力触觉再现作为人机交互领域一项新兴的技术,其借助于力触觉设备和计算机仿真生成的虚拟环境,让操作者主动感知、触摸和操作虚拟物体,增强了虚拟现实的真实感和沉浸感,因而该技术具有重要的研究意义。传统工具式的力触觉设备不符合自然的人机交互方式,会影响力触觉再现的效果,因此本文对基于电磁场控制的、非接触式的力触觉再现方法展开了研究。为了产生有效的电磁交互作用力,首先分析了电磁场的产生和控制原理。使用有限元方法和ANSYS软件,对比分析了“螺线管”和“类亥姆霍兹”两种电磁铁方案产生的一维空间电磁场效果;给出了基于电磁场控制的力触觉再现方法中,永磁铁所受电磁作用力与线圈电流、空间位置等参数的关系。力触觉再现系统需要实时获取交互空间中操作者手部的位置信息,因此使用Microsoft Kinect体感器,研究了基于视觉的人手位置检测方法。根据电磁场的理论分析结果,设计了基于电磁场控制的力触觉再现设备的整体方案。硬件部分主要包含产生空间一维电磁场的电磁铁模块、带磁性模块的穿戴式手套模块、基于Kinect的人手位置检测模块、基于Intel NUC的中央控制模块、基于TM4C1294微控制器的电磁铁控制模块、基于SA306A芯片的电磁铁驱动模块等。软件部分主要有基于Kinect的人手位置检测、线圈电流PWM信号的驱动和控制、NUC与电磁铁控制模块的串口通信、线圈驱动电流的ADC采集软件设计等。为了实现交互空间中一维电磁力的有效输出,针对所设计的力触觉再现设备,提出了基于离线仿真数据的电磁力控制方法。该方法通过ANSYS仿真确定了电磁力与空间位置和线圈驱动电流之间映射关系的离线数据,实现对任一位置电磁力的控制输出。对所设计的力触觉再现原型系统进行了关键参数测定实验,包括:设备响应时间测定实验、深度距离标定实验、电磁场和电磁力的测量实验等。实验结果表明,本设备能提供的局部最大反馈力为13.49N,局部最大反馈力对应的响应时间为40ms,位置检测精度和分辨率分别为2mm和1mm。为了验证力触觉再现设备的有效性,设计了虚拟环境下力触觉设备的通用接口驱动程序。基于CHAI3D设计了演示验证系统,开展了立体图案识别实验和柔性物体的感知实验。实验结果表明本设备能够作为普遍使用的力触觉再现设备,并对基于力触觉再现的虚拟物体的感知,具有较高的感知成功率。本文从理论研究、硬件和软件设计、感知实验等多方面开展了基于电磁场控制的力触觉再现方法的研究,为推动非接触式的、自然的力触觉人机交互技术发展奠定了重要的基础。