虚拟手术训练是虚拟现实技术在医学领域的一个重要应用,对改进医学教育和训练模式具有深远意义。目前基于虚拟现实技术的交互手段大都集中在视觉和听觉方式上。力触觉反馈的引入,能够使医务者不仅看到手术中的器官和组织,而且还能感觉到手术刀与人体组织器官交互中的力反馈,感受不同肌肉和组织的软硬程度,大大提高了用户的临场感。论文以脑外科虚拟手术为切入点,对触觉交互系统的工作原理、数学模型和力反馈控制算法进行深入研究。首先,建立包括操作者、力反馈设备和虚拟环境在内的系统模型。其中人体脑组织几何模型是以病人真实的磁共振和CT数据为依据,再利用OpenGL三维图形标准工具绘制渲染而成。物理建模则采用的是弹簧-阻尼模型,该模型对于形变和力反馈的计算相对简单,能够很好地满足交互实时性的要求。根据所建立的模型论文分析了导致触觉交互系统不稳定的原因,主要因素包括力反馈设备本身的摩擦力和虚拟环境的阻抗等,并量化讨论了虚拟环境阻抗对系统稳定性的影响。对触觉交互系统设计控制算法是提高系统稳定性的有效方法。论文首先从目前研究的主流方向无源理论出发,设计PO/PC控制算法来实现触觉交互的稳定。该算法首先设计无源观测器计算系统各部分的二端口能量,从而得到整个系统的能量耗散情况;再设计无源控制器对有源的时刻进行控制,通过消耗系统中存在的过能量,从而达到保证系统稳定的目的。实验结果表明,采用该算法能有效抑制有源现象的发生,保证了整个交互过程的稳定,并且达到课题“脑外科虚拟手术仿真与训练系统”对稳定性的要求。其次,针对虚拟环境非线性和大刚度系数下系统易不稳定的问题,论文基于李雅普诺夫稳定性理论提出滑模自适应控制算法。该算法能在既不破坏虚拟环境模型又不限制力反馈输出前提下保证触觉交互系统稳定。仿真实验结果表明,采用该控制算法后,力反馈设备无论是与阻抗小还是阻抗较大的虚拟环境交互时,触觉交互过程均能保持稳定;而且当力反馈设备与阻抗会发生变化的非线性虚拟环境交互时,交互过程也能够保持稳定。