力反饋電子服裝中柔性傳感器及其交互技術的研究進展

董科， 張玲， 范佳璇， 李夢婕， 梅琳， 肖學良

(江南大學 紡織服裝學院，江蘇 無錫 214122)

虛擬現實技術是指通過計算機模擬虛擬世界，并使用交互式設備通過直觀感知(如聽覺、視覺、觸覺、力覺等)使人們沉浸在虛擬世界中的技術。力覺技術是目前虛擬現實交互技術中的一大難點，而力反饋技術是實現模擬力覺的決定性因素。不同力反饋系統的結構原理不同，力反饋系統根據原理可分為仿生機械手反饋、磁流變液力反饋、氣動力反饋、電磁鐵力反饋和外骨骼力反饋。文中分析了不同力反饋系統的原理，并總結了目前力反饋技術在可穿戴電子服裝上的研究現狀、應用及發展前景，旨在為可穿戴電子服裝力反饋技術的研究提供新思路。

1 力反饋結構的常用柔性傳感器

在可穿戴智能服裝中，如何將外界的各種刺激力高效靈敏地轉化為電信號并將其及時準確地測量和傳輸是力反饋結構中傳感器應用的關鍵問題。柔性傳感器是指由柔性材料制成的傳感器，具有良好的可折疊性，結構多變，能夠適應織物等柔性材料的空間位置變化。因此，柔性傳感器通常用于可穿戴設備中力反饋結構的信息測量和傳輸。

柔性傳感器按照信號轉換機制，主要可分為以下5種：壓阻式傳感器、壓電式傳感器、電容式傳感器、光纖式傳感器、電感式傳感器。

1.1 壓阻式傳感器

壓阻式傳感器通過外力作用在彈性傳感器上，使傳感器的電阻發生變化，進而改變探測電路輸出的電信號，間接感知力的變化。最早的壓阻式傳感器是由半導體材料硅和鍺制成，到后期則由導電彈性復合材料(如炭黑填充的高分子復合導電纖維、石墨烯填充的復合導電纖維等)制成。壓阻式傳感器的電阻變化與外界施加力的平方根成正比，因此由紡織復合材料制成的壓阻式傳感器具有柔軟、分辨率高、信號讀出機制和設備簡單、易與織物結合等優點，是可穿戴服裝力反饋結構常用的傳感器。

圖1為針織柔性傳感器。Philips實驗室發明了一種通過針織的方法將碳纖維與彈性纖維編織而成的柔性傳感器[1](見圖1(a))。織物的長度會隨著受力的變化而變化，其等效電阻也會隨著織物的伸長率而變化。運用針織技術中的“添紗結構”，將導電纖維和跟蹤材料平行排列，在同一個成圈系統中成圈，形成相互連接的傳感器并傳輸電信號(見圖1(b))。

DE ROSSI D等[2]發明了一種將傳感器中聚吡咯部分與萊卡布相結合的壓阻式傳感器。當在此傳感器上施加壓力時，萊卡布織物的尺寸也會隨之改變，并且由于材料導電橫截面積的增加，傳感器的電阻也會降低。但隨著實驗的不斷深入，發現此類型傳感器存在多種問題，如信號變換時間長、反應靈敏度差、制作工藝困難、布面僵硬等。

炭黑導電材料是目前極具潛力的柔性傳感器感應材料。馮建超等[3]在有叉指電極的陶瓷襯底上制作了用納米炭黑/硅橡膠復合材料進行導電的壓阻式傳感器。測試表明：這種傳感器在0.1～100 kHz下呈正壓阻效應，且該傳感器具有快速響應恢復性能，但隨著頻率的增加會減小空間電荷極化強度，使傳感器的壓阻效應降低。

圖1 針織柔性傳感器 Fig.1 Knitted flexible sensor

PARK J等[4]研發了具有多方向力傳感能力的可伸縮電子皮膚。將壓阻互鎖微圓陣列用于應力方向敏感的柔性傳感器中，兩個具有微圓形圖案的CNT(carbon nanotube,碳納米管)復合薄膜在圖案一側連接，形成互鎖的幾何形狀，具體如圖2所示。在受到剪切、彎曲、扭轉等各種機械力刺激時，這種壓力傳感器具有高靈敏度的檢測能力，并且由于陣列的獨特幾何結構，它在不同施加力方向表現出不同程度的變形，因此能區分各種機械刺激。微結構器件的響應時間約為18 ms，恢復時間約為10 ms，是一款精確度高并且可拉伸的壓阻式傳感器。

圖2 聯鎖微圓陣列的柔性壓力傳感器Fig.2 Flexible pressure sensor with interlocked microcircle array

1.2 壓電式傳感器

受到外力作用后，壓電材料的晶體結構發生形變而產生電偶極距，使壓電材料兩端形成電勢差，連接外界電路后就能產生電信號。壓電式傳感器是由壓電材料制成的具有壓電效應的傳感器。為了滿足可穿戴電子產品的需求，一些新的壓電材料逐步面世，以取代現有市場中的脆性陶瓷和石英，其中包括聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物P(VDF-TrFE)、鋯鈦酸鉛(PZT)和氧化鋅(ZnO)等。聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物柔性P(VDF-TrFE)具有良好的化學惰性，且加工工藝簡單、壓電系數較大，已成為目前倍受矚目的新型壓電材料。

SHIRINOV A V等[5]使用壓電聚偏氟乙烯(PVDF)作為傳感原件，制備了一種面積為25 mm2的柔性壓電式傳感器，能在-40～125 ℃之間正常使用，其檢測范圍為10～2 000 kPa，響應延遲時間為1 ms。這種壓力傳感器制作方式簡單，且成本較低。

DREAN E等[6]將PVDF導電材料集成到汽車座椅的外層面料和里層泡沫之間，將壓電效應帶來的電流變化傳輸到放大器和阻抗相位分析儀上。結果表明，這種變化是線性的，可用在汽車領域，能夠檢測施加在汽車座椅上的壓力。

LIU J等[7]開發了一套將紡織材料與壓電材料相融合的，可采集角加速度、垂直加速度和壓電數據的監測系統。該監控系統可實時反饋并記錄運動障礙人群的步態穩定性。監控系統將壓電式傳感器、印刷電路板、微控制器等電子元件植入服裝中采集信號，并通過藍牙將壓電數據傳輸到指定位置，從而識別、區分具有運動障礙的人群。

PERSANO L等[8]使用聚偏二氟乙烯-共三氟乙烯，通過靜電紡絲法開發了具有獨立三維結構的纖維陣列。這種材料具有較好的壓電特性，能感應小于0.1 Pa的壓力，靈敏度高，可應用于對敏感度要求較高的微型傳感器，如靈敏碰撞檢測器等。

1.3 電容式傳感器

柔性電容傳感器一般以柔性材料為電容器極板，以彈性材料為間隔層，相當于將各種力的變化轉化為電容的一種裝置。這種柔性電容傳感器與紡織品結合后制成智能紡織品，具有靈敏度高、空間分辨率高等特點，且兼具紡織品柔軟、可伸縮等特性。

SERGIO M等[9]設計了一種可集成到服裝中的電容式織物壓力傳感器。將導電絲矩陣(經緯導電紗形成的16×16電容矩陣)覆蓋在彈性泡沫上，當對基體施加壓力時，中間包夾的泡沫受到擠壓而形變，導致兩側導電紗矩陣之間的距離發生變化，從而使電容也發生改變。外接電路可將傳感器的電容變化情況掃描并繪制成信號變化曲線，并得到織物壓力變化情況。由于在中間包夾彈性泡沫塑料，導致傳感器的靈敏度降低，并且三明治結構使織物傳感器的柔韌性降低，織物的舒適性也受到一定影響。

MEYER J等[10]在文獻[9]模型的基礎上進行了優化。優化后的織物壓力傳感器結構如圖 3 所示。圖3中，織物傳感器測量范圍為0～10 N/cm2，平均誤差小于4 %，可集成到服裝中測量人體的壓力。例如，織物傳感器中間存在6 mm厚間隔織物，并將其作為介質層，此時，對傳感器施加力前的電容為3.5 pF (無載荷)，施加壓力后的電容為5.8 pF (壓力5 N/cm2)。但由于傳感器的感知帶與人體皮膚之間在相對移動時存在摩擦力，導致肌肉向前臂彎曲時測得的壓力分布不均勻。這種織物壓力傳感器可應用于需要高局部分辨率的情況。

圖3 織物壓力傳感器結構Fig.3 Structure of textile pressure sensor

DONSELAAR R等[11]發明了一種上下導電織物層包夾著絕緣體的三明治結構智能壓力墊。壓力墊由64 只壓力傳感器和配套的測試軟件組成，主要用于采集保溫箱中嬰兒肢體各部分對保護墊的壓力情況，確保嬰兒的安全。

1.4 其他類型柔性傳感器

1.4.1光纖式傳感器 光纖式傳感器是利用光纖的光傳輸特性，將被測量的光信號轉換成光特性(強度、相位、偏振態、頻率、波長)的一種傳感器。國內外許多學者將光纖編織成光纖式傳感器，可以測量壓力、加速度、溫度、電場等信號，同時不影響織物本身的柔軟性及可穿戴性。

ROTHMAIER M等[12]通過刺繡的方法將塑料光纖織入彈性針織物中，制作成光纖壓力傳感器，具體如圖4所示。當對傳感器施加壓力時，由于織物的變形，有光纖的區域彈性紗線交叉點位置會發生變化，導致透射光強度發生改變，由此原理可檢測織物受力情況的變化。

圖4 織物光纖式傳感器Fig.4 Textile sensor with optical fibers

1.4.2電感式傳感器 利用電磁感應原理，將被測非電量物理量的變化轉換為線圈自感系數或互感系數的變化，再將被測電路轉化為電壓或電流輸出，這種裝置被稱為電感式傳感器，通常由諸如導電纖維或紗線的紡織材料制成。這種傳感器相比于普通金屬線圈更柔軟、穿戴更舒適、更適合與紡織品結合使用。目前，電感式傳感器已應用于睡眠質量監測和動作捕捉等領域。

WIJESIRIWARDANA R[13]將彈性萊卡纖維、導電銅絲和普通纖維集成到織物中，將不同導電水平的導電纖維布置在螺旋路徑中形成線圈，開發了一款管式電感式傳感器(也稱為織物換能器)。將這種傳感器戴在胸部，由于呼吸可導致胸部產生較小的起伏變化，從而使傳感器的電感也隨之發生變化，并轉換為電壓信號輸出。利用此原理即可完成對呼吸的監測。

劉官正等[14]將電感式傳感器嵌入織物中，設計了一種基于體域網技術的數字RIP呼吸監測腰帶，對受試者進行了如坐、走、跑、6 h睡眠呼吸等日常活動監測。結果表明，此款產品呼吸速率的平均測量精度能夠達到95%，可應用于人體日常生理信號變化的采集和分析。

2 基于柔性傳感器的力反饋技術

2.1 仿生機械手反饋(壓阻式力反饋)

林煥輝等[15]研究的仿生機械手手指結構采用的是腱傳動結構。5根手指指節上都裝有結構輕便的壓力傳感器，當使用仿生機械手握持物體時，壓力傳感器的電阻阻值會發生變化，且壓力的大小與阻值的大小呈反比。握持物體產生的壓力值會通過壓力傳感器傳送給力反饋數據手套，而手套接收到信號之后，能夠控制微型電磁鐵工作；電磁鐵會產生吸合作用，由于棘爪與電磁鐵相連接，故棘爪也會隨著電磁鐵一起靠近棘輪，使棘輪與棘爪共同完成工作。

力反饋數據手套如圖5所示。Virtual Techno-logies公司基于CyberGlove手套[16]設計了一款商業用力反饋數據手套“CyberGrasp”(見圖5(a))。它通過電機產生的力來進行驅動，并通過鋼絲繩傳遞力，因而可以在手指上產生高達16 N的力；但是該手套也有很多缺點，比如質量大、使用者長期佩戴會感到疲勞等。

FRISOLI A等[17]使用無刷直流電機作為動力源，制作了一款人手觸覺接口結構的力反饋數據手套(見圖5(b))。該結構的基座是安裝在前臂上的，由于采用腱傳動布置方案，手套可以反饋拇指和食指的運動；但是整個系統笨重且體積較大，集成度不高。

圖5 力反饋數據手套Fig.5 Force feedback data gloves

仿生機械手的優點是：它不僅可以精確、穩定地抓取物體，而且能替代人手做一些高危動作；但是它也有以下缺陷：質量較大，所以長時間穿戴會感到累，而且它的系統占用空間較大，集成度也很低。

2.2 磁流變液力反饋

磁流變液由磁性顆粒、載體流體和穩定劑3個部分組成。磁流變液的流動性與是否存在附加磁場有關。附加磁場的存在能夠加強磁流變液的流動性；相反，在附加磁場消失后，磁流變液能立刻從液態變為固態，這個過程只需要1 ms就可以實現，且是可逆的。因此，磁流變液的狀態或其粘度和屈服應力可以通過改變磁感應強度大小來進行控制。

戴金橋等[18]提出的一種驅動器，即通過上述磁流變液原理實現。驅動器結構如圖6所示。驅動器使用具有高磁導率的電磁純鐵來制作殼體、固定盤等主要部件，而采用磁絕緣材料來制作磁絕緣環和軸，從而提高線圈所產生磁場能量的使用效率，使之主要應用于磁流變液工作間隙的流體。

圖6 驅動器剖面 Fig.6 Cross section of drive profile

磁流變液在電場下性能會發生改變，使其在特定環境中能夠同時滿足柔順性和硬物接觸力要求[19]；此外，若需要改變不同粘度和屈服應力，可以通過改變磁流變液上的磁感應強度來實現。

東南大學研發的一種力反饋數據手套[20]，具體如圖7所示。這種手套是基于賽伯手套號碼驅動的手套，不同的是，它加上了電流變為電流變流體(ERF)。電流變流體是由基本流體(如油)和懸浮顆粒組成，懸浮顆粒的尺寸大小為0.1～10 μm。

圖7 基于電流變流體的力反饋數據手套 Fig.7 Force feedback data glove based on electro-rheological fluids

隨著電場的變化，液體粘度急劇變化，電場強度增加，粘度增加，電流變流體的性能最后發生變化。在電場作用下，電流變流體在靜態下有了抗剪切力，這是由于電流變流體的力學性能發生了改變，而這個力，則是力反饋手套中力的來源[21]。相比于現有的大多數力反饋數據手套，該力反饋結構具有穩定、安全、摩擦力小、力反饋范圍大等優點，并且質量輕、便于攜帶、持續力強。

2.3 氣動力反饋

王海濤等[22]對微型低摩擦氣缸結構進行了較深入的研究，其結構如圖8所示。此結構為彈性密封裝置，活塞上加裝丁腈橡膠的單向密封圈，滑動阻力很小，但阻力會隨著氣壓的增大有所增加。

圖8 低摩擦氣缸結構Fig.8 Low friction cylinder structure

上述低摩擦氣缸實驗中分別使用角度傳感器和位移傳感器來測量氣缸的移動程度和活塞桿的位置變化，從而可以用實驗得到的數據來計算各個關節彎曲的角度。一旦虛擬手碰觸到實物，活塞桿就會在氣缸供給空氣的情況下，對虛擬手指發出力的作用，使人手感覺到力的存在，完成力反饋。

基于氣動力反饋結構原理，美國羅格斯大學設計的Rutgers Master glove[23]，通過圓柱體與球形關節同軸的設計，使手指可以彎曲、拉伸、外展、內收，具體如圖9所示。這種手套的執行結構是固定的，用戶可根據自己手的大小調節手套上尼龍搭扣，以調整手套大小，達到最佳狀態。這種手套具有摩擦力小、結構簡單、質量輕的優點；缺點是手指的運動空間受到限制。從手套的整體性能而言，這款Rutgers Master glove是優于CyberGrasp的。

圖9 Rutgers Master力反饋數據手套Fig.9 Rutgers Master force feedback data glove

KOPECNY L[24]通過氣動肌肉來實現力覺傳感。氣動人工肌肉裝置的原理是：由外部壓縮空氣來提供推拉力。它不僅質量輕，而且能提供相對大的驅動力。它的一端固定在支架上，另一端固定在手指的套筒上，其橫向力的大小可以通過壓力的大小來控制。

孫中圣等[25]研發出一種基于氣動人工肌肉的力反饋數據手套，但不同之處在于它采用微型低摩擦氣缸作為力的來源，能夠測量各手指及關節的彎曲和伸展角度。這種手套質量小，而且可以提供很大的觸覺力，使觸覺更加真實，其觸覺力最大可達30 N。

2.4 電磁鐵力反饋

通過電磁鐵實現力反饋的原理是：當手套沒有接收到信號時，由于電磁鐵是附在手指上的，故會隨著手指一起運動，此時受到的摩擦阻力較小；當手套接收到信號時，電磁鐵會提供一個反饋力并停止運動，反饋力的大小可通過調節電流大小來設置。

根據以上原理，使用兩個不同型號的圓管推拉式電磁鐵作為制動裝置，電磁鐵受力情況具體如圖10所示。其中止動電磁鐵可以做到瞬間制動，且對推力電磁鐵產生阻力，使其停止滑動。借助電磁鐵本身和套筒內壁之間的摩擦力完成制動，可以更高效率地完成制動，且更加節能，同時也可以增強裝置的剛度。

圖10 傾斜后電磁鐵受力示意Fig.10 Force diagram of electromagnet after tilting

ASAMURA N 等[26]設計了一種力觸覺系統。該系統利用電磁原理，將4個磁鐵分別固定在使用者的手指或手掌皮膚上，具體如圖11所示。上方的磁鐵通過打開或關閉電磁鐵以及通過控制電流的方向來控制磁鐵的吸引或排斥，從而刺激手指或手掌的皮膚。該系統最大的特點是結構簡單，原理也便于理解，最后產生的力反饋大小可根據機械手所受力的情況進行調節，且調節較方便。

原魁等[27]研發的基于點的手指力覺反饋系統是一個由比例電磁鐵驅動外骨架組成的力反饋裝置。對該裝置施加力時，不僅可以抑制手的關節運動，而且可以防止虛擬手嵌入到虛擬物體中。通過電磁鐵來實現制動，可以在受到力的同時立即制動，具有結構簡單、可控性強的優點，并且對比傳統機械制動裝置，這種反饋系統具有更好的控制效果。

圖11 力反饋示意Fig.11 Force feedback diagram

3 智能穿戴型力反饋結構的應用

智能可穿戴性力反饋結構可應用于生活的各個領域，并且對虛擬現實系統而言，力覺能顯著加強參與者的真實感，并在人機交互等方面能夠提高任務目標的執行效率和成功可能性。智能可穿戴性力反饋結構正在進入教育、娛樂、旅游、醫學、航天等各個領域。

3.1 傳統機械式力反饋結構的應用

機械式力反饋結構活動范圍較小，力只作用于手指的關節位置。控制裝置捕捉到手指特定運動后，將適當的力作用于手指，模仿人的抓取動作。CyberGrasp是由電機驅動，并且由鋼絲傳遞力的手指型力反饋設備，可產生約12 N的力[28]；其缺點是具有較大的后沖力及摩擦，不適于長時間佩戴。Master II-ND是一款力反饋結構內置的反饋設備，可提供較大的反饋力，其缺點是束縛手指運動。

3.2 力反饋結構在教育學習中的應用

在數學、物理、建筑等學科中，力反饋結構為師生在虛擬世界中構造了從具體到抽象的真實體驗，有助于提高用戶的學習效率。斯坦福大學和約翰霍普金斯大學將力反饋技術引入到了大學生初級動力系統課程中，引導學生去親身體驗力學運動，教學效果頗為顯著[29]。

3.3 力反饋結構在健康醫療中的應用

在醫療方面，虛擬手術是力反饋交互技術的具體呈現與應用實例。該技術通過三維建模技術構建虛擬手術對象，醫生可以佩戴力反饋設備，模擬現實手術場景，和虛擬對象進行手術練習，提高醫生手術的成功率。近年來，隨著力反饋技術的發展，醫生可通過操控虛擬力反饋手術設備，用信號傳輸的方式將其動作同步反映到真實手術設備中進行手術，這項技術已經成為現代手術的重要輔助道具和實時記錄工具[30]。力反饋手術設備能夠將醫生手部的動作同比例縮小，同時具有修正功能，可濾除手部的抖動，以消除因物理因素帶來的細小誤差，保證醫生操作的靈活性和準確性，提高手術操作精度。同時，一些外架式力反饋設備可應用于殘疾人士及部分特殊患者的康復訓練與現實模擬。

中醫中常說“望聞問切”，了解病人病理部位的具體情況，將有助于醫生更好地診斷病人的病情。醫生可通過以力反饋結構、傳感器等為主要元件的觸診系統訓練其專業能力。觸診系統可將醫生的觸診動作實時反映于顯示屏之上，醫生借助力反饋設備感受按壓不同檢查部位時手部受力的變化情況，判斷病人的病癥。這種訓練更加真實、確切、簡單、高效，為醫護人員提供了大量的實操案例，一定程度上節約了培訓成本及培訓時間，同時為醫生遠距離診斷病人病情提供可能。

3.4 力反饋結構在空間技術中的應用

將力反饋和傳感結構與虛擬現實技術相結合，可用來模擬大氣外空間、深海等場景下的人體真實感受，研究該場景下人可感受到的物體形狀、溫度、硬度等信息。并且在沉浸式環境下，能憑借近似于真實情況的人體感受進行遙控指揮，可大幅度提高科考隊員在惡劣、危險情況下作業的安全性[31]。

3.5 前景與展望

隨著視覺再現技術的進步與發展，人類社會對力反饋技術的需求將會越來越復雜。高精度的位置檢測、真正多模擬狀態的力觸覺再現系統、多點交互的力觸覺再現系統將會是力反饋技術在未來的主要發展方向[32]。同時，研究如何降低可穿戴電子服裝設備的制造成本，將對虛擬現實交互技術的推廣有極大的影響。

4 結語

力反饋技術作為虛擬現實領域中的關鍵技術，在虛擬現實交互過程中將視覺、聽覺、觸覺等多種感覺相結合，使用戶與虛擬世界之間的交互體驗更逼真、更投入。近年來，以力反饋技術為核心的交互設備正在世界各地迅速發展，各國對這項技術的研究也在進一步深入。在當代，雖然力反饋設備是影響虛擬現實交互系統真實性、體驗性、及時性和準確性的極為關鍵因素，但是其發展仍受到多方面的制約。在服裝領域，力反饋技術與智能電子穿戴服裝相結合過程中，如何實現設備的微型化、柔軟化、真實化依然是尚待解決的問題。