载人航天不仅仅可以扩大人类活动范围,而且是对太空资源开发、利用的重要手段,对于一个国家的经济、科技和政治等发展都起到至关重要作用,所以世界各国对其都很重视。然而,空间站上的微重力环境与地球上的重力环境有很大不同,虽然物体没有重力,但是物体的惯性力依然存在,这将给习惯于重力环境中生活的航天员在空间站上带来一定的操作危险性。为此,需要在地面上对航天员进行微重力操作训练使其提前适应空间站上的环境。微重力环境模拟作业训练机器人是一种将VR设备与柔索并联机器人结合使用的机器人,通过VR给航天员提供空间站环境的听觉和视觉临场感,柔索并联机器人给航天员提供微重力环境操作训练的力觉临场感。该机器人可以模拟航天员在微重力环境中操作不同质量物体,带来和空间站环境中操作相同质量物体同样的力觉感受,这对于推动虚拟现实及临场感的技术进步、拓宽机器人技术的应用领域、促进我国航天科技发展有重要意义。本论文在国家自然科学基金项目:航天员虚拟作业训练机器人及协同控制技术研究（61773007）的资助下,针对现有模拟微重力环境装置复杂、训练准备时间长、训练时间短、交互力小等问题,探索通过柔索驱动并联机器人模拟微重力环境中的物体来训练航天员的操作感受,对机器人构型和工作空间、柔索张力分配、柔索驱动单元控制策略、机器人力觉交互及控制四个关键技术展开理论分析和实验研究。具体研究工作包括:首先,介绍了目前模拟微重力环境技术现状及虚拟环境模拟作业训练机器人技术现状,分析航天员空间站的主要操作任务,通过对常规作业任务分析,确定航天员空间站内和空间站外的手臂的典型作业动作为推送物体、收回物体、碰撞物体、扭转物体,并根据作业指标确定机器人的主要设计指标和设计要求;经过优化确定机器人的固定平台及末端执行器的最初尺寸;确定满足作业要求的空间模式机器人构型和平面机器人构型;确定机器人的总体控制方案、电机驱动器、通讯方案。其次,对于平面构型机器人提出了分析柔索与末端执行器干涉的力螺旋可行工作空间算法;优化了机器人的末端执行器上柔索铰接点位置,确定了机器人的最佳布局方式;优化一种用于平面构型机器人的1驱动冗余的柔索张力分配策略,仿真验证了该策略的可行性。提出分析空间构型机器人的柔索之间及柔索与末端执行器表面之间干涉的力螺旋可行工作空间求解算法;优化了机器人的末端执行器尺寸,可使机器人的力螺旋可行工作空间最大;分析柔索布局对力螺旋可行工作空间的影响,确定了工作空间最大时的柔索布局;确定了三种布局方式末端执行器具有的最大姿态角,确定机器人的最佳构型;为提升机器人在力螺旋可行工作空间内控制的实时性,优化一种用于空间构型机器人的2驱动冗余的柔索张力分配算法。第三,确定柔索驱动单元的传递函数,分析多余力减少方法,设计了干扰观测器。分析有无干扰观测器的PI控制策略对柔索驱动单元主动加载、被动加载精度的影响,仿真和实验验证有干扰观测器的PI控制提升了系统加载精度;分析有无干扰观测器的复合控制对柔索驱动单元主动加载、被动加载精度的影响,仿真和实验验证有干扰观测器的复合控制提升了系统加载精度。对比了两种控制策略对提升系统加载精度的优劣,最终确定使用复合控制结合干扰观测器的控制策略。第四,建立虚拟物体在二维空间和三维空间微重力环境中的动力学模型;建立了微重力环境模型和人与虚拟环境交互模型;根据机器人的力觉交互要求,建立了机器人的控制策略,使微重力环境模拟作业训练机器人能够逼真的模拟微重力环境中物体的运动特性及力学特性;通过仿真分析平面构型机器人和空间构型机器人自由运动模型、碰撞模型的准确性、交互力加载的准确性。最后,以dSPACE半物理仿真平台为基础在直线滑轨模拟微重力环境、平面二柔索机器人模拟的微重力环境、平面四柔索模拟的微重力环境中进行了各种训练模式实验;进行平面二柔索机器人模拟微重力环境实验,将实验结果与直线滑轨模拟的微重力环境中操作真实质量物体时手臂的感受对比,分析柔索张力分配情况,验证柔索张力分配策略和控制策略的有效性;平面四柔索机器人模拟微重力环境实验,实验结果进一步验证柔索张力分配策略、控制策略的有效性,平面构型的微重力环境模拟作业训练机器人用于航天员作业训练的合理性。