名称：一种单或多手机协同的中枢控制机器人控制系统及方法
专利号：202610686669.3
专利权人：孙雪城
技术领域
本发明涉及智能机器人控制技术领域，具体为一种单或多手机协同的中枢控制机器人控制系统及方法。
背景技术
随着智能机器人技术的快速发展，服务机器人、工业机器人、教育机器人、特种应急机器人等各类机器人产品逐渐普及，但现有技术中，机器人的控制系统与硬件架构普遍存在以下无法解决的核心痛点:
现有机器人普遍采用专用主控制器作为核心大脑中枢，这类专用控制器存在成本高、升级难的致命缺陷，专用控制器的研发与硬件采购成本较高，大幅提升了机器人的整机成本，限制了民用普及，同时专用控制器的算力、硬件配置固定，无法随技术发展快速升级，机器人使用1-2年后就会出现算力不足的问题，只能更换整机，造成严重的资源浪费；
现有机器人需要额外配置大量的头部感知与交互硬件，包括摄像头、麦克风阵列、扬声器、显示面板、姿态传感器、定位模块等，这类硬件不仅进一步提升了整机成本，还增加了结构复杂度，降低了机器人的集成度与运行稳定性；
现有机器人的通信能力存在天然边界，无法适配未来全域通信需求，现有民用/商用机器人完全依赖Wi-Fi、4G/5G地面基站，无信号区域直接失效，无法应用于山区、森林、海洋、灾区、边境等刚需场景；少数特种机器人内置专用卫星通信模组，单套硬件成本就超过2万元，整机成本高达几十万，完全无法民用普及，同时，现有机器人无法深度适配5G/6G通信的通感算一体核心能力，仅能把5G/6G当作更快的通信管道，无法融入5G/6G原生智能网络，无法实现本地-边缘-云端的算力协同，更无法实现万级规模的机器人集群协同作业；
现有技术中存在部分采用智能手机作为机器人控制器的方案，但存在明显的技术短板：其一，大多仅支持单台智能手机作为控制核心，算力有限，无法满足复杂AI任务的运算需求，且无冗余备份机制，一旦手机出现故障，机器人直接失控，运行安全性差，其二，智能手机仅作为远程控制终端，或仅作为单纯的控制核心，并未同时集成机器人的头部感知与交互功能，仍需要额外配置头部传感器与交互硬件，无法实现真正的一体化集成，其三，无标准化的物理插接结构，无法实现即插即用，设备配对与参数配置复杂，兼容性差，其四，无多收集分布式协同的架构设计，无法实现算力的动态扩展与灵活适配，更无法适配5G/6G与卫星全域通信的未来趋势，因此，本领域的技术人员提供了一种单或多手机协同的中枢控制机器人控制系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
发明内容
（一）解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种单或多手机协同的中枢控制机器人控制系统及方法，解决了现有机器人成本高、升级难、集成度低、通信边界受限、算力不足、运行安全性差的问题。
（二）技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种单或多手机协同的中枢控制机器人控制系统，包括机器人本体、至少一个标准化插接舱以及至少一台智能手机模块，所述机器人本体设置有底层驱动模块、执行机构以及与标准化插接舱匹配的供电与数据通信总线；
所述标准化插接舱设置于机器人本体的头部或机身位置，所述标准化插接舱内部设置有机械锁止结构、标准化数据接口以及供电接口，所述标准化插接舱用于固定智能手机模块，并实现智能手机模块与机器人本体的供电与数据双向互通；所述智能手机模块在与标准化插接舱建立连接后，同时承担机器人本体的核心控制中枢与头部感知交互模块的双重核心功能，其中，核心控制中枢实现对机器人本体的全局运算、任务调度、行为决策与运动控制，头部感知交互模块能直接调用智能手机自带的硬件单元，实现机器人的环境感知、人机交互与状态展示。
优选的，多个所述标准化插接舱内部插入多台智能手机模块时，多台所述智能手机模块组成主-从分布式协同控制中枢，通过预设的任务调度规则实现算力分工与并行协同运算，当多台智能手机模块插入机器人本体的多个插接舱时，系统自动组建主-从分布式协同控制中枢，具体为：
插入头部插接舱的智能手机模块默认作为主机，负责机器人的全局任务调度、路径规划、人机交互处理和全局行为决策；
插入机身扩展插接舱的智能手机模块作为从机，根据预设规则分配专属算力任务，包括AI大模型推理、图形语义分割、实时运动控制、应急避障处理和多模态数据处理，主机与从机之间通过机器人本体的内部数据通信总线实现低延迟数据同步、任务指令交互与算力资源共享，并行运算完成机器人的全流程控制；
所述标准化插接舱包括头部插接舱与机身扩展插接舱，两类插接舱采用完全统一的机械接口与电气接口标准，智能手机模块可任意插接于任意插接舱内，系统自动识别舱位并分配对应功能角色。
优选的，所述机械锁止结构为卡扣式锁止结构、磁吸式锁止结构或快拆式固定结构中的一种，用于将智能手机模块稳固固定于插接舱内；
所述标准化数据接口为Type-C接口、Lightning接口或串口，用于实现智能手机模块与机器人本体的高速双向数据传输；
所述供电接口为直流降压自适应供电接口，输入电压与机器人本体电源匹配，输出电压与智能手机充电规格匹配，可为插入的智能手机模块持续供电；
所述系统设置有即插即用适配机制，智能手机模块通过物理接口插入标准化插接舱后，系统自动完成设备握手与身份识别，智能手机模块自动启动对应的机器人专用控制程序，自动加载与机器人本体匹配的控制固件，无需人工配对与参数配置；智能手机模块拔出标准化插接舱后，自动退出机器人控制模式，完全恢复正常民用手机功能。
优选的，所述智能手机模块承担的头部感知交互模块功能，具体包括：
调用智能手机自带的摄像头，作为机器人的视觉系统，实现环境感知、避障导航、人脸识别、图像识别与二维码读取；
调用智能手机自带的麦克风与扬声器，作为机器人的语音交互系统，实现语音拾取、语音识别、语音播报与对话交互；
调用智能手机自带的屏幕，作为机器人的面部显示与状态展示系统，实现机器人面部表情显示、运行状态信息展示与人机交互界面展示；
调用智能手机自带的陀螺仪、加速度计、GPS定位模块，作为机器人的姿态感知与定位系统，实现机器人的姿态检测、平衡控制和定位导航。
优选的，所述主-从分布式协同控制中枢设置有冗余备份机制，系统实时监测主机与从机的运行状态、通信状态与电量状态，当主机出现故障、死机、断电或通信中断时，系统自动将优先最高的从机切换为新的主机，接管机器人的全局控制功能，实现热备份冗余，避免机器人失控。
优选的，所述智能手机模块内置卫星通信单元，用于建立机器人本体与远程控制端、云端平台的全域卫星通信链路，实现无地面移动通信网络覆盖场景下的远程控制指令接收、机器人运行状态与环境感知数据的双向传输，所述机器人本体无需额外配置独立卫星通信硬件，完全复用插接的智能手机模块自带的卫星通信能力；
所述智能手机模块内置5G/6G通信单元，支持空天地海一体化网络接入，用于建立机器人本体与边缘计算节点、云端控制平台、远程控制端的超低时延、高可靠通信链路，实现机器人的通感算一体协同控制。
优选的，所述系统支持基于5G/6G网络的算力协同调度，将机器人实时性要求低于预设阈值的高算力任务，通过5G/6G网络卸载至边缘计算节点或云端平台处理，实时性要求高于预设阈值的控制任务，由插接的智能手机模块本地处理，实现本地-边缘-云端的三级算力协同；
所述系统支持基于5G/6G网络的多机器人集群协同调度，多台接入5G/6G网络的机器人，通过各自插接的智能手机模块实现微秒级时间同步与低时延数据交互，组成分布式机器人作业集群，由云端平台统一完成任务分配与协同调度。
优选的，所述机器人本体无需额外配置独立5G/6G通信硬件，完全复用插接的智能手机模块自带的5G/6G通信、通感算一体、内生AI能力，机器人的5G/6G通信与智能能力随插接的智能手机的升级同步迭代。
一种单或多手机协同的中枢控制机器人控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.插接识别，将智能手机模块插入机器人本体的标准化插接舱，完成机械固定、供电连接与数据通信连接，系统自动完成设备识别与握手配对；
S2.角色分配，系统根据插接舱的位置与插入的智能手机模块数量，自动分配主机与从机角色，组件主-从分布式协同控制中枢；
S3.功能启动，主机与从机自动启动对应的控制程序，主机承担全局决策与任务调度，从机承担专属算力任务，同时主机调用自身硬件单元，承担机器人的头部感知与交互功能；
S4.协同控制，主机接收机器人本体的传感器数据与从机的运算结果，完成全局决策后，向机器人本体的底层驱动模块下发控制指令，控制执行机构完成对应动作，从机并行完成专属算力任务，实时向主机同步运算结果，同时接收主机的调度指令，动态调整算力分配；
S5.冗余保护，系统实时监测主机与从机的运行状态，当主机出现故障时，自动切换备用从机接管全局控制，保证机器人持续稳定运行。
优选的，所述S4步骤中，还包括全域通信适配步骤，系统自动识别当前网络环境，优先选择地面移动通信网络进行数据传输，当无地面网络覆盖时，自动切换至智能手机模块的卫星通信链路，保证机器人全域无死角的通信连接；
所述S4步骤中，还包括5G/6G算力协同步骤，系统对任务的实时性要求与算力需求进行分级，将强实时性的运动控制、应急避障任务交由智能手机模块本地处理，将高算力需求的大模型推理、集群调度任务，通过5G/6G网络卸载至边缘计算节点或云端平台处理。
（三）有益效果
本发明提供了一种单或多手机协同的中枢控制机器人控制系统及方法。具备以下有益效果：
1、本发明中，采用通用智能手机完全替代机器人专用主控制器，同时替代摄像头、麦克风、显示面板、姿态传感器等头部感知交互硬件，无需额外配置专用算力板与各类传感器，机器人整机成本可降低60%以上，原本几十万的特种机器人可压缩至几千元，大幅降低了机器人的使用门槛，实现民用普及。
2、本发明中，机器人的核心算力、感知能力、通信能力完全由插接的智能手机提供，智能手机可随时更换，机器人的性能可随手机的升级而同步升级，无需更换机器人本体，大幅延长了机器人的使用寿命，避免了资源浪费，完美适配5G/6G、卫星通信等未来技术的迭代升级，插入的智能手机同时承担机器人的核心控制中枢与头部感知交互模块，实现了控制、感知、交互的一体化集成，机器人结构更简单，体积更小巧，硬件故障点大幅减少，运行稳定性显著提升。
3、本发明中，可根据任务复杂度灵活增减手机数量，简单任务单手机即可低功耗运行，复杂AI任务可扩展多手机并行运算，兼顾了低功耗与高算力需求，适配从家庭服务到工业特种作业的全场景应用，多台手机互为热备份，当主机出现故障时，系统可自动切换备用从机接管全局控制，避免机器人失控，大幅提升了机器人运行的安全性与稳定性，满足工业、应急等高危场景的使用需求。
4、本发明中，通过完全复用智能手机自带的卫星通信能力，无需给机器人本体添加任何额外硬件，即可实现全球无死角的远程控制与数据传输，彻底摆脱对地面基站的依赖，把机器人的应用场景从室内、城市，直接拓展到山区、森林、海洋、灾区、边境等所有区域。
5、本发明中，通过深度融合5G/6G空天地海一体化通信、通感算一体、内生AI的核心能力，实现本地-边缘-云端的三级算力协同；同时支持万级规模的机器人集群协同作业，让机器人从单机智能终端，升级为智慧城市、数字孪生体系中的分布式智能单元，重构了机器人行业的技术逻辑与商业模式，标准化插接舱设计，手机插入后自动识别、自动配对、自动加载控制固件，无需人工配置，手机拨出后自动恢复正常民用功能，不影响手机的日常使用，兼容性极强。
附图说明
图1为本发明控制系统的结构组成示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
如图1所示，本发明实施例提供一种单或多手机协同的中枢控制机器人控制系统，包括机器人本体、至少一个标准化插接舱以及至少一台智能手机模块，机器人本体设置有底层驱动模块、执行机构以及与标准化插接舱匹配的供电与数据通信总线；
标准化插接舱设置于机器人本体的头部或机身位置，标准化插接舱内部设置有机械锁止结构、标准化数据接口以及供电接口，标准化插接舱用于固定智能手机模块，并实现智能手机模块与机器人本体的供电与数据双向互通；智能手机模块在与标准化插接舱建立连接后，同时承担机器人本体的核心控制中枢与头部感知交互模块的双重核心功能，其中，核心控制中枢实现对机器人本体的全局运算、任务调度、行为决策与运动控制，头部感知交互模块能直接调用智能手机自带的硬件单元，实现机器人的环境感知、人机交互与状态展示；底层驱动模块包括电机驱动电路、传感器接口电路，执行机构可根据应用场景配置为轮式运动底盘、履带式底盘、机械臂、云台等，内置有电源模块，电源模块采用12V-24V可充电锂电池，机器人本体可配置基础的避障传感器、温度传感器等辅助传感器，无需配置主控制器、摄像头、麦克风、显示面板等核心硬件。
多个标准化插接舱内部插入多台智能手机模块时，多台智能手机模块组成主-从分布式协同控制中枢，通过预设的任务调度规则实现算力分工与并行协同运算，当多台智能手机模块插入机器人本体的多个插接舱时，系统自动组建主-从分布式协同控制中枢，具体为：
插入头部插接舱的智能手机模块默认作为主机，负责机器人的全局任务调度、路径规划、人机交互处理和全局行为决策；
插入机身扩展插接舱的智能手机模块作为从机，根据预设规则分配专属算力任务，包括AI大模型推理、图形语义分割、实时运动控制、应急避障处理和多模态数据处理，主机与从机之间通过机器人本体的内部数据通信总线实现低延迟数据同步、任务指令交互与算力资源共享，并行运算完成机器人的全流程控制；
标准化插接舱包括头部插接舱与机身扩展插接舱，两类插接舱采用完全统一的机械接口与电气接口标准，智能手机模块可任意插接于任意插接舱内，系统自动识别舱位并分配对应功能角色。
机械锁止结构为卡扣式锁止结构、磁吸式锁止结构或快拆式固定结构中的一种，用于将智能手机模块稳固固定于插接舱内；
标准化数据接口为Type-C接口、Lightning接口或串口，用于实现智能手机模块与机器人本体的高速双向数据传输；
供电接口为直流降压自适应供电接口，输入电压与机器人本体电源匹配，输出电压与智能手机充电规格匹配，可为插入的智能手机模块持续供电；端到端传输延迟低于10ms；所述供电接口为直流降压自适应供电接口，输入电压为机器人本体的12V直流电源，输出电压为5V/9V/12V自适应快充电压，可为插入的手机持续供电，避免手机电量耗尽导致机器人停机；
系统设置有即插即用适配机制，智能手机模块通过物理接口插入标准化插接舱后，系统自动完成设备握手与身份识别，智能手机模块自动启动对应的机器人专用控制程序，自动加载与机器人本体匹配的控制固件，无需人工配对与参数配置；智能手机模块拔出标准化插接舱后，自动退出机器人控制模式，完全恢复正常民用手机功能。
智能手机模块承担的头部感知交互模块功能，具体包括：
调用智能手机自带的摄像头，作为机器人的视觉系统，实现环境感知、避障导航、人脸识别、图像识别与二维码读取；
调用智能手机自带的麦克风与扬声器，作为机器人的语音交互系统，实现语音拾取、语音识别、语音播报与对话交互；
调用智能手机自带的屏幕，作为机器人的面部显示与状态展示系统，实现机器人面部表情显示、运行状态信息展示与人机交互界面展示；
调用智能手机自带的陀螺仪、加速度计、GPS定位模块，作为机器人的姿态感知与定位系统，实现机器人的姿态检测、平衡控制和定位导航。
主-从分布式协同控制中枢设置有冗余备份机制，系统实时监测主机与从机的运行状态、通信状态与电量状态，当主机出现故障、死机、断电或通信中断时，系统自动将优先最高的从机切换为新的主机，接管机器人的全局控制功能，实现热备份冗余，避免机器人失控，系统还设置有即插即用适配机制，手机插入插接舱后，系统在3秒内自动完成设备握手与身份识别，手机自动启动预安装的机器人专用控制APP，自动加载与该机器人本体匹配的控制固件，无需人工配对、无需手动设置参数，真正实现即插即用；手机拔出插接舱后，APP自动退出机器人控制模式，手机完全恢复正常民用功能，无任何影响；
插入2个机身扩展插接舱的智能手机作为从机一和从机二，根据预设规则分配专属算力任务，其中：
从机一专属负责AI大模型推理、多模态语义理解、复杂图像识别与视觉AI运算，为主机的全局决策提供AI算力支持；
从机二专属负责机器人的实时运动控制、电机驱动算法运算、应急避障处理、底层传感器数据采集与预处理，为主机的运动控制提供实时算力支持；
主机与从机之间通过机器人本体的内部Type-C数据总线实现低延迟数据同步，主机与从机之间可实现任务指令交互、算力资源共享、数据实时互通，三台手机并行运算，大幅提升机器人的运算性能与响应速度；
智能手机模块内置卫星通信单元，用于建立机器人本体与远程控制端、云端平台的全域卫星通信链路，实现无地面移动通信网络覆盖场景下的远程控制指令接收、机器人运行状态与环境感知数据的双向传输，机器人本体无需额外配置独立卫星通信硬件，完全复用插接的智能手机模块自带的卫星通信能力；
智能手机模块内置5G/6G通信单元，支持空天地海一体化网络接入，用于建立机器人本体与边缘计算节点、云端控制平台、远程控制端的超低时延、高可靠通信链路，实现机器人的通感算一体协同控制。
系统支持基于5G/6G网络的算力协同调度，将机器人实时性要求低于预设阈值的高算力任务，通过5G/6G网络卸载至边缘计算节点或云端平台处理，实时性要求高于预设阈值的控制任务，由插接的智能手机模块本地处理，实现本地-边缘-云端的三级算力协同；
系统支持基于5G/6G网络的多机器人集群协同调度，多台接入5G/6G网络的机器人，通过各自插接的智能手机模块实现微秒级时间同步与低时延数据交互，组成分布式机器人作业集群，由云端平台统一完成任务分配与协同调度。
机器人本体无需额外配置独立5G/6G通信硬件，完全复用插接的智能手机模块自带的5G/6G通信、通感算一体、内生AI能力，机器人的5G/6G通信与智能能力随插接的智能手机的升级同步迭代。
一种单或多手机协同的中枢控制机器人控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.插接识别，将智能手机模块插入机器人本体的标准化插接舱，完成机械固定、供电连接与数据通信连接，系统自动完成设备识别与握手配对；
S2.角色分配，系统根据插接舱的位置与插入的智能手机模块数量，自动分配主机与从机角色，组件主-从分布式协同控制中枢；
S3.功能启动，主机与从机自动启动对应的控制程序，主机承担全局决策与任务调度，从机承担专属算力任务，同时主机调用自身硬件单元，承担机器人的头部感知与交互功能；
S4.协同控制，主机接收机器人本体的传感器数据与从机的运算结果，完成全局决策后，向机器人本体的底层驱动模块下发控制指令，控制执行机构完成对应动作，从机并行完成专属算力任务，实时向主机同步运算结果，同时接收主机的调度指令，动态调整算力分配；
S5.冗余保护，系统实时监测主机与从机的运行状态，当主机出现故障时，自动切换备用从机接管全局控制，保证机器人持续稳定运行。
S4步骤中，还包括全域通信适配步骤，系统自动识别当前网络环境，优先选择地面移动通信网络进行数据传输，当无地面网络覆盖时，自动切换至智能手机模块的卫星通信链路，保证机器人全域无死角的通信连接；
S4步骤中，还包括5G/6G算力协同步骤，系统对任务的实时性要求与算力需求进行分级，将强实时性的运动控制、应急避障任务交由智能手机模块本地处理，将高算力需求的大模型推理、集群调度任务，通过5G/6G网络卸载至边缘计算节点或云端平台处理。
实施例二：
所述智能手机模块内置天通一号卫星通信单元5G/6G通信单元，可实现空天地海一体化全域通信覆盖：
当机器人处于有地面6G/5G/4G网络覆盖的区域时，系统优先通过地面网络实现数据传输，接入边缘计算节点与云端平台，实现本地-边缘-云端的三级算力协同；
当机器人处于无地面网络覆盖的无人区、灾区等区域时，系统自动切换至手机的卫星通信链路，实现远程控制指令与感知数据的双向传输，保证机器人全域无死角的通信连接。
实施例三：家庭服务机器人
本实施例为家用扫地/陪伴服务机器人，机器人本体为轮式底盘，内置驱动模块、扫地执行机构、基础避障传感器，设置1个头部插接舱；将普通家用智能手机插入头部插接舱后，手机同时作为机器人的控制中枢与头部感知交互模块，实现扫地路径规划、自动避障、人脸识别、语音交互、家庭安防监控等全部功能；手机拔出后，完全恢复正常家用功能，无需额外配置专用控制器与感知硬件，整机成本可控制在千元级。
实施例四：森林防火应急巡检机器人
本实施例为森林防火巡检机器人，机器人本体为履带式底盘，搭载基础避障传感器、温度传感器、气体传感器，设置1个头部插接舱与1个机身扩展插接舱；将支持天通一号卫星双向通信的智能手机插入头部插接舱，作为主机，承担全局控制、视觉感知、卫星通信功能；将另一台智能手机插入机身扩展插接舱，作为从机，专属负责红外热成像分析、火情识别、AI推理；
在无4G/5G信号的山区林区，机器人通过手机的卫星通信链路，实时向远程应急管理平台回传林区画面、温度数据与定位信息；平台可通过卫星链路远程下发巡检路线调整、应急悬停、火情确认等指令；当检测到明火或异常高温时，机器人自动通过卫星发送报警信息、定位与现场画面，实现无人区火情的早发现、早预警，整机成本仅为现有同功能卫星巡检机器人的1/10。
实施例五：5G/6G智慧工厂物流机器人集群
本实施例为5/6G智慧工厂物流机器人集群，每台机器人本体为轮式AGV底盘，仅保留底层驱动模块与供电模块，设置1个头部插接舱与2个机身扩展插接舱，插入支持5/6G通信的智能手机；
每台机器人的主机承担全局控制、人机交互、视觉感知功能，从机1承担AI视觉识别、货物分拣功能，从机2承担实时运动控制、精准停靠功能；通过工厂5/6G内网，上千台机器人实现微秒级时间同步与低时延数据交互，由云端平台统一完成任务分配与集群协同调度；复杂的路径规划、集群调度算法，通过5/6G网络卸载至边缘计算平台处理，实现本地-边缘-云端的算力协同；同时，机器人的摄像头采集的画面，通过5/6G网络实时回传，同时作为工厂的分布式安防监控节点，实现通感算一体融合；当5/6G技术升级时，仅需更换插接的手机，机器人即可同步完成技术升级，无需更换本体，大幅降低工厂的设备迭代成本；
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围；凡在本发明的精神与原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。