拟人化的多自由度液压重载机械臂具有功重比高、操作直观、动作灵活等优势,配合主从控制技术将人的高度智能、强大的学习能力应用于从端机械臂的任务规划和实时处理之中,既解决了人在恶劣环境中作业的安全问题,又能使机械臂在非结构化环境中高效作业,非常适合地震、消防等危险复杂场景的救援工作。然而,现有的机械臂并没有一个较好的拟人化构型,难以实现操作者对机械臂的直观操作,且现有机械臂大多采用非球型的三自由度腕关节,存在结构臃肿、运动学逆解求解困难、难以灵活作业的问题。同时液压重载机械臂的慢动态特性与控制系统的信号传输时延造成了机械臂的滞后响应,严重影响了操作者的操作效率。因此,研发一种具有拟人化构型的液压重载机械臂和高效易用的人机交互界面,对于在非结构化场景中进行高效作业具有重要的工程应用价值。本课题以多自由度液压重载机械臂及其人机交互界面为研究对象,从机械臂的构型及操作者操作体验出发,研究了现有液压重载机械臂的构型,并提出了一种“回转-俯仰-偏航（Roll-Pitch-Yaw,RPY）”构型的重载球型混联腕关节,解决了非球型腕关节结构臃肿且运动学逆解求解困难、“回转-俯仰-回转（Roll-Pitch-Roll,RPR）”球型腕关节无法实现仿人手腕运动且存在奇异构型的问题。其次,在RPY球型腕关节的基础上,设计了仿人液压重载冗余机械臂。通过自运动流形法给出了机械臂的位置级运动学逆解,并通过数值仿真和实物样机试验,验证了正、逆运动学计算方法的有效性。同时对机械臂各关节进行阶跃速度响应试验,以验证其速度性能。结合目前针对液压重载机械臂的辅助训练方法,建立了基于虚拟现实与听觉反馈的仿真训练平台,在对新手操作者的机械臂操作培训过程中引入听觉反馈,加快其熟练操作机械臂的速度。进一步地,通过仿真模拟实验,验证了听觉反馈对于新手操作者快速熟练操作机械臂的有效性。结合目前针对液压重载机械臂的辅助操控方法,利用混合现实等技术,将机械臂的期望运动用一种直观显示的方式传达给操作者,并利用听觉反馈和虚拟机械臂的显示/隐藏等方法解决操作过程中虚拟机械臂与真实机械臂相互遮挡而影响操作效率的问题,以实现操作者在非结构化场景中对机械臂的高效操作。进一步地,通过机械臂操作实验对该人机交互界面的有效性进行用户研究,对比实验中操作者的客观表现与主观感受验证了基于混合现实的人机交互界面对于提升操作者操作效率的有效性。