力触觉反馈系统是基于力触觉的传感与再现技术,使操作者通过力触觉的反馈来感受虚拟场景中模型的特征、约束和相互交互的状态等,引导和约束操作者与虚拟环境中物体进行实时交互。在虚拟现实应用研究中,力触觉接口是关键的人机交互设备。医学模拟仿真从视觉仿真逐渐向力触觉仿真发展,其虚拟手术仿真代表杰出载体为达芬奇医疗微创手术机器人。当医生在进行微创手术时,难以达到开放性手术所具有丰富的整体视觉和真实力触觉信息,其感知通道出现了阻塞,在模糊、缺失的信息环境下,易于出现手术操作的失误,可靠性大大降低。因此,力触觉反馈系统的虚拟现实应用将对微创手术机器人的发展起到关键作用,可有效提高微创手术操作的安全可靠性。论文对力触觉反馈系统的虚拟现实应用进行研究,建立了虚拟手术夹钳模型和柔性套管模型,进行了力触觉反馈设备Omega.7运动学分析,构建了虚拟力触觉临场感系统,实现了虚拟场景中虚拟手术夹钳整体与七自由度Omega.7机构的位置、姿态和夹取动作的匹配,并对虚拟场景中手术夹钳和柔性套管的虚拟力触觉交互进行了实验模拟仿真。主要研究内容如下:(1)对Omega.7设备进行了机构结构学分析,并对其运动学正逆解进行了分析,然后对Omega.7的力触觉反馈系统的控制原理进行了分析介绍。(2)利用Solid Works三维建模软件对虚拟环境中的手术夹钳进行几何建模,将手术夹钳导入虚拟场景中,并实现手术夹钳机构与七自由度Omega.7机构的位置、姿态和夹取动作的匹配。(3)构建了柔性套管模型,柔性套管骨架采用了弹簧-质点模型,柔性套管的外围覆盖层采用3ds Max构建的蒙皮模型。手术夹钳与柔性套管和间碰撞检测主要采用了包围盒层次树法;力触觉计算采用了弹簧阻尼模型,逼真的模拟出力触觉临场感中柔性套管的受力变形和力触觉反馈。(4)虚拟力触觉临场感系统主要是通过力触觉反馈设备Omega.7及其SDK、力触觉渲染引擎CHAI 3D、以及仿真系统开发工具Visual Studio 2010等共同构建;在虚拟力触觉临场感系统中进行了虚拟手术夹钳和柔性套管的交互作用实验模拟仿真。