力反饋電子服裝中柔性傳感器及其交互技術(shù)的研究進(jìn)展

董科， 張玲， 范佳璇， 李夢(mèng)婕， 梅琳， 肖學(xué)良

(江南大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是指通過計(jì)算機(jī)模擬虛擬世界，并使用交互式設(shè)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(shù)。力覺技術(shù)是目前虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)中的一大難點(diǎn)，而力反饋技術(shù)是實(shí)現(xiàn)模擬力覺的決定性因素。不同力反饋系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理不同，力反饋系統(tǒng)根據(jù)原理可分為仿生機(jī)械手反饋、磁流變液力反饋、氣動(dòng)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(tǒng)的原理，并總結(jié)了目前力反饋技術(shù)在可穿戴電子服裝上的研究現(xiàn)狀、應(yīng)用及發(fā)展前景，旨在為可穿戴電子服裝力反饋技術(shù)的研究提供新思路。

1 力反饋結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)化為電信號(hào)并將其及時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量和傳輸是力反饋結(jié)構(gòu)中傳感器應(yīng)用的關(guān)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(jié)構(gòu)多變，能夠適應(yīng)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(shè)備中力反饋結(jié)構(gòu)的信息測(cè)量和傳輸。

柔性傳感器按照信號(hào)轉(zhuǎn)換機(jī)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(fā)生變化，進(jìn)而改變探測(cè)電路輸出的電信號(hào)，間接感知力的變化。最早的壓阻式傳感器是由半導(dǎo)體材料硅和鍺制成，到后期則由導(dǎo)電彈性復(fù)合材料(如炭黑填充的高分子復(fù)合導(dǎo)電纖維、石墨烯填充的復(fù)合導(dǎo)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(fù)合材料制成的壓阻式傳感器具有柔軟、分辨率高、信號(hào)讀出機(jī)制和設(shè)備簡(jiǎn)單、易與織物結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，是可穿戴服裝力反饋結(jié)構(gòu)常用的傳感器。

圖1為針織柔性傳感器。Philips實(shí)驗(yàn)室發(fā)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(zhǎng)度會(huì)隨著受力的變化而變化，其等效電阻也會(huì)隨著織物的伸長(zhǎng)率而變化。運(yùn)用針織技術(shù)中的“添紗結(jié)構(gòu)”，將導(dǎo)電纖維和跟蹤材料平行排列，在同一個(gè)成圈系統(tǒng)中成圈，形成相互連接的傳感器并傳輸電信號(hào)(見圖1(b))。

DE ROSSI D等[2]發(fā)明了一種將傳感器中聚吡咯部分與萊卡布相結(jié)合的壓阻式傳感器。當(dāng)在此傳感器上施加壓力時(shí)，萊卡布織物的尺寸也會(huì)隨之改變，并且由于材料導(dǎo)電橫截面積的增加，傳感器的電阻也會(huì)降低。但隨著實(shí)驗(yàn)的不斷深入，發(fā)現(xiàn)此類型傳感器存在多種問題，如信號(hào)變換時(shí)間長(zhǎng)、反應(yīng)靈敏度差、制作工藝?yán)щy、布面僵硬等。

炭黑導(dǎo)電材料是目前極具潛力的柔性傳感器感應(yīng)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(fù)合材料進(jìn)行導(dǎo)電的壓阻式傳感器。測(cè)試表明：這種傳感器在0.1～100 kHz下呈正壓阻效應(yīng)，且該傳感器具有快速響應(yīng)恢復(fù)性能，但隨著頻率的增加會(huì)減小空間電荷極化強(qiáng)度，使傳感器的壓阻效應(yīng)降低。

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

PARK J等[4]研發(fā)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(yīng)力方向敏感的柔性傳感器中，兩個(gè)具有微圓形圖案的CNT(carbon nanotube,碳納米管)復(fù)合薄膜在圖案一側(cè)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(zhuǎn)等各種機(jī)械力刺激時(shí)，這種壓力傳感器具有高靈敏度的檢測(cè)能力，并且由于陣列的獨(dú)特幾何結(jié)構(gòu)，它在不同施加力方向表現(xiàn)出不同程度的變形，因此能區(qū)分各種機(jī)械刺激。微結(jié)構(gòu)器件的響應(yīng)時(shí)間約為18 ms，恢復(fù)時(shí)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(lián)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(jié)構(gòu)發(fā)生形變而產(chǎn)生電偶極距，使壓電材料兩端形成電勢(shì)差，連接外界電路后就能產(chǎn)生電信號(hào)。壓電式傳感器是由壓電材料制成的具有壓電效應(yīng)的傳感器。為了滿足可穿戴電子產(chǎn)品的需求，一些新的壓電材料逐步面世，以取代現(xiàn)有市場(chǎng)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(xué)惰性，且加工工藝簡(jiǎn)單、壓電系數(shù)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(cè)范圍為10～2 000 kPa，響應(yīng)延遲時(shí)間為1 ms。這種壓力傳感器制作方式簡(jiǎn)單，且成本較低。

DREAN E等[6]將PVDF導(dǎo)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(yīng)帶來的電流變化傳輸?shù)椒糯笃骱妥杩瓜辔环治鰞x上。結(jié)果表明，這種變化是線性的，可用在汽車領(lǐng)域，能夠檢測(cè)施加在汽車座椅上的壓力。

LIU J等[7]開發(fā)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(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)反饋并記錄運(yùn)動(dòng)障礙人群的步態(tài)穩(wěn)定性。監(jiān)控系統(tǒng)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(hào)，并通過藍(lán)牙將壓電數(shù)據(jù)傳輸?shù)街付ㄎ恢?，從而識(shí)別、區(qū)分具有運(yùn)動(dòng)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(fā)了具有獨(dú)立三維結(jié)構(gòu)的纖維陣列。這種材料具有較好的壓電特性，能感應(yīng)小于0.1 Pa的壓力，靈敏度高，可應(yīng)用于對(duì)敏感度要求較高的微型傳感器，如靈敏碰撞檢測(cè)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(dāng)于將各種力的變化轉(zhuǎn)化為電容的一種裝置。這種柔性電容傳感器與紡織品結(jié)合后制成智能紡織品，具有靈敏度高、空間分辨率高等特點(diǎn)，且兼具紡織品柔軟、可伸縮等特性。

SERGIO M等[9]設(shè)計(jì)了一種可集成到服裝中的電容式織物壓力傳感器。將導(dǎo)電絲矩陣(經(jīng)緯導(dǎo)電紗形成的16×16電容矩陣)覆蓋在彈性泡沫上，當(dāng)對(duì)基體施加壓力時(shí)，中間包夾的泡沫受到擠壓而形變，導(dǎo)致兩側(cè)導(dǎo)電紗矩陣之間的距離發(fā)生變化，從而使電容也發(fā)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(hào)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(dǎo)致傳感器的靈敏度降低，并且三明治結(jié)構(gòu)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(xiàn)[9]模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化后的織物壓力傳感器結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。圖3中，織物傳感器測(cè)量范圍為0～10 N/cm2，平均誤差小于4 %，可集成到服裝中測(cè)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(zhì)層，此時(shí)，對(duì)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(duì)移動(dòng)時(shí)存在摩擦力，導(dǎo)致肌肉向前臂彎曲時(shí)測(cè)得的壓力分布不均勻。這種織物壓力傳感器可應(yīng)用于需要高局部分辨率的情況。

圖3 織物壓力傳感器結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of textile pressure sensor

DONSELAAR R等[11]發(fā)明了一種上下導(dǎo)電織物層包夾著絕緣體的三明治結(jié)構(gòu)智能壓力墊。壓力墊由64 只壓力傳感器和配套的測(cè)試軟件組成，主要用于采集保溫箱中嬰兒肢體各部分對(duì)保護(hù)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(cè)量的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成光特性(強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)、頻率、波長(zhǎng))的一種傳感器。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者將光纖編織成光纖式傳感器，可以測(cè)量壓力、加速度、溫度、電場(chǎng)等信號(hào)，同時(shí)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(dāng)對(duì)傳感器施加壓力時(shí)，由于織物的變形，有光纖的區(qū)域彈性紗線交叉點(diǎn)位置會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致透射光強(qiáng)度發(fā)生改變，由此原理可檢測(cè)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(yīng)原理，將被測(cè)非電量物理量的變化轉(zhuǎn)換為線圈自感系數(shù)或互感系數(shù)的變化，再將被測(cè)電路轉(zhuǎn)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(dǎo)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(jié)合使用。目前，電感式傳感器已應(yīng)用于睡眠質(zhì)量監(jiān)測(cè)和動(dòng)作捕捉等領(lǐng)域。

WIJESIRIWARDANA R[13]將彈性萊卡纖維、導(dǎo)電銅絲和普通纖維集成到織物中，將不同導(dǎo)電水平的導(dǎo)電纖維布置在螺旋路徑中形成線圈，開發(fā)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(dǎo)致胸部產(chǎn)生較小的起伏變化，從而使傳感器的電感也隨之發(fā)生變化，并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出。利用此原理即可完成對(duì)呼吸的監(jiān)測(cè)。

劉官正等[14]將電感式傳感器嵌入織物中，設(shè)計(jì)了一種基于體域網(wǎng)技術(shù)的數(shù)字RIP呼吸監(jiān)測(cè)腰帶，對(duì)受試者進(jìn)行了如坐、走、跑、6 h睡眠呼吸等日?；顒?dòng)監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明，此款產(chǎn)品呼吸速率的平均測(cè)量精度能夠達(dá)到95%，可應(yīng)用于人體日常生理信號(hào)變化的采集和分析。

2 基于柔性傳感器的力反饋技術(shù)

2.1 仿生機(jī)械手反饋(壓阻式力反饋)

林煥輝等[15]研究的仿生機(jī)械手手指結(jié)構(gòu)采用的是腱傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。5根手指指節(jié)上都裝有結(jié)構(gòu)輕便的壓力傳感器，當(dāng)使用仿生機(jī)械手握持物體時(shí)，壓力傳感器的電阻阻值會(huì)發(fā)生變化，且壓力的大小與阻值的大小呈反比。握持物體產(chǎn)生的壓力值會(huì)通過壓力傳感器傳送給力反饋數(shù)據(jù)手套，而手套接收到信號(hào)之后，能夠控制微型電磁鐵工作；電磁鐵會(huì)產(chǎn)生吸合作用，由于棘爪與電磁鐵相連接，故棘爪也會(huì)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(shù)據(jù)手套如圖5所示。Virtual Techno-logies公司基于CyberGlove手套[16]設(shè)計(jì)了一款商業(yè)用力反饋數(shù)據(jù)手套“CyberGrasp”(見圖5(a))。它通過電機(jī)產(chǎn)生的力來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并通過鋼絲繩傳遞力，因而可以在手指上產(chǎn)生高達(dá)16 N的力；但是該手套也有很多缺點(diǎn)，比如質(zhì)量大、使用者長(zhǎng)期佩戴會(huì)感到疲勞等。

FRISOLI A等[17]使用無刷直流電機(jī)作為動(dòng)力源，制作了一款人手觸覺接口結(jié)構(gòu)的力反饋數(shù)據(jù)手套(見圖5(b))。該結(jié)構(gòu)的基座是安裝在前臂上的，由于采用腱傳動(dòng)布置方案，手套可以反饋拇指和食指的運(yùn)動(dòng)；但是整個(gè)系統(tǒng)笨重且體積較大，集成度不高。

圖5 力反饋數(shù)據(jù)手套Fig.5 Force feedback data gloves

仿生機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)是：它不僅可以精確、穩(wěn)定地抓取物體，而且能替代人手做一些高危動(dòng)作；但是它也有以下缺陷：質(zhì)量較大，所以長(zhǎng)時(shí)間穿戴會(huì)感到累，而且它的系統(tǒng)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(wěn)定劑3個(gè)部分組成。磁流變液的流動(dòng)性與是否存在附加磁場(chǎng)有關(guān)。附加磁場(chǎng)的存在能夠加強(qiáng)磁流變液的流動(dòng)性；相反，在附加磁場(chǎng)消失后，磁流變液能立刻從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，這個(gè)過程只需要1 ms就可以實(shí)現(xiàn)，且是可逆的。因此，磁流變液的狀態(tài)或其粘度和屈服應(yīng)力可以通過改變磁感應(yīng)強(qiáng)度大小來進(jìn)行控制。

戴金橋等[18]提出的一種驅(qū)動(dòng)器，即通過上述磁流變液原理實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)如圖6所示。驅(qū)動(dòng)器使用具有高磁導(dǎo)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(huán)和軸，從而提高線圈所產(chǎn)生磁場(chǎng)能量的使用效率，使之主要應(yīng)用于磁流變液工作間隙的流體。

圖6 驅(qū)動(dòng)器剖面 Fig.6 Cross section of drive profile

磁流變液在電場(chǎng)下性能會(huì)發(fā)生改變，使其在特定環(huán)境中能夠同時(shí)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(yīng)力，可以通過改變磁流變液上的磁感應(yīng)強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)。

東南大學(xué)研發(fā)的一種力反饋數(shù)據(jù)手套[20]，具體如圖7所示。這種手套是基于賽伯手套號(hào)碼驅(qū)動(dòng)的手套，不同的是，它加上了電流變?yōu)殡娏髯兞黧w(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(shù)據(jù)手套 Fig.7 Force feedback data glove based on electro-rheological fluids

隨著電場(chǎng)的變化，液體粘度急劇變化，電場(chǎng)強(qiáng)度增加，粘度增加，電流變流體的性能最后發(fā)生變化。在電場(chǎng)作用下，電流變流體在靜態(tài)下有了抗剪切力，這是由于電流變流體的力學(xué)性能發(fā)生了改變，而這個(gè)力，則是力反饋手套中力的來源[21]。相比于現(xiàn)有的大多數(shù)力反饋數(shù)據(jù)手套，該力反饋結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定、安全、摩擦力小、力反饋范圍大等優(yōu)點(diǎn)，并且質(zhì)量輕、便于攜帶、持續(xù)力強(qiáng)。

2.3 氣動(dòng)力反饋

王海濤等[22]對(duì)微型低摩擦氣缸結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較深入的研究，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。此結(jié)構(gòu)為彈性密封裝置，活塞上加裝丁腈橡膠的單向密封圈，滑動(dòng)阻力很小，但阻力會(huì)隨著氣壓的增大有所增加。

圖8 低摩擦氣缸結(jié)構(gòu)Fig.8 Low friction cylinder structure

上述低摩擦氣缸實(shí)驗(yàn)中分別使用角度傳感器和位移傳感器來測(cè)量氣缸的移動(dòng)程度和活塞桿的位置變化，從而可以用實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)來計(jì)算各個(gè)關(guān)節(jié)彎曲的角度。一旦虛擬手碰觸到實(shí)物，活塞桿就會(huì)在氣缸供給空氣的情況下，對(duì)虛擬手指發(fā)出力的作用，使人手感覺到力的存在，完成力反饋。

基于氣動(dòng)力反饋結(jié)構(gòu)原理，美國(guó)羅格斯大學(xué)設(shè)計(jì)的Rutgers Master glove[23]，通過圓柱體與球形關(guān)節(jié)同軸的設(shè)計(jì)，使手指可以彎曲、拉伸、外展、內(nèi)收，具體如圖9所示。這種手套的執(zhí)行結(jié)構(gòu)是固定的，用戶可根據(jù)自己手的大小調(diào)節(jié)手套上尼龍搭扣，以調(diào)整手套大小，達(dá)到最佳狀態(tài)。這種手套具有摩擦力小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是手指的運(yùn)動(dòng)空間受到限制。從手套的整體性能而言，這款Rutgers Master glove是優(yōu)于CyberGrasp的。

圖9 Rutgers Master力反饋數(shù)據(jù)手套Fig.9 Rutgers Master force feedback data glove

KOPECNY L[24]通過氣動(dòng)肌肉來實(shí)現(xiàn)力覺傳感。氣動(dòng)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(zhì)量輕，而且能提供相對(duì)大的驅(qū)動(dòng)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(fā)出一種基于氣動(dòng)人工肌肉的力反饋數(shù)據(jù)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(cè)量各手指及關(guān)節(jié)的彎曲和伸展角度。這種手套質(zhì)量小，而且可以提供很大的觸覺力，使觸覺更加真實(shí)，其觸覺力最大可達(dá)30 N。

2.4 電磁鐵力反饋

通過電磁鐵實(shí)現(xiàn)力反饋的原理是：當(dāng)手套沒有接收到信號(hào)時(shí)，由于電磁鐵是附在手指上的，故會(huì)隨著手指一起運(yùn)動(dòng)，此時(shí)受到的摩擦阻力較??；當(dāng)手套接收到信號(hào)時(shí)，電磁鐵會(huì)提供一個(gè)反饋力并停止運(yùn)動(dòng)，反饋力的大小可通過調(diào)節(jié)電流大小來設(shè)置。

根據(jù)以上原理，使用兩個(gè)不同型號(hào)的圓管推拉式電磁鐵作為制動(dòng)裝置，電磁鐵受力情況具體如圖10所示。其中止動(dòng)電磁鐵可以做到瞬間制動(dòng)，且對(duì)推力電磁鐵產(chǎn)生阻力，使其停止滑動(dòng)。借助電磁鐵本身和套筒內(nèi)壁之間的摩擦力完成制動(dòng)，可以更高效率地完成制動(dòng)，且更加節(jié)能，同時(shí)也可以增強(qiáng)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(shè)計(jì)了一種力觸覺系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用電磁原理，將4個(gè)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(guān)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(tǒng)最大的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，原理也便于理解，最后產(chǎn)生的力反饋大小可根據(jù)機(jī)械手所受力的情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，且調(diào)節(jié)較方便。

原魁等[27]研發(fā)的基于點(diǎn)的手指力覺反饋系統(tǒng)是一個(gè)由比例電磁鐵驅(qū)動(dòng)外骨架組成的力反饋裝置。對(duì)該裝置施加力時(shí)，不僅可以抑制手的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，而且可以防止虛擬手嵌入到虛擬物體中。通過電磁鐵來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，可以在受到力的同時(shí)立即制動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可控性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，并且對(duì)比傳統(tǒng)機(jī)械制動(dòng)裝置，這種反饋系統(tǒng)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(jié)構(gòu)的應(yīng)用

智能可穿戴性力反饋結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于生活的各個(gè)領(lǐng)域，并且對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)而言，力覺能顯著加強(qiáng)參與者的真實(shí)感，并在人機(jī)交互等方面能夠提高任務(wù)目標(biāo)的執(zhí)行效率和成功可能性。智能可穿戴性力反饋結(jié)構(gòu)正在進(jìn)入教育、娛樂、旅游、醫(yī)學(xué)、航天等各個(gè)領(lǐng)域。

3.1 傳統(tǒng)機(jī)械式力反饋結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

機(jī)械式力反饋結(jié)構(gòu)活動(dòng)范圍較小，力只作用于手指的關(guān)節(jié)位置?？刂蒲b置捕捉到手指特定運(yùn)動(dòng)后，將適當(dāng)?shù)牧ψ饔糜谑种?，模仿人的抓取?dòng)作。CyberGrasp是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并且由鋼絲傳遞力的手指型力反饋設(shè)備，可產(chǎn)生約12 N的力[28]；其缺點(diǎn)是具有較大的后沖力及摩擦，不適于長(zhǎng)時(shí)間佩戴。Master II-ND是一款力反饋結(jié)構(gòu)內(nèi)置的反饋設(shè)備，可提供較大的反饋力，其缺點(diǎn)是束縛手指運(yùn)動(dòng)。

3.2 力反饋結(jié)構(gòu)在教育學(xué)習(xí)中的應(yīng)用

在數(shù)學(xué)、物理、建筑等學(xué)科中，力反饋結(jié)構(gòu)為師生在虛擬世界中構(gòu)造了從具體到抽象的真實(shí)體驗(yàn)，有助于提高用戶的學(xué)習(xí)效率。斯坦福大學(xué)和約翰霍普金斯大學(xué)將力反饋技術(shù)引入到了大學(xué)生初級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)課程中，引導(dǎo)學(xué)生去親身體驗(yàn)力學(xué)運(yùn)動(dòng)，教學(xué)效果頗為顯著[29]。

3.3 力反饋結(jié)構(gòu)在健康醫(yī)療中的應(yīng)用

在醫(yī)療方面，虛擬手術(shù)是力反饋交互技術(shù)的具體呈現(xiàn)與應(yīng)用實(shí)例。該技術(shù)通過三維建模技術(shù)構(gòu)建虛擬手術(shù)對(duì)象，醫(yī)生可以佩戴力反饋設(shè)備，模擬現(xiàn)實(shí)手術(shù)場(chǎng)景，和虛擬對(duì)象進(jìn)行手術(shù)練習(xí)，提高醫(yī)生手術(shù)的成功率。近年來，隨著力反饋技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)生可通過操控虛擬力反饋手術(shù)設(shè)備，用信號(hào)傳輸?shù)姆绞綄⑵鋭?dòng)作同步反映到真實(shí)手術(shù)設(shè)備中進(jìn)行手術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代手術(shù)的重要輔助道具和實(shí)時(shí)記錄工具[30]。力反饋手術(shù)設(shè)備能夠?qū)⑨t(yī)生手部的動(dòng)作同比例縮小，同時(shí)具有修正功能，可濾除手部的抖動(dòng)，以消除因物理因素帶來的細(xì)小誤差，保證醫(yī)生操作的靈活性和準(zhǔn)確性，提高手術(shù)操作精度。同時(shí)，一些外架式力反饋設(shè)備可應(yīng)用于殘疾人士及部分特殊患者的康復(fù)訓(xùn)練與現(xiàn)實(shí)模擬。

中醫(yī)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(yī)生更好地診斷病人的病情。醫(yī)生可通過以力反饋結(jié)構(gòu)、傳感器等為主要元件的觸診系統(tǒng)訓(xùn)練其專業(yè)能力。觸診系統(tǒng)可將醫(yī)生的觸診動(dòng)作實(shí)時(shí)反映于顯示屏之上，醫(yī)生借助力反饋設(shè)備感受按壓不同檢查部位時(shí)手部受力的變化情況，判斷病人的病癥。這種訓(xùn)練更加真實(shí)、確切、簡(jiǎn)單、高效，為醫(yī)護(hù)人員提供了大量的實(shí)操案例，一定程度上節(jié)約了培訓(xùn)成本及培訓(xùn)時(shí)間，同時(shí)為醫(yī)生遠(yuǎn)距離診斷病人病情提供可能。

3.4 力反饋結(jié)構(gòu)在空間技術(shù)中的應(yīng)用

將力反饋和傳感結(jié)構(gòu)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，可用來模擬大氣外空間、深海等場(chǎng)景下的人體真實(shí)感受，研究該場(chǎng)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(huán)境下，能憑借近似于真實(shí)情況的人體感受進(jìn)行遙控指揮，可大幅度提高科考隊(duì)員在惡劣、危險(xiǎn)情況下作業(yè)的安全性[31]。

3.5 前景與展望

隨著視覺再現(xiàn)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，人類社會(huì)對(duì)力反饋技術(shù)的需求將會(huì)越來越復(fù)雜。高精度的位置檢測(cè)、真正多模擬狀態(tài)的力觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)、多點(diǎn)交互的力觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)將會(huì)是力反饋技術(shù)在未來的主要發(fā)展方向[32]。同時(shí)，研究如何降低可穿戴電子服裝設(shè)備的制造成本，將對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)交互技術(shù)的推廣有極大的影響。

4 結(jié)語

力反饋技術(shù)作為虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)，在虛擬現(xiàn)實(shí)交互過程中將視覺、聽覺、觸覺等多種感覺相結(jié)合，使用戶與虛擬世界之間的交互體驗(yàn)更逼真、更投入。近年來，以力反饋技術(shù)為核心的交互設(shè)備正在世界各地迅速發(fā)展，各國(guó)對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的研究也在進(jìn)一步深入。在當(dāng)代，雖然力反饋設(shè)備是影響虛擬現(xiàn)實(shí)交互系統(tǒng)真實(shí)性、體驗(yàn)性、及時(shí)性和準(zhǔn)確性的極為關(guān)鍵因素，但是其發(fā)展仍受到多方面的制約。在服裝領(lǐng)域，力反饋技術(shù)與智能電子穿戴服裝相結(jié)合過程中，如何實(shí)現(xiàn)設(shè)備的微型化、柔軟化、真實(shí)化依然是尚待解決的問題。