具身机器人软件系统架构设计
具身机器人作为能够与物理世界直接交互、具备环境感知与自主决策能力的智能系统，其软件架构的核心目标是实现'感知 - 决策 - 执行'的闭环协同，同时满足实时性、可靠性、可扩展性与模块化的设计要求。基于这一目标，主流的具身机器人软件系统通常采用分层架构设计，从上至下依次分为感知层、认知决策层、运动控制层，辅以通信层、驱动层和系统管理层作为支撑，各层通过标准化接口实现数据流转与功能协同。以下将详细拆解各层的核心功能、关键技术及典型模块。
一、核心分层架构：从感知到执行的闭环
分层架构的优势在于将复杂的系统功能解耦为独立模块，便于开发迭代、故障定位与功能扩展。各层既各司其职，又通过数据总线或中间件实现高效交互，形成完整的智能行为链条。
1. 感知层：物理世界的'数据入口'
感知层是机器人获取外部环境与自身状态信息的基础，核心任务是将传感器采集的原始数据转化为结构化的语义信息，为上层决策提供可靠输入。其核心要求是实时性、准确性与鲁棒性，需应对光照变化、动态障碍物、传感器噪声等复杂场景干扰。
主要模块及技术要点如下：
- 多传感器数据采集模块：负责接入各类传感器数据，包括视觉传感器（单目/双目相机、深度相机、激光雷达）、触觉传感器（力觉传感器、力矩传感器、柔性触觉阵列）、惯性传感器（IMU）、听觉传感器（麦克风阵列）及环境传感器（温度、湿度、气体传感器）等。该模块需解决多传感器时钟同步问题，通过时间戳校准实现数据的时空对齐。
- 数据预处理模块：对原始数据进行去噪、滤波、格式转换等操作，降低冗余信息。例如，对激光雷达点云进行下采样去除无效点，对相机图像进行畸变校正，对触觉数据进行滤波消除高频噪声。
- 环境感知模块：基于预处理数据完成环境建模与关键信息提取，核心功能包括：
- 场景建模：通过 SLAM（同步定位与地图构建）技术生成三维环境地图，主流方案包括激光 SLAM（如 GMapping、Cartographer）和视觉 SLAM（如 ORB-SLAM、DSO）；
- 目标检测与识别：利用深度学习模型（如 YOLO、Faster R-CNN）识别环境中的物体（如家具、工具）、人体及手势、表情等语义信息；
- 障碍物检测：通过点云聚类、图像分割等技术实时识别动态或静态障碍物，为路径规划提供依据。
- 自身状态感知模块：监测机器人的位姿（位置与姿态）、关节角度、电池电量、电机温度等自身状态数据，确保运动控制的精度与系统运行的安全性。例如，通过 IMU 与里程计的融合估算机器人的实时位姿，通过关节传感器反馈机械臂的运动状态。
2. 认知决策层：机器人的'大脑核心'
认知决策层是具身机器人智能性的核心体现，负责基于感知层提供的语义信息，结合任务目标与环境约束，制定具体的行动方案。其核心要求是自主性、灵活性与目标导向性，需具备任务规划、动态决策与学习进化的能力。
主要模块及技术要点如下：
- 任务解析与规划模块：将用户输入的高层任务（如'整理桌面''取一杯水'）分解为可执行的子任务序列。例如，'取一杯水'可分解为'移动至冰箱→打开冰箱门→抓取水杯→移动至饮水机→接水→移动至目标位置'。该模块常用技术包括分层任务网络（HTN）、规划域定义语言（PDDL）及基于强化学习的序列规划方法。
- 路径规划模块：根据环境地图与障碍物信息，为机器人的移动底盘或机械臂规划最优运动路径，需满足避障、路径最短、运动平稳等约束。针对移动底盘，常用全局路径规划算法（如 A*、Dijkstra）与局部动态避障算法（如 DWA、TEB）结合；针对机械臂，需结合运动学正逆解，采用关节空间规划（如 JMT）或笛卡尔空间规划算法。
- 动态决策模块：应对环境中的动态变化（如突然出现的行人、物体位置变动），实时调整行动方案。例如，当机器人在移动过程中检测到新的障碍物时，决策模块会触发路径重规划；当抓取物体失败时，会切换抓取姿态或调整力度。该模块常用技术包括强化学习（RL）、马尔可夫决策过程（MDP）及模糊逻辑决策。
- 人机交互理解模块：实现机器人与人类的自然交互，解析用户的指令与意图。支持的交互方式包括语音交互（通过 ASR 语音识别与 NLP 自然语言处理解析语音指令）、视觉交互（通过手势识别、表情识别理解非语言信号）及触觉交互（通过触觉反馈感知人类的操作意图，如手把手教学）。
- 学习与进化模块：通过持续的环境交互与任务执行，优化决策策略与模型参数，提升机器人的适应能力。例如，通过强化学习训练机械臂的抓取策略，使其适应不同形状、重量的物体；通过迁移学习将在模拟环境中训练的模型迁移到真实场景，降低真实场景的训练成本。
3. 运动控制层：决策的'执行终端'
运动控制层负责将认知决策层输出的行动指令转化为机器人执行器的具体动作，核心目标是实现高精度、高响应性的运动控制，确保机器人的移动、抓取、操作等动作符合预期。该层直接与硬件驱动交互，是连接软件与硬件的关键桥梁。
主要模块及技术要点如下：
