本实用新型涉及智能制造、机器人技术领域，更具体地，涉及一种半身人形智能机器人及其控制系统。
背景技术：
智能机器人是当前热点研究方向之一，半身人形智能机器人，得益于其移动灵活、操作容易等技术特点，在服务机器人特别是室内服务机器人领域有广阔应用前景。
当前，大多数机器人控制系统都是针对工业机器人，面向智能机器人的控制系统较少，专门针对半身人形智能机器人而开发的控制系统更是稀缺。
当前多数半身人形智能机器人都分别采用两套控制系统，分别对机器人上身与移动底盘进行控制，一方面价格昂贵，另一方面操作不便。
技术实现要素：
为了至少部分地克服现有技术中存在的上述问题，本实用新型提供一种半身人形智能机器人及其控制系统。
根据本实用新型的一个方面，本实用新型提供一种半身人形智能机器人控制系统，包括：用于测量环境信息的环境感知器、用于接收环境信息并且发布任务指令的任务管理器、用于生成机械臂关节角度序列的上身运动规划器、用于生成底盘电机转速序列的底盘运动规划器、用于控制机械臂关节角度的关节伺服控制器和用于控制底盘电机转速的底盘电机控制器；其中，
所述任务管理器分别与所述环境感知器、所述上身运动规划器以及所述底盘运动规划器电连接；
所述关节伺服控制器与所述上身运动规划器电连接；
所述底盘电机控制器与所述底盘运动规划器电连接。
其中，所述环境感知器包括用于检测半身人形智能机器人基座位置、朝向以及姿态的位姿检测单元、用于检测半身人形智能机器人视觉朝向和获取双目彩色图像的双目视觉单元、用于扫描测距的激光雷达单元、用于检测是否有障碍以及与障碍的距离的超声波测距单元、用于检测是否接触物体的触摸传感单元、用于检测半身人形智能机器人机械臂所受外力的方向与大小的外力测量单元以及信息传递单元；其中，
所述信息传递单元分别与所述位姿检测单元、所述双目视觉单元、所述超声波测距单元、所述触摸传感单元、所述激光雷达单元以及所述外力测量单元电连接，所述信息传递单元与所述任务管理器电连接。
其中，所述位姿检测单元包含GPS、电子罗盘以及第一陀螺仪，所述双目视觉单元包含双目彩色摄像头和第二陀螺仪。
其中，所述任务管理器包括信息接收单元、任务调度单元、用于激光SLAM建图、视觉建图以及环境障碍检测的环境识别单元、用于搜索和识别任务物品的物品识别单元、用于识别半身人形智能机器人的绝对位置、朝向以及姿态的位置识别单元、用于检测任务物品与半身人形智能机器人的相对位置的物品定位单元；其中，
所述信息接收单元分别与所述环境识别单元、所述物品识别单元、所述位置识别单元以及所述物品定位单元电连接；
所述任务调度单元分别与所述环境识别单元、所述物品识别单元、所述位置识别单元、所述物品定位单元、所述上身运动规划器以及所述底盘运动规划器电连接。
其中，还包括：用于显示系统状态和人机交互的液晶显示单元、用于与外部服务器通信、云计算、接收任务指令或者反馈半身人形智能机器人自身状态的网络接口单元、用于监控半身人形智能机器人运行状态的系统监控单元、保存用于完成任务所需的分解动作的动作存储单元、用于发送语音指令的语音识别单元以及用于接收外部控制器发送的任务指令和反馈半身人形智能机器人状态的外部通信单元；其中，
所述任务调度单元分别与所述液晶显示单元、所述网络接口单元、所述系统监控单元、所述动作存储单元、所述语音识别单元以及所述外部通信单元电连接。
其中，所述关节伺服控制器包括多个关节伺服控制单元；其中，
一个所述关节伺服控制单元控制一个机械臂关节，以实现机械臂关节的位置闭环。
其中，所述底盘电机控制器包括多个底盘电机控制单元；其中，
一个所述底盘电机控制单元控制一个底盘电机，以实现底盘电机的转速控制。
其中，所述任务管理器的处理器为工控机、微型计算机或者计算板卡。
其中，所述上身运动规矩器和所述底盘运动规划器的处理器均为 DSP或者ARM。
根据本实用新型的另一个方面，本实用新型提供一种半身人形智能机器人，包括上述半身人形智能机器人控制系统。
综上，本实用新型提供一种半身人形智能机器人控制系统，环境感知器把测量的环境信息发送到任务管理器，任务管理器基于上述环境信息和任务指令发布作业任务到上身运动规划器和底盘运动规划器，上身运动规划器基于上述作业任务生成机械臂关节角度序列发送到关节伺服控制器中，以完成作业任务，底盘运动规划器基于上述作业任务生成底盘电机转速序列发送到底盘电机控制器中，以完成作业任务。环境感知器、任务管理器、上身运动规划器、底盘运动规划器、关节伺服控制器以及底盘电机控制器构成完整的半身人形智能机器人控制系统，实现了底盘与上身的统一控制，提高其便捷性，有利于市场推广；对半身人形智能机器人进行分层控制，提高系统可靠性与控制效率。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为根据本实用新型实施例的一种半身人形智能机器人控制系统的结构框图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
图1为根据本实用新型实施例的一种半身人形智能机器人控制系统的结构框图，如图1所示，包括：
用于测量环境信息的环境感知器101、用于接收环境信息并且发布任务指令的任务管理器201、用于生成机械臂关节角度序列的上身运动规划器301、用于生成底盘电机转速序列的底盘运动规划器302、用于控制机械臂关节角度的关节伺服控制器401和用于控制底盘电机转速的底盘电机控制器402；其中，
所述任务管理器201分别与所述环境感知器101、所述上身运动规划器301以及所述底盘运动规划器302电连接；
所述关节伺服控制器401与所述上身运动规划器301电连接；
所述底盘电机控制器402与所述底盘运动规划器302电连接。
具体地，上身运动规划器301接收任务管理器201发送的半身人形智能机器人的作业任务，依据机器人运动学、动力学求解机械臂运动轨迹，生成各个机械臂关节角度序列，发送到关节伺服控制器401 中，以完成作业任务。
具体地，底盘运动规划器302接收任务管理器201发送的底盘移动任务和依据物理学运动学计算的移动路径以及在遇到障碍时的避障规划，底盘运动规划器302根据移动路径规划与车体参数，生成底盘各个电机转速序列，并发送到底盘电机控制器402中，以完成底盘移动任务。
在本实用新型实施例中，环境感知器把测量的环境信息发送到任务管理器，任务管理器基于上述环境信息和任务指令发布作业任务到上身运动规划器和底盘运动规划器，上身运动规划器基于上述作业任务生成机械臂关节角度序列发送到关节伺服控制器中，以完成作业任务，底盘运动规划器基于上述作业任务生成底盘电机转速序列发送到底盘电机控制器中，以完成作业任务。环境感知器、任务管理器、上身运动规划器、底盘运动规划器、关节伺服控制器以及底盘电机控制器构成完整的半身人形智能机器人控制系统，实现了底盘与上身的统一控制，提高其便捷性，有利于市场推广；对半身人形智能机器人进行分层控制，提高系统可靠性与控制效率。
在上述实施例的基础上，所述环境感知器101包括用于检测半身人形智能机器人基座位置、朝向以及姿态的位姿检测单元、用于检测半身人形智能机器人视觉朝向和获取双目彩色图像的双目视觉单元、用于扫描测距的激光雷达单元、用于检测是否有障碍以及与障碍的距离的超声波测距单元、用于检测是否接触物体的触摸传感单元、用于检测半身人形智能机器人机械臂所受外力的方向与大小的外力测量单元以及信息传递单元；其中，
所述信息传递单元分别与所述位姿检测单元、所述双目视觉单元、所述超声波测距单元、所述触摸传感单元、所述激光雷达单元以及所述外力测量单元电连接，所述信息传递单元与所述任务管理器电连接。
具体地，位姿检测单元把检测到的半身人形智能机器人基座位置、朝向以及姿态信息发送到信息传递单元；双目视觉单元把检测到的半身人形智能机器人视觉朝向和获取双目彩色图像信息发送到信息传递单元；激光雷达单元把检测到的扫描测距信息发送到信息传递单元；超声波测距单元把检测到的否有障碍以及与障碍的距离信息发送到信息传递单元；触摸传感单元把检测到的是否接触物体信息发送到信息传递单元；外力测量单元把检测到的半身人形智能机器人机械臂所受外力的方向与大小信息发送到信息传递单元。
在上述实施例的基础上，所述位姿检测单元包含GPS、电子罗盘以及第一陀螺仪，所述双目视觉单元包含双目彩色摄像头和第二陀螺仪。
具体地，双目视觉单元安装在半身人形智能机器人头部中央，包含双目彩色摄像头与第二陀螺仪，用于检测半身人形智能机器人视觉朝向和获取双目彩色图像，从而完成图像三维地图构建和物品识别。
具体地，位姿检测单元安装于底盘中间，包含GPS、电子罗盘、第一陀螺仪，用于检测半身人形智能机器人基座位置、朝向以及姿态，从而完成半身人形智能机器人定位与姿态检测。
在上述实施例的基础上，所述任务管理器包括信息接收单元、任务调度单元、用于激光SLAM建图、视觉建图以及环境障碍检测的环境识别单元、用于搜索和识别任务物品的物品识别单元、用于识别半身人形智能机器人的绝对位置、朝向以及姿态的位置识别单元、用于检测任务物品与半身人形智能机器人的相对位置的物品定位单元；其中，
所述信息接收单元分别与所述环境识别单元、所述物品识别单元、所述位置识别单元以及所述物品定位单元电连接；
所述任务调度单元分别与所述环境识别单元、所述物品识别单元、所述位置识别单元、所述物品定位单元、所述上身运动规划器以及所述底盘运动规划器电连接。
具体地，信息接收单元接收信息传递单元发送的环境信息。
具体地，环境识别单元依据激光雷达单元、超声波测距单元、双目视觉单元的数据可实现激光SLAM建图、视觉建图、环境障碍检测等环境识别任务。
具体地，物品识别单元利用双目视觉单元获取的数据，通过YOLO 算法或其他人工智能算法完成搜索、识别任务物品。
具体地，位置识别单元通过激光雷达单元、双目视觉单元来识别半身人形智能机器人在所建地图中的位置，通过位姿检测单元数据确定半身人形智能机器人所处绝对位置与朝向、姿态。
具体地，物品定位单元通过双目视觉单元、超声波测距单元检测任务物品与机器人的相对位置。
在上述实施例的基础上，还包括：用于显示系统状态和人机交互的液晶显示单元、用于与外部服务器通信、云计算、接收任务指令或者反馈半身人形智能机器人自身状态的网络接口单元、用于监控半身人形智能机器人运行状态的系统监控单元、保存用于完成任务所需的分解动作的动作存储单元、用于发送语音指令的语音识别单元以及用于接收外部控制器发送的任务指令和反馈半身人形智能机器人状态的外部通信单元；其中，
所述任务调度单元分别与所述液晶显示单元、所述网络接口单元、所述系统监控单元、所述动作存储单元、所述语音识别单元以及所述外部通信单元电连接。
具体地，液晶显示单元供任务调度单元调用，用于显示系统状态及完成人机交互任务。
具体地，网络接口单元用于实现任务管理器与外部服务器的通信，在任务管理器计算能力不足时实现云计算，或者在遥操作控制模式下接收遥操作任务指令，反馈半身人形智能机器人自身状态。
具体地，系统监控单元负责监控半身人形智能机器人本体运行状态，包括检测母线电压、电机电流、系统温度等，判断是否为故障状态，是否需要发出应急任务。
具体地，外部通信单元用于半身人形智能机器人本体与外部控制器间的通信，接收外部控制器的任务指令及反馈半身人形智能机器人状态。
具体地，动作存储单元用于保存用于完成任务所需的分解动作，供任务调度单元组合调用，减少任务管理器计算量。
具体地，任务调度单元依据不同控制模式，从网络接口单元、外部通信单元、语音识别单元获取任务指令，或通过系统监控单元获取自身状态及所感知的环境状态自主产生任务指令，确定任务指令后分解为由动作存储单元中所存动作组成的动作序列，把相应动作序列发送到上身运动规划器和底盘运动规划器，上身运动规划器和底盘运动规划器分别执行相应动作，直到完成任务指令。
在上述实施例的基础上，所述关节伺服控制器401包括多个关节伺服控制单元；其中，
一个所述关节伺服控制单元控制一个机械臂关节，以实现机械臂关节的位置闭环。
具体地，关节伺服控制单元数量由机械臂关节数量决定，一个关节伺服控制单元控制一个机械臂关节，实现机械臂关节的位置闭环。
在上述实施例的基础上，所述底盘电机控制器包括多个底盘电机控制单元；其中，
一个所述底盘电机控制单元控制一个底盘电机，以实现底盘电机的转速控制。
具体地，底盘电机控制单元数量与底盘电机数量对应，底盘电机控制单元控制底盘电机，实现底盘电机的转速控制。
在上述实施例的基础上，所述任务管理器的处理器为工控机、微型计算机或者计算板卡。
优选地，任务管理器的处理器为微型计算机，用于实现半人形智能机器人中计算量较大的数据运算。
在上述实施例的基础上，所述上身运动规矩器和所述底盘运动规划器的处理器均为DSP或者ARM。
优选地，上身运动规划器与底盘运动规划器的处理器均为DSP，用于负责路径规划、轨迹规划等实时性较强的数据运算。
本实用新型的实施例提供一种半身人形智能机器人，包括上述半身人形智能机器人控制系统。
具体地，半身人形智能机器人控制系统包括：用于测量环境信息的环境感知器、用于接收环境信息并且发布任务指令的任务管理器、用于生成机械臂关节角度序列的上身运动规划器、用于生成底盘电机转速序列的底盘运动规划器、用于控制机械臂关节角度的关节伺服控制器和用于控制底盘电机转速的底盘电机控制器；其中，
所述任务管理器分别与所述环境感知器、所述上身运动规划器以及所述底盘运动规划器电连接；
所述关节伺服控制器与所述上身运动规划器电连接；
所述底盘电机控制器与所述底盘运动规划器电连接。
具体地，上身运动规划器接收任务管理器发送的半身人形智能机器人的作业任务，依据机器人运动学、动力学求解机械臂运动轨迹，生成各个机械臂关节角度序列，发送到关节伺服控制器中，以完成作业任务。
具体地，底盘运动规划器接收任务管理器发送的底盘移动任务和依据物理学运动学计算的移动路径以及在遇到障碍时的避障规划，底盘运动规划器根据移动路径规划与车体参数，生成底盘各个电机转速序列，并发送到底盘电机控制器中，以完成底盘移动任务。
优选地，所述环境感知器包括用于检测半身人形智能机器人基座位置、朝向以及姿态的位姿检测单元、用于检测半身人形智能机器人视觉朝向和获取双目彩色图像的双目视觉单元、用于扫描测距的激光雷达单元、用于检测是否有障碍以及与障碍的距离的超声波测距单元、用于检测是否接触物体的触摸传感单元、用于检测半身人形智能机器人机械臂所受外力的方向与大小的外力测量单元以及信息传递单元；其中，
所述信息传递单元分别与所述位姿检测单元、所述双目视觉单元、所述超声波测距单元、所述触摸传感单元、所述激光雷达单元以及所述外力测量单元电连接，所述信息传递单元与所述任务管理器电连接。
具体地，所述位姿检测单元包含GPS、电子罗盘以及第一陀螺仪，所述双目视觉单元包含双目彩色摄像头和第二陀螺仪。
优选地，所述任务管理器包括信息接收单元、任务调度单元、用于激光SLAM建图、视觉建图以及环境障碍检测的环境识别单元、用于搜索和识别任务物品的物品识别单元、用于识别半身人形智能机器人的绝对位置、朝向以及姿态的位置识别单元、用于检测任务物品与半身人形智能机器人的相对位置的物品定位单元；其中，
所述信息接收单元分别与所述环境识别单元、所述物品识别单元、所述位置识别单元以及所述物品定位单元电连接；
所述任务调度单元分别与所述环境识别单元、所述物品识别单元、所述位置识别单元、所述物品定位单元、所述上身运动规划器以及所述底盘运动规划器电连接。
其中，所述信息接收单元与所述信息传递单元电连接。
优选地，所述任务管理器还包括：用于显示系统状态和人机交互的液晶显示单元、用于与外部服务器通信、云计算、接收任务指令或者反馈半身人形智能机器人自身状态的网络接口单元、用于监控半身人形智能机器人运行状态的系统监控单元、保存用于完成任务所需的分解动作的动作存储单元、用于发送语音指令的语音识别单元以及用于接收外部控制器发送的任务指令和反馈半身人形智能机器人状态的外部通信单元；其中，
所述任务调度单元分别与所述液晶显示单元、所述网络接口单元、所述系统监控单元、所述动作存储单元、所述语音识别单元以及所述外部通信单元电连接。
优选地，所述关节伺服控制器包括多个关节伺服控制单元；其中，
一个所述关节伺服控制单元控制一个机械臂关节，以实现机械臂关节的位置闭环。
优选地，所述底盘电机控制器包括多个底盘电机控制单元；其中，
一个所述底盘电机控制单元控制一个底盘电机，以实现底盘电机的转速控制。
优选地，所述任务管理器的处理器为工控机、微型计算机或者计算板卡。
优选地，所述上身运动规矩器和所述底盘运动规划器的处理器均为DSP或者ARM。
具体地，半身人形智能机器人可分为上身及底盘两部分。
具体地，位姿检测单元安装于底盘中间，包含GPS、电子罗盘、第一陀螺仪，用于检测半身人形智能机器人基座位置、朝向、姿态，用于半身人形智能机器人定位与姿态检测。
具体地，双目视觉单元安装在半身人形智能机器人上身的头部中央，包含双目彩色摄像头与第二陀螺仪，用于检测半身人形智能机器人视觉朝向和获取双目彩色图像，用于图像三维地图构建、物品识别等。
具体地，激光雷达单元安装在底盘外前部，用于激光SLAM建图与定位时的扫描测距。
具体地，触摸传感单元安装于半身人形智能机器人机械臂末端执行机构上，用于检测是否接触物体。
具体地，超声波测距单元安装在底盘四周以及躯干不同高度，用于检测不同高度半身人形智能机器人正前方，左前方、右前方、正右方、正左方、左后方、右后方、正后方是否有障碍及与障碍的距离。
具体地，外力测量单元的外力传感器安装在两条机械臂肩部与末端，用于检测半身人形智能机器人机械臂所受外力的方向与大小，以实现柔顺控制。
在本实用新型实施例中，环境感知器把测量的环境信息发送到任务管理器，任务管理器基于上述环境信息和任务指令发布作业任务到上身运动规划器和底盘运动规划器，上身运动规划器基于上述作业任务生成机械臂关节角度序列发送到关节伺服控制器中，以完成作业任务，底盘运动规划器基于上述作业任务生成底盘电机转速序列发送到底盘电机控制器中，以完成作业任务。环境感知器、任务管理器、上身运动规划器、底盘运动规划器、关节伺服控制器以及底盘电机控制器构成完整的半身人形智能机器人控制系统，实现了底盘与上身的统一控制，提高其便捷性，有利于市场推广；对半身人形智能机器人进行分层控制，提高系统可靠性与控制效率。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。