手术一旦失败会给病人的生命和财产造成极大的损失。因此，在手术前对手术过程涉及到的人体软组织进行虚拟手术仿真具有重大的学术、经济和社会意义。其中，准确快速的力/触觉模型是虚拟手术成功的关键。采用基于物理意义的力/触觉模型及再现技术，对软组织的变形进行仿真，正在成为世界范围内的一个研究热点。　　 由于人体软组织的复杂性、差异性和多样性，使现有常用的模型在变形效果上不理想。在虚拟手术中，引入力/触觉反馈，可以使操作者在手术仿真中不仅能够看到而且还能自然真实的触摸、感知和控制虚拟代理与虚拟软组织的交互，使得手术仿真更真实、准确、可靠。然而基于物理意义的力/触觉模型及再现技术研究还处于探索阶段，有许多科学问题亟需解决。　　 本文采用理论分析、物理模型和计算机仿真相结合的研究方法，建立了4种新颖的基于物理意义的力/触觉模型，并对其中的关键性问题进行了分析研究，包括基于平行菱形链连接模型的肝脏变形及再现技术、基于层状菱形链连接模型的肺变形及再现技术研究、基于添加白噪声的增强力/触觉模型的心脏和胆囊变形及再现技术研究、基于椭圆截面弹性柱体模型的血管自由扭转变形及再现技术研究。取得的创新性研究成果主要有：　　 （1）针对软组织在受力状态下，受力面的位置、施加力的大小和方向都在实时变化，从而给力/力矩平衡方程的建立带来困难的问题，提出了平行菱形链连接模型。介绍了该模型的原理、结构及变形计算，搭建了基于6-DOF DELTA手控器试验平台，在此基础上，讨论了该仿真系统的总体结构、硬件组成、软件开发和仿真结果。实验结果表明，该系统能较好地模拟医用镊子对肝脏进行拉拽、按压的变形。在交互过程中，操作者可以实时、真实地感知到仿真过程中医用镊子与肝脏之间的力/触觉信息，为进一步建立虚拟手术仿真系统提供了理论支撑。　　 （2）针对人体肺手术具有毛细血管网分布密集、结构特殊复杂、手术难度高的特点，在平行菱形链连接模型的基础上加以改进，提出了层状菱形链连接模型。介绍了该模型的原理、结构及变形计算，基于PHANTOM OMNI手控器，构建了一个较为逼真的支撑单、双通道力/触觉交互的虚拟肺手术仿真系统，其能较好地模拟单手、双手对正常肺组织与肺硬块在单点、多点交互下的按压、拉拽等变形仿真。实验结果表明，该系统能够使操作者真实地感受到软组织的相关属性，在交互过程中，力/触觉感觉平稳、模拟效果逼真、能够满足虚拟现实系统对精细作业和实时性的要求。　　 （3）根据人机工程学的最新研究成果：人的力/触觉感知存在着信号与噪声之间的协同行为，即适量噪声的加入会提高人的力/触觉感知能力，从而提出了一种添加白噪声的增强力/触觉模型。介绍了该模型建模方法的基本步骤、模型的优点、采用数值算例的方法对系统参数进行量化，阐叙了建模过程中，外力、时延和变形之间的计算方法。利用该模型实现了虚拟直钳对心脏的拉拽和弯钳对胆囊的按压的交互过程。实验结果表明，在人手感知微弱信号时，加入适量的白噪声有助于人手对微弱信号的感知，同时验证了人的力/触觉中存在随机共振现象，从而将力/触觉模型及再现技术研究提升到一个新的水平。　　 （4）为解决软组织在力矩作用下产生的扭转变形仿真问题，提出了一种椭圆截面弹性柱体的自由扭转变形模型。介绍了该模型建模方法的步骤、模型的优点、具体的交互过程以及仿真系统外围电路的连接。利用该模型实现了人体血管的自由扭转变形。实验结果表明：该模型建模简单、直观、控制方便，而且能够保证触觉接触力和变形计算具有较高精度；在模拟软组织扭转形变时具有较好的稳定性和实时性。所提椭圆截面弹性柱体的自由扭转变形模型对软组织的扭转变形有较强的适用性。