虚拟手术系统是虚拟现实技术在医学领域的一项重要应用。虚拟手术对手术规划和医生培训具有重要作用。但目前的虚拟现实技术和应用大都集中在视觉和听觉反馈方面,在力觉交互的实现方面同实际需求还有很大差距。在应用中往往存在电机抖动,算法冗余,控制精度不够,真实感欠佳等诸多问题,有待进一步研究和解决。本课题以模仿内窥镜下心脏外科手术为切入点,对虚拟手术力反馈交互系统的工作原理和实现方法进行深入研究;建立了系统各个环节,包括操作者、力反馈装置和不同属性虚拟环境的基本模型,通过实际测量和计算获得实际系统参数,并针对分析系统性能的不同研究对象建立系统模型;分析系统基本性能,如稳定性、快速性及平稳性等,并详细讨论不同虚拟环境、力反馈装置参数以及不同操作者行为方式对系统各项性能的影响,提出优化系统设计以及提高系统性能的基本方法;分析了力反馈控制的基本方法,采用基于PI参数自整定与阻抗控制相结合的控制策略对系统进行力反馈控制;结合WTK软件平台,在Virtual Studio开发环境下,进行力反馈装置控制、手术虚拟环境、人机交互界面等功能的软件设计。仿真与实验结果验证了系统性能分析以及控制算法的有效性。