力触觉交互是一类重要的人机交互技术,近十年来受到了越来越多的关注。仅有视觉和听觉交互的虚拟环境系统在与用户交互的方面是不真实且有局限的。力触觉交互作为独特的交互双向信息的感知通道具有不可替代的作用。在现实生活中,工人进行零件装配、抓取、搬运、以及医生进行外科手术等,操作者必须能够有效感知接触状况才能进行准确判断以及精确操控物体。而在虚拟环境操作中,力触觉交互也具有不可或缺的重要性,若是能够将虚拟环境中的力触觉感知信息准确地反馈给操作者,则会有效地提高真实感和临场感程度,从而增强交互式远程呈现。本论文针对国内现有的手部可穿戴式力触觉交互装置研究的不足,对用于人机交互的手部力触觉反馈装置进行了深入研究,设计并实现了两种手部可穿戴式力触觉反馈系统。主要包括:设计并研制了用于电脑终端的可穿戴指套式力触觉反馈装置,基于Unity3d开发了相应的一套力触觉交互软件,该交互系统主要用于实现虚拟环境中物体抓取的力触觉反馈操作;设计并研制了一种用于移动终端的手指外骨架式力触觉交互系统,以及相应的基于Android平台的力触觉交互软件,该力触觉交互系统可以对移动终端平台上的图像进行高度信息恢复和边缘信息的提取,从而获得图像的纹理特征信息。本文所设计的两种手部可穿戴式力触觉反馈装置均采用可充电电池进行供电、蓝牙模块通信技术、有效地实现了装置的便携性和小型化。操作者在使用时,可以通过该装置获得与不同终端中虚拟场景交互时的力触觉信息,从而增强人机交互时的真实感和沉浸感。本文的主要研究内容及创新点在于:(1)实现了基于PC端的虚拟环境中物体抓取的力觉反馈和振动触觉反馈,力觉反馈采用可穿戴指套式的机电结构表达实现,虚拟物体的碰撞检测采用线性马达实现,建立虚拟手部模型并利用Leap Motion实现虚拟手部姿态的捕捉和实时跟踪显示。(2)深入研究了压电陶瓷振动器的振动响应特性以及驱动电压幅值和驱动电压频率变化时,人手对于振动强度的主观感知差异以及差异显著性,为能够准确有效地提供丰富的振动触觉反馈奠定理论基础。(3)引入图像特征提取算法,实现了对于移动终端平台中虚拟对象的空间力触觉信息的提取和表达,对于用户特别是视力受损的人识别虚拟对象和感知图像的三维特征信息如高度、轮廓和纹理等具有极大的帮助。(4)设计的两套手部力触觉交互系统均具有小型化、重量轻及易携带等优点。设计的交互软件界面友好,操作简单,便于操作者使用,尽可能地精简模型运算量,能够在有限的资源中实现高效实时的手部力触觉再现反馈。