虚拟手术是将计算机图形学、生物力学、临床医学、计算数学、机器人技术等多个学科融合在一起的虚拟现实技术研究方向。虚拟手术最重要的一个应用就是进行手术训练,而在虚拟手术训练系统中,力觉感知至关重要。接触碰撞是虚拟手术训练中最基本的交互形式,如何模拟出真实手术中的接触力,对虚拟手术训练的真实感具有决定作用。在虚拟手术接触力的计算中,需要考虑碰撞对象、接触力的类型。本文以虚拟膝关节镜手术训练为对象,对游离体摘除手术过程中的接触力进行研究,计算出较高精度的接触力。设计加工了具有六自由度的,带力反馈的膝关节镜手术训练硬件装置进行实验。主要研究内容包括:(1)建立虚拟手术中的力学模型。通过相关的物理引擎知识,分析虚拟手术中的力;使用粒子系统表示虚拟手术中的刚体和变形体,能够适用于物理定律的数值计算;拉格朗日动力学能为图元对象添加正确的物理本构规律和动力学约束;并使用有限元方法使图元对象发生变形。基于此,建立虚拟手术中对模型对象施加力,产生力的交互。(2)带摩擦的接触力的计算。通过建立计算机图形学物理仿真中最为常用的粒子系统,能近似虚拟手术中的变形体和刚体对象。建立力觉模型后,通过碰撞检测分析,找出潜在的碰撞点,并建立碰撞约束和摩擦约束上网数学模型;最后通过类高斯-赛德尔算法,求解实时摩擦接触力。(3)力反馈装置的设计。设计了六自由度带力反馈的微创手术训练装置,该设计依据真实的膝关节镜手术操作过程,在设计中考虑了串并联机构的利与弊。该设计已提交发明专利申请,进入了实质审查阶段,并加工出了装置样品,实验过程中运行状态良好。(4)接触力与力反馈装置的关联。在所开发的虚拟手术训练软件系统中进行接触力的计算后,将力输出到所设计的力反馈硬件装置,并传递至人手,达到力的感知。并通过对力反馈装置添加力传感器和应用闭环控制系统,能补偿装置本身重力、惯性、摩擦所带来的误差。由于软件和硬件的更新频率不同,因此使用虚耦合技术,软硬件之间的连接是异步数据传输。本文结合生物力学、计算机图形学、物理仿真技术,提出一种接触力计算的方法;并结合实际手术操作,利用机器人技术,设计出与之配合的力反馈装置。经过反复测试,运行效果良好,能够满足实时力的输出和大小控制。