力反馈电子服装中柔性传感器及其交互技术的研究进展

董科， 张玲， 范佳璇， 李梦婕， 梅琳， 肖学良

(江南大学 纺织服装学院，江苏 无锡 214122)

虚拟现实技术是指通过计算机模拟虚拟世界，并使用交互式设备通过直观感知(如听觉、视觉、触觉、力觉等)使人们沉浸在虚拟世界中的技术。力觉技术是目前虚拟现实交互技术中的一大难点，而力反馈技术是实现模拟力觉的决定性因素。不同力反馈系统的结构原理不同，力反馈系统根据原理可分为仿生机械手反馈、磁流变液力反馈、气动力反馈、电磁铁力反馈和外骨骼力反馈。文中分析了不同力反馈系统的原理，并总结了目前力反馈技术在可穿戴电子服装上的研究现状、应用及发展前景，旨在为可穿戴电子服装力反馈技术的研究提供新思路。

1 力反馈结构的常用柔性传感器

在可穿戴智能服装中，如何将外界的各种刺激力高效灵敏地转化为电信号并将其及时准确地测量和传输是力反馈结构中传感器应用的关键问题。柔性传感器是指由柔性材料制成的传感器，具有良好的可折叠性，结构多变，能够适应织物等柔性材料的空间位置变化。因此，柔性传感器通常用于可穿戴设备中力反馈结构的信息测量和传输。

柔性传感器按照信号转换机制，主要可分为以下5种：压阻式传感器、压电式传感器、电容式传感器、光纤式传感器、电感式传感器。

1.1 压阻式传感器

压阻式传感器通过外力作用在弹性传感器上，使传感器的电阻发生变化，进而改变探测电路输出的电信号，间接感知力的变化。最早的压阻式传感器是由半导体材料硅和锗制成，到后期则由导电弹性复合材料(如炭黑填充的高分子复合导电纤维、石墨烯填充的复合导电纤维等)制成。压阻式传感器的电阻变化与外界施加力的平方根成正比，因此由纺织复合材料制成的压阻式传感器具有柔软、分辨率高、信号读出机制和设备简单、易与织物结合等优点，是可穿戴服装力反馈结构常用的传感器。

图1为针织柔性传感器。Philips实验室发明了一种通过针织的方法将碳纤维与弹性纤维编织而成的柔性传感器[1](见图1(a))。织物的长度会随着受力的变化而变化，其等效电阻也会随着织物的伸长率而变化。运用针织技术中的“添纱结构”，将导电纤维和跟踪材料平行排列，在同一个成圈系统中成圈，形成相互连接的传感器并传输电信号(见图1(b))。

DE ROSSI D等[2]发明了一种将传感器中聚吡咯部分与莱卡布相结合的压阻式传感器。当在此传感器上施加压力时，莱卡布织物的尺寸也会随之改变，并且由于材料导电横截面积的增加，传感器的电阻也会降低。但随着实验的不断深入，发现此类型传感器存在多种问题，如信号变换时间长、反应灵敏度差、制作工艺困难、布面僵硬等。

炭黑导电材料是目前极具潜力的柔性传感器感应材料。冯建超等[3]在有叉指电极的陶瓷衬底上制作了用纳米炭黑/硅橡胶复合材料进行导电的压阻式传感器。测试表明：这种传感器在0.1～100 kHz下呈正压阻效应，且该传感器具有快速响应恢复性能，但随着频率的增加会减小空间电荷极化强度，使传感器的压阻效应降低。

图1 针织柔性传感器 Fig.1 Knitted flexible sensor

PARK J等[4]研发了具有多方向力传感能力的可伸缩电子皮肤。将压阻互锁微圆阵列用于应力方向敏感的柔性传感器中，两个具有微圆形图案的CNT(carbon nanotube,碳纳米管)复合薄膜在图案一侧连接，形成互锁的几何形状，具体如图2所示。在受到剪切、弯曲、扭转等各种机械力刺激时，这种压力传感器具有高灵敏度的检测能力，并且由于阵列的独特几何结构，它在不同施加力方向表现出不同程度的变形，因此能区分各种机械刺激。微结构器件的响应时间约为18 ms，恢复时间约为10 ms，是一款精确度高并且可拉伸的压阻式传感器。

图2 联锁微圆阵列的柔性压力传感器Fig.2 Flexible pressure sensor with interlocked microcircle array

1.2 压电式传感器

受到外力作用后，压电材料的晶体结构发生形变而产生电偶极距，使压电材料两端形成电势差，连接外界电路后就能产生电信号。压电式传感器是由压电材料制成的具有压电效应的传感器。为了满足可穿戴电子产品的需求，一些新的压电材料逐步面世，以取代现有市场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)、锆钛酸铅(PZT)和氧化锌(ZnO)等。聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物柔性P(VDF-TrFE)具有良好的化学惰性，且加工工艺简单、压电系数较大，已成为目前倍受瞩目的新型压电材料。

SHIRINOV A V等[5]使用压电聚偏氟乙烯(PVDF)作为传感原件，制备了一种面积为25 mm2的柔性压电式传感器，能在-40～125 ℃之间正常使用，其检测范围为10～2 000 kPa，响应延迟时间为1 ms。这种压力传感器制作方式简单，且成本较低。

DREAN E等[6]将PVDF导电材料集成到汽车座椅的外层面料和里层泡沫之间，将压电效应带来的电流变化传输到放大器和阻抗相位分析仪上。结果表明，这种变化是线性的，可用在汽车领域，能够检测施加在汽车座椅上的压力。

LIU J等[7]开发了一套将纺织材料与压电材料相融合的，可采集角加速度、垂直加速度和压电数据的监测系统。该监控系统可实时反馈并记录运动障碍人群的步态稳定性。监控系统将压电式传感器、印刷电路板、微控制器等电子元件植入服装中采集信号，并通过蓝牙将压电数据传输到指定位置，从而识别、区分具有运动障碍的人群。

PERSANO L等[8]使用聚偏二氟乙烯-共三氟乙烯，通过静电纺丝法开发了具有独立三维结构的纤维阵列。这种材料具有较好的压电特性，能感应小于0.1 Pa的压力，灵敏度高，可应用于对敏感度要求较高的微型传感器，如灵敏碰撞检测器等。

1.3 电容式传感器

柔性电容传感器一般以柔性材料为电容器极板，以弹性材料为间隔层，相当于将各种力的变化转化为电容的一种装置。这种柔性电容传感器与纺织品结合后制成智能纺织品，具有灵敏度高、空间分辨率高等特点，且兼具纺织品柔软、可伸缩等特性。

SERGIO M等[9]设计了一种可集成到服装中的电容式织物压力传感器。将导电丝矩阵(经纬导电纱形成的16×16电容矩阵)覆盖在弹性泡沫上，当对基体施加压力时，中间包夹的泡沫受到挤压而形变，导致两侧导电纱矩阵之间的距离发生变化，从而使电容也发生改变。外接电路可将传感器的电容变化情况扫描并绘制成信号变化曲线，并得到织物压力变化情况。由于在中间包夹弹性泡沫塑料，导致传感器的灵敏度降低，并且三明治结构使织物传感器的柔韧性降低，织物的舒适性也受到一定影响。

MEYER J等[10]在文献[9]模型的基础上进行了优化。优化后的织物压力传感器结构如图 3 所示。图3中，织物传感器测量范围为0～10 N/cm2，平均误差小于4 %，可集成到服装中测量人体的压力。例如，织物传感器中间存在6 mm厚间隔织物，并将其作为介质层，此时，对传感器施加力前的电容为3.5 pF (无载荷)，施加压力后的电容为5.8 pF (压力5 N/cm2)。但由于传感器的感知带与人体皮肤之间在相对移动时存在摩擦力，导致肌肉向前臂弯曲时测得的压力分布不均匀。这种织物压力传感器可应用于需要高局部分辨率的情况。

图3 织物压力传感器结构Fig.3 Structure of textile pressure sensor

DONSELAAR R等[11]发明了一种上下导电织物层包夹着绝缘体的三明治结构智能压力垫。压力垫由64 只压力传感器和配套的测试软件组成，主要用于采集保温箱中婴儿肢体各部分对保护垫的压力情况，确保婴儿的安全。

1.4 其他类型柔性传感器

1.4.1光纤式传感器 光纤式传感器是利用光纤的光传输特性，将被测量的光信号转换成光特性(强度、相位、偏振态、频率、波长)的一种传感器。国内外许多学者将光纤编织成光纤式传感器，可以测量压力、加速度、温度、电场等信号，同时不影响织物本身的柔软性及可穿戴性。

ROTHMAIER M等[12]通过刺绣的方法将塑料光纤织入弹性针织物中，制作成光纤压力传感器，具体如图4所示。当对传感器施加压力时，由于织物的变形，有光纤的区域弹性纱线交叉点位置会发生变化，导致透射光强度发生改变，由此原理可检测织物受力情况的变化。

图4 织物光纤式传感器Fig.4 Textile sensor with optical fibers

1.4.2电感式传感器 利用电磁感应原理，将被测非电量物理量的变化转换为线圈自感系数或互感系数的变化，再将被测电路转化为电压或电流输出，这种装置被称为电感式传感器，通常由诸如导电纤维或纱线的纺织材料制成。这种传感器相比于普通金属线圈更柔软、穿戴更舒适、更适合与纺织品结合使用。目前，电感式传感器已应用于睡眠质量监测和动作捕捉等领域。

WIJESIRIWARDANA R[13]将弹性莱卡纤维、导电铜丝和普通纤维集成到织物中，将不同导电水平的导电纤维布置在螺旋路径中形成线圈，开发了一款管式电感式传感器(也称为织物换能器)。将这种传感器戴在胸部，由于呼吸可导致胸部产生较小的起伏变化，从而使传感器的电感也随之发生变化，并转换为电压信号输出。利用此原理即可完成对呼吸的监测。

刘官正等[14]将电感式传感器嵌入织物中，设计了一种基于体域网技术的数字RIP呼吸监测腰带，对受试者进行了如坐、走、跑、6 h睡眠呼吸等日常活动监测。结果表明，此款产品呼吸速率的平均测量精度能够达到95%，可应用于人体日常生理信号变化的采集和分析。

2 基于柔性传感器的力反馈技术

2.1 仿生机械手反馈(压阻式力反馈)

林焕辉等[15]研究的仿生机械手手指结构采用的是腱传动结构。5根手指指节上都装有结构轻便的压力传感器，当使用仿生机械手握持物体时，压力传感器的电阻阻值会发生变化，且压力的大小与阻值的大小呈反比。握持物体产生的压力值会通过压力传感器传送给力反馈数据手套，而手套接收到信号之后，能够控制微型电磁铁工作；电磁铁会产生吸合作用，由于棘爪与电磁铁相连接，故棘爪也会随着电磁铁一起靠近棘轮，使棘轮与棘爪共同完成工作。

力反馈数据手套如图5所示。Virtual Techno-logies公司基于CyberGlove手套[16]设计了一款商业用力反馈数据手套“CyberGrasp”(见图5(a))。它通过电机产生的力来进行驱动，并通过钢丝绳传递力，因而可以在手指上产生高达16 N的力；但是该手套也有很多缺点，比如质量大、使用者长期佩戴会感到疲劳等。

FRISOLI A等[17]使用无刷直流电机作为动力源，制作了一款人手触觉接口结构的力反馈数据手套(见图5(b))。该结构的基座是安装在前臂上的，由于采用腱传动布置方案，手套可以反馈拇指和食指的运动；但是整个系统笨重且体积较大，集成度不高。

图5 力反馈数据手套Fig.5 Force feedback data gloves

仿生机械手的优点是：它不仅可以精确、稳定地抓取物体，而且能替代人手做一些高危动作；但是它也有以下缺陷：质量较大，所以长时间穿戴会感到累，而且它的系统占用空间较大，集成度也很低。

2.2 磁流变液力反馈

磁流变液由磁性颗粒、载体流体和稳定剂3个部分组成。磁流变液的流动性与是否存在附加磁场有关。附加磁场的存在能够加强磁流变液的流动性；相反，在附加磁场消失后，磁流变液能立刻从液态变为固态，这个过程只需要1 ms就可以实现，且是可逆的。因此，磁流变液的状态或其粘度和屈服应力可以通过改变磁感应强度大小来进行控制。

戴金桥等[18]提出的一种驱动器，即通过上述磁流变液原理实现。驱动器结构如图6所示。驱动器使用具有高磁导率的电磁纯铁来制作壳体、固定盘等主要部件，而采用磁绝缘材料来制作磁绝缘环和轴，从而提高线圈所产生磁场能量的使用效率，使之主要应用于磁流变液工作间隙的流体。

图6 驱动器剖面 Fig.6 Cross section of drive profile

磁流变液在电场下性能会发生改变，使其在特定环境中能够同时满足柔顺性和硬物接触力要求[19]；此外，若需要改变不同粘度和屈服应力，可以通过改变磁流变液上的磁感应强度来实现。

东南大学研发的一种力反馈数据手套[20]，具体如图7所示。这种手套是基于赛伯手套号码驱动的手套，不同的是，它加上了电流变为电流变流体(ERF)。电流变流体是由基本流体(如油)和悬浮颗粒组成，悬浮颗粒的尺寸大小为0.1～10 μm。

图7 基于电流变流体的力反馈数据手套 Fig.7 Force feedback data glove based on electro-rheological fluids

随着电场的变化，液体粘度急剧变化，电场强度增加，粘度增加，电流变流体的性能最后发生变化。在电场作用下，电流变流体在静态下有了抗剪切力，这是由于电流变流体的力学性能发生了改变，而这个力，则是力反馈手套中力的来源[21]。相比于现有的大多数力反馈数据手套，该力反馈结构具有稳定、安全、摩擦力小、力反馈范围大等优点，并且质量轻、便于携带、持续力强。

2.3 气动力反馈

王海涛等[22]对微型低摩擦气缸结构进行了较深入的研究，其结构如图8所示。此结构为弹性密封装置，活塞上加装丁腈橡胶的单向密封圈，滑动阻力很小，但阻力会随着气压的增大有所增加。

图8 低摩擦气缸结构Fig.8 Low friction cylinder structure

上述低摩擦气缸实验中分别使用角度传感器和位移传感器来测量气缸的移动程度和活塞杆的位置变化，从而可以用实验得到的数据来计算各个关节弯曲的角度。一旦虚拟手碰触到实物，活塞杆就会在气缸供给空气的情况下，对虚拟手指发出力的作用，使人手感觉到力的存在，完成力反馈。

基于气动力反馈结构原理，美国罗格斯大学设计的Rutgers Master glove[23]，通过圆柱体与球形关节同轴的设计，使手指可以弯曲、拉伸、外展、内收，具体如图9所示。这种手套的执行结构是固定的，用户可根据自己手的大小调节手套上尼龙搭扣，以调整手套大小，达到最佳状态。这种手套具有摩擦力小、结构简单、质量轻的优点；缺点是手指的运动空间受到限制。从手套的整体性能而言，这款Rutgers Master glove是优于CyberGrasp的。

图9 Rutgers Master力反馈数据手套Fig.9 Rutgers Master force feedback data glove

KOPECNY L[24]通过气动肌肉来实现力觉传感。气动人工肌肉装置的原理是：由外部压缩空气来提供推拉力。它不仅质量轻，而且能提供相对大的驱动力。它的一端固定在支架上，另一端固定在手指的套筒上，其横向力的大小可以通过压力的大小来控制。

孙中圣等[25]研发出一种基于气动人工肌肉的力反馈数据手套，但不同之处在于它采用微型低摩擦气缸作为力的来源，能够测量各手指及关节的弯曲和伸展角度。这种手套质量小，而且可以提供很大的触觉力，使触觉更加真实，其触觉力最大可达30 N。

2.4 电磁铁力反馈

通过电磁铁实现力反馈的原理是：当手套没有接收到信号时，由于电磁铁是附在手指上的，故会随着手指一起运动，此时受到的摩擦阻力较小；当手套接收到信号时，电磁铁会提供一个反馈力并停止运动，反馈力的大小可通过调节电流大小来设置。

根据以上原理，使用两个不同型号的圆管推拉式电磁铁作为制动装置，电磁铁受力情况具体如图10所示。其中止动电磁铁可以做到瞬间制动，且对推力电磁铁产生阻力，使其停止滑动。借助电磁铁本身和套筒内壁之间的摩擦力完成制动，可以更高效率地完成制动，且更加节能，同时也可以增强装置的刚度。

图10 倾斜后电磁铁受力示意Fig.10 Force diagram of electromagnet after tilting

ASAMURA N 等[26]设计了一种力触觉系统。该系统利用电磁原理，将4个磁铁分别固定在使用者的手指或手掌皮肤上，具体如图11所示。上方的磁铁通过打开或关闭电磁铁以及通过控制电流的方向来控制磁铁的吸引或排斥，从而刺激手指或手掌的皮肤。该系统最大的特点是结构简单，原理也便于理解，最后产生的力反馈大小可根据机械手所受力的情况进行调节，且调节较方便。

原魁等[27]研发的基于点的手指力觉反馈系统是一个由比例电磁铁驱动外骨架组成的力反馈装置。对该装置施加力时，不仅可以抑制手的关节运动，而且可以防止虚拟手嵌入到虚拟物体中。通过电磁铁来实现制动，可以在受到力的同时立即制动，具有结构简单、可控性强的优点，并且对比传统机械制动装置，这种反馈系统具有更好的控制效果。

图11 力反馈示意Fig.11 Force feedback diagram

3 智能穿戴型力反馈结构的应用

智能可穿戴性力反馈结构可应用于生活的各个领域，并且对虚拟现实系统而言，力觉能显著加强参与者的真实感，并在人机交互等方面能够提高任务目标的执行效率和成功可能性。智能可穿戴性力反馈结构正在进入教育、娱乐、旅游、医学、航天等各个领域。

3.1 传统机械式力反馈结构的应用

机械式力反馈结构活动范围较小，力只作用于手指的关节位置。控制装置捕捉到手指特定运动后，将适当的力作用于手指，模仿人的抓取动作。CyberGrasp是由电机驱动，并且由钢丝传递力的手指型力反馈设备，可产生约12 N的力[28]；其缺点是具有较大的后冲力及摩擦，不适于长时间佩戴。Master II-ND是一款力反馈结构内置的反馈设备，可提供较大的反馈力，其缺点是束缚手指运动。

3.2 力反馈结构在教育学习中的应用

在数学、物理、建筑等学科中，力反馈结构为师生在虚拟世界中构造了从具体到抽象的真实体验，有助于提高用户的学习效率。斯坦福大学和约翰霍普金斯大学将力反馈技术引入到了大学生初级动力系统课程中，引导学生去亲身体验力学运动，教学效果颇为显著[29]。

3.3 力反馈结构在健康医疗中的应用

在医疗方面，虚拟手术是力反馈交互技术的具体呈现与应用实例。该技术通过三维建模技术构建虚拟手术对象，医生可以佩戴力反馈设备，模拟现实手术场景，和虚拟对象进行手术练习，提高医生手术的成功率。近年来，随着力反馈技术的发展，医生可通过操控虚拟力反馈手术设备，用信号传输的方式将其动作同步反映到真实手术设备中进行手术，这项技术已经成为现代手术的重要辅助道具和实时记录工具[30]。力反馈手术设备能够将医生手部的动作同比例缩小，同时具有修正功能，可滤除手部的抖动，以消除因物理因素带来的细小误差，保证医生操作的灵活性和准确性，提高手术操作精度。同时，一些外架式力反馈设备可应用于残疾人士及部分特殊患者的康复训练与现实模拟。

中医中常说“望闻问切”，了解病人病理部位的具体情况，将有助于医生更好地诊断病人的病情。医生可通过以力反馈结构、传感器等为主要元件的触诊系统训练其专业能力。触诊系统可将医生的触诊动作实时反映于显示屏之上，医生借助力反馈设备感受按压不同检查部位时手部受力的变化情况，判断病人的病症。这种训练更加真实、确切、简单、高效，为医护人员提供了大量的实操案例，一定程度上节约了培训成本及培训时间，同时为医生远距离诊断病人病情提供可能。

3.4 力反馈结构在空间技术中的应用

将力反馈和传感结构与虚拟现实技术相结合，可用来模拟大气外空间、深海等场景下的人体真实感受，研究该场景下人可感受到的物体形状、温度、硬度等信息。并且在沉浸式环境下，能凭借近似于真实情况的人体感受进行遥控指挥，可大幅度提高科考队员在恶劣、危险情况下作业的安全性[31]。

3.5 前景与展望

随着视觉再现技术的进步与发展，人类社会对力反馈技术的需求将会越来越复杂。高精度的位置检测、真正多模拟状态的力触觉再现系统、多点交互的力触觉再现系统将会是力反馈技术在未来的主要发展方向[32]。同时，研究如何降低可穿戴电子服装设备的制造成本，将对虚拟现实交互技术的推广有极大的影响。

4 结语

力反馈技术作为虚拟现实领域中的关键技术，在虚拟现实交互过程中将视觉、听觉、触觉等多种感觉相结合，使用户与虚拟世界之间的交互体验更逼真、更投入。近年来，以力反馈技术为核心的交互设备正在世界各地迅速发展，各国对这项技术的研究也在进一步深入。在当代，虽然力反馈设备是影响虚拟现实交互系统真实性、体验性、及时性和准确性的极为关键因素，但是其发展仍受到多方面的制约。在服装领域，力反馈技术与智能电子穿戴服装相结合过程中，如何实现设备的微型化、柔软化、真实化依然是尚待解决的问题。