遥操作工程机器人系统借助于人的智能和经验来完成复杂环境下的远程作业任务,通过视觉、力觉、运动觉等临场感提示技术提高系统的稳定性和可操作性。为了使操作者能够直观、高效地完成遥操作工程机器人的远程作业任务,本文设计并研究一种基于虚拟现实(VR)的遥操作工程机器人系统,采用主从遥操作方式,在主端建立虚拟工程机器人系统为操作者提供视觉和力觉临场感,使用力反馈手柄对远端工程机器人进行控制。系统工作时,双目视觉定位系统采集目标物特征点的坐标信息并反馈给虚拟工程机器人系统,通过三维重建技术更新虚拟工程机器人系统中目标物及作业环境的姿态,以此作为系统的视觉反馈。远端工程机器人抓手上安装的力传感器采集机械抓手与目标物的作用力,经过相应的力反馈控制算法计算得到反馈力,通过力反馈手柄反馈给操作者,作为系统的力觉反馈。具体工作内容如下:首先,从遥操作工程机器人的实际任务出发,完成了基于VR的遥操作工程机器人系统的整体设计。搭建了组成该系统的工程机器人子系统、双目视觉定位子系统、力反馈子系统的硬件平台,设计了虚拟工程机器人子系统和运行管理子系统。然后,针对传统双目视觉定位方法难以满足遥操作工程机器人快速、准确作业要求的问题,提出了一种基于改进ORB特征的遥操作工程机器人双目视觉定位方法。完成相机的标定、特征提取与匹配,并分别以长方体砖块、多边形石块和不规则石块为目标物,与传统的SIFT、SURF和ORB算法进行对比实验研究。其次,完成了虚拟工程机器人系统建模。根据工程机器人的结构和运动特点,建立了工程机器人的几何模型和运动学模型。分析了力反馈系统原理,完成了力反馈系统的硬件选型和软件设计。最后,设计了基于VR的遥操作工程机器人系统的实验方案,对双目视觉定位系统进行实验研究并建立了遥操作工程机器人系统模型,完成了目标物的抓取实验。研究结果表明:基于改进ORB特征的遥操作工程机器人双目视觉定位方法,可以提高匹配效率、消除误匹配,定位效率高,能满足遥操作工程机器人作业的实时性要求。基于VR的遥操作工程机器人系统能够减小视觉反馈的时延,实现视觉反馈与力觉反馈的同步,使操作者能够直观、高效地完成遥操作工程机器人的远程作业任务。