在危险恶劣的灾害环境中,机械臂系统可以完成搬运、挖掘和拆卸等功能,代替或辅助人们进行危险操作。机械臂视觉伺服系统不仅可以通过视觉传感器对环境信息进行采集,还可以对危险物品进行处理。因此,对机械臂视觉伺服系统的应用无论在军工还是社会都占有很重要的地位,因此需要对其进行系统性设计及研究。本文的主要工作如下:首先,分析国内外救援机器人机械臂系统的研究情况,确定机械臂的基本设计参数及总体设计过程,利用Pro/Engineer完成三维虚拟样机设计,并利用ANSYS对重要零件进行静力学分析,验证结构设计的合理性,利用蒙特卡洛法求解机械臂的运动空间,为后续工作奠定基础。其次,对设计的机械臂模型进行正运动学及逆运动学分析和仿真,利用ADAMS分析机械臂动力学,得到机械臂在运动过程中各关节所受力及力矩曲线,验证电机选择的合理性。再次,完成了视觉系统的设计,采用Kinect作为视觉传感器,分析了其成像模型,采用张正友标定法得到彩色及深度相机的内参。分别通过基于彩色图像的模版匹配法和基于深度图像的背景相减法实现了物体识别,得到物体的三维坐标,并分析了矿山环境的特点,给出改进方案。最后,在移动机器人平台上进行目标识别及机械臂抓取实验,验证机械臂视觉伺服系统的可行性;同时,在开源机器人操作系统(ROS)上实现机械臂建模及控制仿真,为后续基于ROS系统的视觉伺服系统的实现奠定基础。