力反馈的机械臂远程操控系统,能够为操控者提供临场感,缩短任务时间,提高操控效果和实现精细操控。研究人员对远程操控系统的机械结构和控制系统进行了大量研究,但大多都基于提高性能和解决延时等问题,远程操控系统作为人机交互设备,人机工效会对操控任务产生很大影响,本文围绕人机工程学进行设计,研究适合人体力觉感知的人机交互系统。在机械结构方面,操控台的人机工程学、反馈力大小、机构的灵活性以及操控主手高精度、低质量和良好的重力补偿策略都将影响操控者的操控体验、操控精度和操控效率。本文在基于目前操控器构型基础上,将位置和姿态分离,使用左手位置控制,右手姿态控制的双手协调操控方式,解决通常力反馈设备反馈力大小和机构灵活性存在冲突的问题,也同时解决力传感器安装问题,实现力的闭环控制。在操控器结构优化上,改进转动副结构,引入直驱电机和绳驱动组合的方式,解决操控器间隙问题,引入被动重力补偿机制,对左手操控器Delta机构的主动臂进行改进,通过改变主动臂构型的方式改变主动臂重心,并引入弹簧提供补偿力矩,在减轻机构重量的同时提供了高扭矩的被动重力补偿量,对右手串联型操控器,采用对称结构设计加配重的方式调节重心位置,提供被动重力补偿,增加被动重力补偿机制,有效的减少主动重力补偿下的电机扭矩输出,提高了系统安全裕量。在控制系统方面,针对力反馈-位置型存在操控稳定性问题,通过引入警告力代替干涉情况下的大刚性接触,提高操控稳定性。考虑到关节的耦合作用,结合具体机构,设计具有动力学补偿的力反馈闭环解耦控制策略,实现异构型主手的解耦控制,为操作者提供稳定的六自由度力反馈,并在此基础上详细分析左手操控器动力学特征,结合人手操控这一实际应用情况对动力学补偿量进行取舍,降低操控系统运算量,提高系统的实时性。在测控系统设计方面,使用工业控制计算机和运动控制卡结合的方式搭建硬件系统,测控系统软件上采用Lab VIEW和Matlab联合的方式进行开发。最后,使用可视化仿真模型对操控器的工作空间、被动重力补偿策略以及力反馈控制策略进行验证,证明设计合理。