虚拟手术是虚拟现实技术的一个应用分支,其通过计算机和交互设备再现真实手术中的视觉和力觉信息,让医生获得真实手术的操作体验。真实感既是对虚拟现实系统的基本要求也是虚拟现实技术追求的终极目标,本文对影响力觉真实感的主要因素进行了分析,对虚拟手术力觉反馈真实感评价的方法与准则进行了探讨。以虚拟胸腔镜手术和虚拟心血管介入手术为对象,从力反馈控制角度研究了提升虚拟手术力反馈真实感的方法。在分析介绍力反馈装置结构形态与操作方式、虚拟环境力学建模以及力觉渲染真实感的评价方式的基础上,从不同类型操作的力觉感知模式对真实感评价的量化指标要求、装置透明性的评价方法以及力反馈真实感对执行器的性能要求三个方面入手,对力反馈真实感评价方式进行了探讨,提出了评价力反馈真实感的方法和指标。并据此对虚拟胸腔镜手术和虚拟心血管介入手术力反馈控制效果进行了评价。刚性力觉反馈交互装置中的摩擦和重力会影响装置的透明性;而建模不精确、变参数和线传动的滑移等因素也会影响力反馈控制精度,这对系统鲁棒性提出了要求。本文使用滑模控制消除参数变化和建模不精确等因素的影响,提高系统鲁棒性。并设计干扰观测器消除重力补偿不精确,为了提高装置透明性;从减小控制误差角度缓解滑模切换控制压力,抑制抖振,然后对力反馈真实感的提升效果进行了评价。虚拟心血管介入手术要解决的关键问题是模拟导丝在血管分岔口处多点碰撞带给人手的反馈力。本文首先使用玻璃血管模拟导丝在血管中的碰撞过程,测量人手端感知的力觉信息,构建虚拟环境。然后分析导丝在力反馈装置管道中的力响应模型,使用Adams软件模拟导丝在血管中的碰撞受力过程,通过数值仿真获得导丝在真实血管中碰撞的力觉数据。通过改变力反馈装置中导丝到手持端的长度,以及导丝前端到手持端的长度,分析导丝长度变化对其动态特性的影响,作为对力反馈装置设计的参考。然后对不同虚拟环境下导丝的动力学模型进行线性简化,作为力反馈控制分析的基础。心血管介入手术中涉及的力值较低,易受执行机构的运动摩擦和人手抖动等的影响,这对系统鲁棒性提出了要求。本文设计终端滑模控制器提高虚拟心血管介入手术力反馈控制的鲁棒性和收敛性;加入低通滤波并对控制器进行柔化处理,抑制建模不精确和测量噪声导致的系统抖振。本研究结合导丝进入血管分岔口时推拉和旋捻两自由度的力觉信息变化,从力反馈控制误差、环境等效刚度误差以及力觉信息的实时性三个方面来评价所用控制方法提升力反馈真实感的效果。