随着虚拟现实技术的发展,力反馈主手的重要地位也日益凸显。作为交互式探索系统中不可或缺的组成部分,力反馈主手可以实现人与虚拟环境之间的运动和力的信息传递,再现人手与环境之间的接触情况,增强了虚拟现实的临场感。本文针对现有力反馈主手存在的结构刚度较低、输出能力有限以及应用单一化等问题,面向通用操作对象,设计了一种具有较大输出能力的六自由度力反馈主手。根据力反馈设备对刚度、反向驱动性及输出能力等性能的要求,对现有的两种并联机构进行改进,并组合成混联机构作为主手的机械本体。对该机构的正、逆向运动学进行了分析。根据分析结果,为了在保证力传递性能的同时使结构保持紧凑,提出了灵巧度与体积指标相结合评价指标,并以此为目标对机构的尺寸参数进行了优化;考虑到定位并联机构的运动部分质量较大,需要对其动力学进行分析。采用Newton-Euler方法建立了递推形式的动力学模型,并分别在Simulink环境和ADAMS环境下进行了仿真验证,结果表明建立的数学模型基本正确。根据所提出的设计指标,在运动学分析的基础上对力反馈主手的机械机构进行了详细设计。对转动副接头结构进行了优化,扩大了转动副的运动范围;采用蒙特卡洛方法对反馈力与主手位置的关系进行了分析,指出了反馈力最大的两个对角位置;根据计算结果进行电机、驱动器以及运动控制卡等元器件的选型,最终装配完成力反馈主手的硬件主体。针对力反馈主手操作过程中存在反向驱动阻力的问题,从动力学补偿与摩擦力补偿方面进行了研究。采用时滞估计方法,由理想动力学模型计算得到动力学补偿力。然后对移动关节与转动关节的摩擦力进行了研究,采用静摩擦+粘滞摩擦+库伦摩擦的形式对摩擦力进行建模,并通过实验的方法分别对转动关节与移动关节摩擦模型中的关键参数进行了辨识,采用前馈的方式,将动力学模型与摩擦模型加入控制器中以补偿反向驱动过程中的阻力。实验结果表明采用反向驱动补偿控制后反向驱动力降低了70%以上。对力反馈过程中两个阶段分别进行控制系统的设计:在遥操作阶段采用反向驱动补偿达到柔顺控制的效果。而在力反馈阶段则采用基于位置的阻抗控制方法对电机的输出力进行控制,达到模拟虚拟环境中的接触的目的。由于主从操作中通常是异构映射,因此对力反馈主手的运动学映射进行了研究,提出了一种基于位置与速度的变比例映射方法。最后通过实验表明,在遥操作阶段人手能够自由地操作力反馈主手;在力反馈阶段,主手能够根据给定的阻抗参数和运动状态输出相应的反馈力,准确地模拟出人与虚拟环境之间的接触情况。