本發明屬于機器人遙操作，涉及一種基于雙向力覺映射的沉浸式機器人遙操作主從系統及方法。
背景技術：
1、當前，機器人遙操作正從傳統的視覺依賴型操作向多模態沉浸式交互演進。傳統操作手柄通常專注于對機械臂位姿或夾爪開合的控制，缺乏對機器人移動平臺等進行集成化控制的能力，迫使操作者在多個控制設備間切換，效率低下且操作復雜；并且在力覺再現方面存在根本性缺陷：它們無法連續、精準地復現機器人末端執行器（如夾爪）與遠程環境交互時產生的矢量力與力矩。
2、當前雖有部分方案嘗試通過加裝六維力傳感器來獲取交互力，但該方案成本高昂、系統復雜，且未從根本上解決因通信延遲導致的力反饋不同步、系統穩定性差的核心問題。此外，多數主手設備功能單一，無法同時實現對機器人機械臂空間位姿、夾爪精細操作以及移動平臺運動的集成控制，導致操作流程繁瑣，效率低下。
3、在無線通信環境下固有的時延與抖動從而引發系統不穩定和不同步感，嚴重增加操作難度甚至誘發操作員暈動癥，這已成為制約高性能遙操作技術發展的核心瓶頸。雖有研究嘗試通過安裝高成本六維力/力矩傳感器來獲取交互力，但其系統復雜、成本高昂，且仍未有效解決通信延遲下的穩定透明控制問題。
技術實現思路
1、本發明解決的問題在于提供一種基于雙向力覺映射的沉浸式機器人遙操作主從系統，降低系統成本與復雜度，同時保證力反饋信息的準確性。
2、本發明是通過以下技術方案來實現：
3、一種基于雙向力覺映射的沉浸式機器人主從遙操作系統，包括通過無線通訊方式建立主從位置-力雙向閉環控制的主手控制器和從端機器人；
4、所述主手控制器，包括內設三維空間定位模塊和控制板的控制手柄，控制手柄上還設有按鍵、搖桿和力反饋扳手，以及與控制手柄相連接的反饋驅動電機和反饋傳動機構；
5、主手控制器將機械臂目標位姿指令、執行末端閉合/釋放指令、移動平臺的控制信號發送給從端機器人構成前向控制通道；
6、所述從端機器人設有采集執行末端電流的傳感器、及采集執行末端位置與速度的編碼器，分別將采集的信號發送給主手控制器；
7、控制板基于從端機器人反饋的電流i與預設的扭矩系數kt獲得反饋力矩，作為從端的力覺反饋；控制板依據反饋力矩向反饋電機發送抵抗力矩指令，反饋驅動電機依據抵抗力矩指令轉動，驅動反饋傳動機構動作，構成反向反饋通道。
8、進一步，所述三維空間定位模塊檢測主手控制器在三維空間中的位置和姿態，并發送給控制板；控制板基于從位置到位置的映射轉換為從端機器人的機械臂的目標位姿指令；
9、所述搖桿設有模數轉換器，實時采集搖桿的位移信號，并將其電壓值轉換為數字信號發送給控制板；控制板將位移信號轉換為從端機器人的移動平臺的控制信號；
10、所述力反饋扳手設有觸發傳感器，采集力反饋扳手的觸發信號并發送給控制板；控制板將該觸發信號作為從端機器人的執行末端的閉合指令；
11、或者，以反饋驅動電機的位置信息host_location作為執行末端的閉合位置信息。
12、進一步，所述反饋驅動電機通過底座與控制手柄相連接；
13、反饋傳動機構包括通過曲柄連桿與反饋驅動電機輸出軸相連接的滑塊，滑塊嵌套在固定于底座上的滑軌內；位于控制手柄的握柄上方的力反饋扳手與滑塊相連接，力反饋扳手與曲柄連桿組成曲柄滑塊機構。
14、進一步，所述反饋驅動電機設在在握柄的正前方，同時與控制手柄的手柄上蓋保持一定間距；
15、所述曲柄連桿包括相連接的曲柄和連桿，曲柄通過曲柄電機連接件與反饋驅動電機的輸出軸相連接；連桿通過六面螺母與滑塊相連接，滑塊與滑軌通過滑動副連接；
16、所述力反饋扳手末端設有與食指相匹配的扳機。
17、進一步，所述主手控制器與從端機器人上均設有wi-fi模塊，以此建立無線通訊；
18、所述從端機器人的移動平臺，包括設有多個全向移動輪的全向移動底盤，機器人軀干部分與全向移動底盤之間設有可上下移動的滑臺；
19、機器人的機械臂分別設置在軀干部分的兩側，軀干部分與滑臺固定連接；滑臺垂直固定于全向移動底盤的中心區域；
20、機械臂的末端設有作為執行末端的夾爪。
21、進一步，所述扭矩系數kt經標定而獲?。?/p>
22、在執行末端運動時，采集其實時電流信號，經過克拉克變換和帕克變換后，得到與磁場方向正交的電流分量，該電流分量直接用于控制電機產生輸出力矩；并使用六維力傳感器測量實時交互力矩，以此構建包含多組樣本的原始數據集；
23、對原始數據集中的電流信號進行一階低通濾波，將濾波后的電流與交互力矩按時間序列對齊作為電流-力矩數據；以線性模型?τ?=?kt?*?i作為擬合基礎，τ為從端反饋的交互力矩，并對電流-力矩數據進行線性回歸分析，以擬合的線性模型的系數作為扭矩系數kt；
24、所述控制板將從端反饋的交互力矩τ按設定的比例縮放之后作為反饋力矩。
25、本發明還提供基于雙向力覺映射的沉浸式機器人主從遙操系統的操作方法，包括以下操作：
26、當無線通訊發生瞬時通信延遲或丟包時，主手控制器根據上一次控制周期接收到的包括位置、速度、力矩在內的從端狀態數據及預測模型，對主從兩端的狀態向量進行實時估計與更新，獲取最優的狀態預測結果，生成短時預測指令發送給從端機器人；
27、所述預測模型：設系統的狀態向量x=[p,?v,?τ,?i,?kt]，其中p為從端位置，v為從端速度，τ為從端反饋的交互力矩，i為從端電機電流，kt為扭矩系數；t表示行向量轉置。
28、進一步，所述短時預測指令的生成包括以下操作：
29、1）狀態預測：以上一次成功接收的從端狀態xk為初始估計，利用狀態
30、方程xk+1=?a·xk+?b·uk向前遞推n步，n?為最大預估延遲時間/控制周期，獲得未來n個控制周期的狀態預測序列?{xk+1,xk+2,?...,xk+n}；
31、其中，a矩陣為系統的固有動力學特性，描述系統的狀態向量x；
32、b矩陣將控制指令映射到狀態變量的變化率上，描述控制指令uk驅動和改變系統狀態x；uk為在第?k個控制周期施加給系統的控制量或控制指令；
33、2）力矩估算：
34、基于狀態向量xk+1的預測，獲得第k+1個控制周期的預測電流i?；
35、基于預測電流i?與扭矩系數kt，計算預測交互力矩τ=kt·i?；
36、3）指令合成：依據主端期望軌跡與從端狀態預測值，利用前饋控制實現快速模型跟蹤，同時基于預測狀態的反饋控制以補償不確定性，生成目標控制力；
37、將目標控制力轉化為指令，并且為抑制抖動，對指令進行一階低通濾波處理。
38、4）指令封裝與時序校正：為每個預測指令附加未來對應時刻的時間戳，打包后持續發送至從端，確保從端在數據缺失期間仍能按正確時序執行動作。
39、進一步，所述a矩陣、b矩陣獲取為：
40、首先，基于從端執行機構獲取a、b矩陣的基本結構與參數化形式；
41、然后，通過對從端系統施加已知的激勵信號，并同步采集其狀態變量的實際響應數據；
42、隨后，利用參數估計算法，基于輸入-輸出數據進行最優擬合，確定a、b矩陣中各元素的數值，獲得連續時間模型；
43、離散化：將校準后的連續時間模型，按照系統的實際控制周期，通過零階保持器離散化方法轉換為離散時間狀態方程形式：xk+1=?a·xk+?b·uk，得到用于前向遞推預測的離散系統矩陣a和b。
44、進一步，所述目標控制力的生成包括以下操作：
45、所述目標控制力的生成包括以下操作：
46、3.1）獲取主端期望軌跡：采集操作者對主手控制器的實時操控，獲取從端機械臂的期望位姿xdes、期望速度x˙des及期望加速度x¨des；
47、3.2）從端狀態預測值：由狀態向量預測獲取未來n個控制周期的從端系統狀態的預測值，包括預測位姿xpred與預測速度x˙pred；
48、3.3）前饋項計算：基于以下從端機器人的動力學模型，利用期望軌跡計算前饋控制力，實現理想模型軌跡的快速跟蹤；
49、uff=m(xdes)x¨des+c(xdes,x˙des)x˙des+g(xdes)；
50、其中，m為慣性矩陣，c為科里奧利力與離心力矩陣，g為重力項；
51、3.4）反饋項計算：反饋控制器的輸入誤差基于預測狀態與期望軌跡的差值，反饋項計算為：
52、e=xdesxpred,e˙=x˙desx˙prede；
53、ufb=kpe+kd?e˙+ki?∫e?dt；
54、其中，kp,kd,ki均為反饋控制器的增益矩陣，該反饋項用于修正模型誤差、未建模擾動以及預測誤差，確保系統穩定性和跟蹤精度；e為軌跡誤差，e˙x˙為軌跡誤差的微分，ufb為反饋項的輸出；
55、3.5）目標控制力合成：將前饋項與反饋項疊加，生成最終發送給從端驅動器的目標控制力：ucmd=uff+ufb。
56、與現有技術相比，本發明具有以下有益的技術效果
57、本發明能夠將操作者的動作精準地映射至從端機器人，并能將從端機器人與環境交互產生的力真實地、低延遲地反饋給操作者，形成感知-動作閉環；集成空間位姿控制、精細力控與移動平臺控制于單一主手設備，提升操作效率和直覺性。
58、本發明具有低成本與高性能：本發明省去了昂貴且復雜的六維力/力矩傳感器，極大地降低了系統成本和復雜度，同時保證了力覺信息傳遞的準確性與實時性，使操作者能夠清晰地感知遠程環境的觸感；
59、本發明具有操作簡便性與同步性：本發明通過主手控制器就能夠完成機器人夾爪控制、機械臂位姿控制及移動平臺控制的全尺度、精細化控制，并通過搖桿控制機器人移動平臺的運動；而且力反饋主手控制器上部分零件可以采用增材制造技術進行制作，在保證強度與長時間使用舒適度的前提下能夠有效降低力反饋主手控制器整體的重量及成本。
60、本發明通過主從位置-力雙向閉環同步控制，并結合實時操作系統（freertos）和高性能無線通信，有效抑制了通信延遲和抖動的影響，大幅提高了系統的穩定性、魯棒性和操作同步性，減輕了操作員的不同步感和操作負荷；并且都可以通過模塊化設計來實現，便于未來擴展更多功能，便于更換不同的末端執行器。
61、本發明結構輕便且穩定：在保證強度的前提下進行輕量化優化，除少數零件為保證精度與強度要求使用cnc金屬加工件外，其余零件均可通過高強度的碳纖維板材與增材制造技術制作的定制零件代替，有效降低了人手長時間遙操作的負擔且整體結構穩定，保證了力反饋主手控制器的穩定性。