑及通信架构上的模块化重组。但其仍属于集中式控制与有线总线互联的范畴，其模块智能程度、互联方式和整机建模能力存在一定局限性。

3、因此，提出一种无线模组化具身智能机器人控制方法及系统，以解决现有技术忽略了模块本身的具身智能水平、无线化体内互联以及基于物理连接感知的整机自动建模能力的技术问题。

技术实现思路

1、本发明针对现有模块化机器人系统存在的模块智能程度低、依赖有线线束互联导致可靠性和形态受限，以及缺乏基于物理连接的整机自动建模能力等问题，提出一种无线模组化具身智能机器人控制方法及系统。

2、本发明的进一步目的是，建立一种基于模组自描述和物理连接感知的拓扑自主发现机制，使每个模组在上电后能够自动向网络广播其结构化的能力描述信息，并通过连接检测单元识别与其他模组的实际物理连接关系，使得系统能够在无需人工干预的情况下，自动识别当前机体的完整拓扑结构。

3、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案，一种无线模组化具身智能机器人控制方法，包括：

4、s1、定义每个可独立完成一定功能并参与协同的机器人功能单元为自主模组；将多个自主模组构成机器人；

5、s2、自主模组依次上电自检，建立局域无线网络，并加载本地预存的模组描述信息，加入无线网络；

6、s3、每个模组向协调模组广播本模组的能力描述信息；

7、s4、协调模组进行整机拓扑自发现并构建身形模型，整体校准与同步；

8、s5、整机接受任务指令或外部控制。

9、作为优选，各模组在通电后执行自检操作，检查本地硬件、传感器、执行器、电源控制单元及存储数据状态，并加载本地预存的模组描述信息。通过预设无线协议加入机器人内部局域网络，并通过密钥、证书、令牌或白名单机制完成身份认证，以防止非授权节点加入系统。作为优选，各模组向协调模组广播本模组的能力描述信息，至少包括模组身份字段、接口字段、位姿描述字段及当前连接状态初始值。

10、作为优选，完成身份认证检测到连接关系的两个模组之间交换彼此的身份信息、接口信息及接口位姿信息，建立双向一致的邻接记录。

11、其中，每一条邻接记录至少包括：本端模组id、本端接口编号、对端模组id、对端接口编号、连接方向、锁紧状态以及接口相对安装约束关系。

12、作为优选，协调模组接收全部模组上报的连接记录，构建以模组为节点、以连接关系为边的初始连接图；协调模组确定并识别整机的根节点，协调模组以根节点为起点，对初始连接图进行遍历，生成模组间的父子层级关系，形成拓扑树或带约束的拓扑图，并确定每个模组在所述拓扑结构中的父模组和子模组。

13、作为优选，协调模组对于已识别出的每一组连接模组，根据实际使用的物理接口信息、接口坐标系定义、接口朝向、机械安装约束及连接方向，确定子模组坐标系相对于父模组坐标系的位姿关系，并更新该子模组自身坐标系与父坐标系之间的变换关系。系统基于所述位姿关系自动生成对应的齐次转换矩阵，用于描述子模组坐标系到父模组坐标系之间的刚体变换。

14、对于关节模组，还可进一步结合关节类型、关节轴方向、零位偏置及运动范围，在所述齐次转换矩阵基础上建立关节运动变换关系。

15、协调模组根据模组类型、空间位置、连接层级、运动学参数和模板匹配结果，为各模组分配逻辑角色。协调模组根据拓扑关系、父子坐标变换关系及各模组的运动学字段，自动识别整机的串联链、并联支链、末端执行链及各自由度分布关系，进而生成整机运动学模型、动力学模型以及供电路径图。

16、在完成运动学识别后，系统可进一步自动生成与当前机器人形态相对应的结构化描述文件，所述描述文件用于表征模组层级关系、连接关系、关节属性、连杆参数、坐标变换关系及惯性参数。所述描述文件可采用机器人统一描述文件格式，优选为可表征机器人拓扑结构、关节关系、几何参数、惯性参数及坐标变换关系的机器可读格式，例如urdf类格式或其他等效结构化描述格式。协调模组将生成后的拓扑结果、角色信息、父子坐标变换关系、控制参数、时钟同步参数及结构化描述结果下发给各模组，供各模组执行本地控制、协同控制或后续重构调用。

17、作为优选，进行整机拓扑自发现时，若两个模组对同一连接关系的声明不一致，则将该连接标记为待确认连接；若模组声明的连接方向与位姿约束冲突，则将其标记为异常连接；若模组类型与当前拓扑位置不匹配，则标记为角色冲突模组；若构建出的拓扑图出现不符合预设结构的闭环，则执行闭环裁剪、连接禁用或特殊模式处理；若关键节点缺失，则系统进入降级控制模式或安全停机模式；若拓扑变化导致原控制模型失效，则系统暂停高动态动作，仅保留安全动作模式。

18、作为优选，整体校准时采用如下时钟同步机制：协调模组周期性广播标准时间帧；各模组接收时间帧后测量本地接收时刻，并修正本地时间基准；协调模组下发带有未来触发时间戳的动作参数；各模组在对应时间戳到达时开始执行相关动作；若检测到时钟偏差超过阈值，则系统限制高动态协同动作，或触发重新同步流程。

19、作为优选，协调模组不直接发送每个伺服采样时刻的控制值，而是发送未来一段时间窗口内的目标轨迹参数、动作段参数或抽象动作原语；各模组基于本地控制器、本地模型和当前状态，对接收到的目标轨迹进行插值、展开和闭环执行；高频控制变量由模组本地主动生成；跨模组协同动作采用未来时间戳对齐执行机制；在短时丢包时，模组沿用最近一次有效目标并维持局部安全控制；当无线中断时间超过设定阈值时，模组切换至预设安全模式。

20、作为优选，通信时将消息划分为急停类、控制类、状态类、同步类和维护类等不同优先级；急停类和故障类消息采用最高优先级，并支持抢占当前发送队列；控制类消息采用周期调度；状态类消息采用周期上报与事件触发相结合的机制；维护类消息在网络空闲窗口或低优先级通道中传输；对关键模组分配保底带宽、固定时隙或优先发送权。通信消息划分为：发现类消息、控制类消息、状态类消息、同步类消息、安全类消息和维护类消息。

21、作为优选，发现类消息包括模组上线广播、能力描述广播、接口连接状态声明、模组离线通知和热插拔事件通知；控制类消息包括控制模式切换命令、目标位置/速度/力矩/阻抗区间、目标动作段参数、动作原语调用命令、角色配置命令和参数更新命令；状态类消息包括关节状态、电压电流温度状态、传感器摘要、健康状态、自检结果及执行进度；同步类消息包括时钟同步帧、周期开始标记、未来触发时间戳和同步动作触发消息；安全类消息包括急停广播、失联告警、供电异常告警、过温告警、机械脱扣告警、降级运行指令和安全锁定指令；维护类消息包括日志摘要、故障码、固件升级分片、维护授权信息和标定信息同步。

22、作为优选，协调功能具备容错处理能力，包括：短时丢包处理、持续失联处理、关键模组失联处理、链路质量退化处理以及安全广播冗余。具体而言，在短时间未接收到新的控制消息时，模组继续执行最近一次有效控制目标，并通过本地限幅、缓启动或阻尼控制维持稳定；当失联时长超过第一阈值时，模组进入受限动作模式；超过第二阈值时，模组进入安全保持、断驱、回中、抱闸或低功耗等待模式；当协调模组失联时，可由预设备份模组接管协调功能，或由各模组切换到降级自治模式；当时延、丢包率、抖动或误码率超过设定阈值时，系统自动降低动作剧烈程度、降低状态上报频率、暂停非关键通信或切换至低带宽安全通信模式；对于急停等高安全等级消息，可采用重复发送、异步重复广播、不同信道发送或多节点转发等冗余方式。

23、为实现上述的无线模组化具身智能机器人控制方法，还提出了一种无线模组化具身智能机器人控制系统，包括：电源模组，可包括多个，提供能量并可参与智能控制；关节模组，构成机器人各个自由度，如髋、膝、踝、肩、肘、腕等；灵巧手模组，实现多指、柔顺抓取与精细操作；感知模组，包括视觉头部模组、听觉模组、触觉模组；计算与协调模组，负责全局任务规划、模块协调控制；通信模组，构建内部无线网络并与外界网络交互。

24、作为优选，各模组之间通过以下方式互联：无线通信连接，用于控制指令、状态信息、模型参数的数据交互；接触式连接，用于供电与必要的高速或安全信号传输，关节连接处设置环形电极、触点弹针、滑环，躯干与四肢连接处设置机械快速锁扣与电气接触片；通信模组包括，模组无线通信单元、网络协调单元、时钟同步单元、链路监测单元、安全认证单元以及协同接口单元。

25、作为优选，所述控制系统采用三层控制架构：第一层为模组内高频闭环控制层，由各模组内部控制器独立执行位置、速度、电流、力矩、阻抗或阻尼高频伺服控制，控制频率为1khz至5khz；第二层为模组间无线协调控制层，由协调模组通过无线通信与各模组交换目标动作、状态摘要和同步指令，优选更新频率为50hz至200hz；第三层为任务规划层，由计算与协调模组、本地高性能计算平台或外部计算资源执行任务理解、动作规划和策略切换，并以较低频率向协调控制层下发任务级目标，优选频率为10hz至50hz。

26、本发明的有益效果为:通过在模组本地完成高频伺服闭环，无线网络仅承担中低频协调指令，替代贯穿整机的长距离柔性线束，简化结构、降低成本；通过模组上电后自动广播结构化的能力描述信息并自主检测物理连接关系，使得系统在增删或替换模组时，实现即插即用；通过分层控制架构和基于消息类型的优先级调度，将高频伺服、中频协调和低频规划分时分层运行，提升了复杂通信环境下的协同效率。