交互式遥操作机器人技术是智能机器人发展的一个热门研究课题,手控器是遥操作机器人系统中的一种人机交互接口设备,是一种典型的机电一体化智能装置,本文以国家"863"项目为背景,旨在系统地研究手控器的设计理论及应用.第一章回顾手控器的发展历史,总结发展现状,提出本文的研究内容.通过分析手控器的分类方法研究了手控器的机械结构特征,总结出现代手控器发展表现出多自由度、通用化和多功能化的特点,随着应用领域不断拓宽,异构式手控器由于它的通用性而成为发展的主流,新的位姿测量和力反馈元件的发明不断地为手控器设计提供出新的思路.本章还研究了手控器设计中尚没有解决的问题及国内研究的情况,提出了本文的研究内容.第二章研究手控器机构设计方法和机械设计理论.虚拟现实技术的"自律性、沉浸感、交互性,,三个要素及人体工学原理是手控器设计的基本原则,提出测量手掌运动位姿最符合人类的工作习惯.在此基础上确定了手控器自由度数目、工作空间、力觉反馈的大小,驱动装置类型,形成新型手控器设计的基本依据,手控器的尺寸必须在紧凑性、重量等与较大的工作空间之间作折衷,基于上述指导思想,设计了一种命名为HC01型的新型手控器,它由两组平行四边形机构组成混联机构形成手控器的三维空间运动,在两级平行四边形机构末端串联两个空间转动副用以测量人手运动姿态,用一个手指关节控制远端从机器人末端工具的运动,提出了所设计机构的运动学模型,分析表明这是一种具有平动和转动分离的机构,机构的解耦性为以后研究手控器的动力学方程和控制算法提供便利;根据手控器的结构特点用便捷的方法求出了机构的Jacob矩阵,应用Jacob矩阵分析了机构的运动奇点,证明了机构设计的合理性.研究了手控器的工作条件、机械零部件设计的原则和调试装配措施,给出了主要零件的特点和关键特性,用于指导生产制造.第三章研究了机器人的力学建模方法.用约束解除的方法逐个分析了机构中各零件的受力,不仅能得到手控器关节电机驱动力矩和力觉反馈的关系,还能同时得到各构件的受力特性,为构件的强度设计提供依据.研究了所设计平行四边形机构的运动学特点,提出适当而且简捷的动力学方程求解方法,列出了手控器的拉格朗日方程,分析了所列出的动力学的应用.第四章设计了手控器测控系统,包括电路硬件和控制算法.根据人体手臂运动的特点,提出了手控器测控系统的设计指标,针对手指关节空间狭小提出了用磁阻传感器测量手指关节运动的方案,手控器的力反馈元件选用了直流力矩电机,采用PWM方式控制电机的输入电压以调节电机的输出力矩,讨论了电机输出非线性的消除方法,利用微机串口实现了多关节电机的通信和控制.证明了具有沉浸感时主从运动映射算法的特性,这种算法应当满足位移矢量平行的条件,算法的非线性表现在主从运动映射后速率的不同,研究了以MOTORMAN机器人为控制对象的主从运动映射模型,针对主从机器人工作空间的不同,提出了零位重置开关的概念,以充分发挥主从机器人各自的工作能力.第五章从系统角度探讨了手控器在一个遥操作系统中的作用.遥操作机器人系统的主要工作模式有监控模式、远程规划模式、临场感模式等,为了实现这些工作模式,系统应当具备监控、自主、预测和虚拟现实建模等多种功能,在不同的工作模式下,所要实现的功能不同,主从机器人间的交互、手控器与操作者间的交互也不同.手控器在远程规划模式、临场感模式下是重要的人机交互设备.在这些模式下,手控器的功能应当与系统功能相适应.第六章总结了本文的工作,提出了今后的研究方向.