作为人机交互的接口,力反馈设备将虚拟环境中的力觉信息真实地反馈给操作者,大大提高了操作的交互性和临场感。目前,国内对力反馈设备的研究与国外相比还有较大差距,不仅体现在力反馈设备自身的性能,更体现在交互应用程序开发功能上。针对上述问题,本文以实验室自主研发的六自由度串联式力反馈设备为研究对象,分别从设备和应用开发层面,对力反馈设备进行研究,主要内容如下:(1)在设备层面上,对设备末端机构和重力补偿进行功能优化。研制了通用型多用途末端,使用蓝牙陀螺仪采集姿态,解决了原末端通用性差、笨重且操作不灵活的问题。基于新末端,利用静力平衡方法重新进行被动重力补偿研究,并通过动力学仿真优化平衡方程。对重力补偿效果进行了实验测量,残余重力相较于原补偿方案降低了59%。(2)研究了对力反馈设备交互性能进行评估的实验验证方法。根据交互性能指标设计实验评估方法,并通过心理物理学方法进行交互性能量化研究,最后对三台不同类型的力反馈设备交互性能进行评估,验证了评估方法的有效性。(3)在应用开发层面上,重点解决了操作虚拟物体时的交互穿透效应和设备-上位机通信的通用性问题。提出了基于Phys X物理引擎的速度控制多点防穿透算法,实现了多点碰撞不穿透;开发动态链接库解决了设备API与Unity3D跨编程语言通信的问题;最后将防穿透算法应用至两台不同的设备上,验证了通信方案和防穿透算法的通用性。(4)研发了基于Unity3D的力觉交互应用程序接口(HIAPI)。首先设计HIAPI的软件框架为应用层和设备层,然后对现有设备层的位置和输出力算法进行优化;重点在应用层设计了六种力觉交互算法和其它接口类函数;最后,使用HIAPI开发了应用实例,测试函数功能,并在不同设备上验证了应用实例的有效性,验证了HIAPI的通用性。