虚拟手术系统是虚拟现实的一项重要应用。传统的手术训练使用动物或者尸体为对象,存在伦理约束和真实感差等各种局限,因而引发了虚拟手术系统研发的热潮。虚拟手术系统对医生的手术训练有着重要作用,不仅减少了培训时间,还降低了手术过程的风险。在虚拟手术系统中引入力反馈,使操作者在交互过程中感受到与对象碰撞的力觉,使手术训练更加逼真。论文研究了虚拟手术系统的三维建模、碰撞检测、力反馈、稳定性。其中,建模包括几何建模和物理建模。在几何建模方面,根据医院扫描的CT数据,再基于Mimics软件三维场景建模,使用OpengGL进行纹理贴图。在物理建模方面,用弹簧阻尼模型计算形变。点云数据剖分是碰撞检测的前提条件,采用八叉树剖分算法组织点云数据,叶子结点存放三维坐标、半径、法向量、颜色值等信息,这些信息能够保证真实地再现手术场景和手术过程。碰撞检测采用包围球算法,并根据基于密度的力反馈公式计算出力反馈大小。搭建了真实感较高的虚拟手术系统。稳定性是虚拟手术力反馈模块中的重要环节,然而稳定性和透明性又是一对矛盾体。本文根据无源理论设计了最大输出力控制算法(MOFC),在保证系统稳定性的前提下最大程度保证力反馈的透明性。根据二端口网络结构,把虚拟手术系统分解成四个二端口级联子系统:操作者、力反馈设备、采样保持器和虚拟组织。保证各个子系统稳定,从而使得整个系统稳定。实验表明,不管是在低刚度或者高刚度系数环境下系统都能够稳定,系统透明性都在86%以上。