工作在交互方式下的遥控机器人是在人不能进入的或危险的环境中完成作业及远地遥操作的有力手段。临场感技术是人机交互的核心，它通过传感器取得远处从机械手与环境的各种信息，并反馈到本地操作者处，由相应装置将这些信息再现给操作者，使操作者产生身临其境的感觉，有效地完成作业任务。比率遥操作系统是用来实现或提高人在那些不符合人体尺度的小尺度或微观世界中完成精细作业任务的一类主从式遥控机器人。除获取从手与环境的各种信息外，还必须将这些不同于人体尺度世界中的信息进行尺度变换甚至种类变换，使操作者能有效感知。力觉临场感是临场感技术的一种主要形式，与其在一般遥操作中的作用一样，对比率遥控作业有着重要意义。 微创外科手术(英文简称MIS)使手术对病人身体组织的创伤最小化。相对打开式手术，它能大大地减小病人痛苦和伤口感染的风险、缩短术后恢复时间、节省开支。MIS是采用专门的器械，以类似遥操作的方式进行手术的。由于所用器械与工作方式的原因，医生的操作难度和失误风险因缺乏力觉与触觉感知而大大增加，很难进行复杂手术，也阻碍了它的进一步发展。MIS技术的应用价值和类似遥操作的工作方式以及遥控机器人技术的特点，使遥控机器人技术(特别是比率遥操作技术)与MIS技术结合能促进它们共同发展。作为医疗辅助工具，遥控机器人是扩展医生手术能力的天然工具。因临场感技术可极大地提高遥控机器人的作业能力，西方技术先进国家都投入了大量力量从事临场感与临场感遥操作系统研究。对用于医疗、微生物、微机械特别是作为医疗辅助工具的临场感比率遥操作系统的研究也投入了较大力量。我国在遥操作方面的研究起步不久，对比率遥操作系统的研究尤其是应用研究还刚起步，有的方面还未涉足。因此研究应用于这些领域的临场感比率遥操作系统对我国的相关技术发展和赶超世界先进水平有着十分重要的意义。 本文从力觉临场感的角度针对主要用于MIS等特定任务要求与操作对象的比率遥操作系统展开深入的基础理论与实验研究。在力觉临场感方式下，作为辅助信息源的视觉临场感或现场的计算机辅助视觉显示是必需的。对微操作和医疗任务，没有视觉信息就不可能进行作业。本文介绍了力觉临场感系统的一般构成，分析了有视觉辅助的力觉临场感比率系统与一般系统的异同；给出了一般比率系统中的操作者模型、比率遥控系统动力学模型和适用于MIS任务的环境模型。比率遥操作系统主从两边处在尺度不同的世界里，必须把两边的作用信息与能量作相应变换以适应操作者和环境，因此其稳定性与性能要求不同于一般遥操作系统。能量变换意味着主从系统可能不满足无源性要求。本文介绍了二端口网络的无源性与绝对稳定性判定准则，为系统的稳定性与性能分析引入了可适用于具有非线性和时变特性的操作者与环境的新理论工具。推导了比率遥操作系统的二端口网络混合参数模型，定义了比率遥操作系统的理想响应，导出了采用通用控制结构实现理想响应的条件及等价条件。首次基于莱威林绝对稳定性准则分析了实现理想性能的比率遥操作系统的稳定性，并结合无源性分析，得出了这种系统仅在力比率与位置比率因子的乘积为l时才是无源系统，因而使比率遥操作系统有别于非比率遥操作系统的结论。提出了实现理想响应的通用控制策略和简化通用控制结构并实现理想响应的方法。 本文基于莱威林准则得出了比率系统实现绝对稳定性的条件和方法。研究了力比率与位置比率因子对比率系统性能及稳定性的影响。定性讨论了系统的性能与稳定性及性能之间的折衷。提出了可实现性能与稳定性折衷的新通用控制策略，通过仿真、比较验证了其有效性；同时提出了能实现稳定性与性能折衷的、采用最简控制结构的实用控制策略。当遥控机器人系统用于远程医疗时，通信时延必然影响遥操作系统的性能与稳定性。本文研究了时延对比率系统稳定性与性能的影响及相应控制策略。定义了时延下比率遥操作系统的理想响应，得出了其实现条件；基于莱威林准则分析了时延下比率遥操作系统实现理想响应时的稳定性，指出了不可能在保持系统绝对稳定的同时实现理想响应：时延下的比率遥操作系统基本上不是无源系统；提出了在很小的时延下实现性能与稳定性折衷的三通道控制策略，仿真验证了其有效性；讨论了基于莱威林准则的稳定性分析方法，提出了无论有无时延均可进一步放宽绝对稳定性保证条件的方法及其适用情况。 实验是验证临场感比率遥操作理论的手段。本文提出了单自由度力觉临场感比率实验系统的一种低成本研制方法。借用已有主手子系统，研制了用于小尺度环境实验的从手子系统，进行了无时延和有时延的力与位置比率跟踪性能测试实验，验证了低成本方案和实验系统的有效性。