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(wú)錫 214122)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是指通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬虛擬世界，并使用交互式設(shè)備通過(guò)直觀感知(如聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)、觸覺(jué)、力覺(jué)等)使人們沉浸在虛擬世界中的技術(shù)。力覺(jué)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(jué)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(wèn)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(guò)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(guò)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(jiàn)圖1(a))?？椢锏拈L(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(jiàn)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(wèn)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(lái)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(kāi)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(guò)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(guò)靜電紡絲法開(kāi)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(wú)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(guò)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(kāi)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(guò)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(jiàn)圖5(a))。它通過(guò)電機(jī)產(chǎn)生的力來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并通過(guò)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(wú)刷直流電機(jī)作為動(dòng)力源，制作了一款人手觸覺(jué)接口結(jié)構(gòu)的力反饋數(shù)據(jù)手套(見(jiàn)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(guò)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(guò)改變磁感應(yīng)強(qiáng)度大小來(lái)進(jìn)行控制。

戴金橋等[18]提出的一種驅(qū)動(dòng)器，即通過(guò)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(lái)制作殼體、固定盤等主要部件，而采用磁絕緣材料來(lái)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(guò)改變磁流變液上的磁感應(yīng)強(qiáng)度來(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(jué)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(guò)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(guò)氣動(dòng)肌肉來(lái)實(shí)現(xiàn)力覺(jué)傳感。氣動(dòng)人工肌肉裝置的原理是：由外部壓縮空氣來(lái)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(guò)壓力的大小來(lái)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(lái)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(jué)力，使觸覺(jué)更加真實(shí)，其觸覺(jué)力最大可達(dá)30 N。

2.4 電磁鐵力反饋

通過(guò)電磁鐵實(shí)現(xiàn)力反饋的原理是：當(dāng)手套沒(méi)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?。划?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(guò)調(diào)節(jié)電流大小來(lái)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(jué)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(guò)打開(kāi)或關(guān)閉電磁鐵以及通過(guò)控制電流的方向來(lái)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(jué)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(guò)電磁鐵來(lái)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(jué)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(lè)、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。控制裝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(guò)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(lái)，隨著力反饋技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)生可通過(guò)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(lái)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(shuō)“望聞問(wèn)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(guò)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(lái)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(jué)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(lái)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(jué)再現(xiàn)系統(tǒng)、多點(diǎn)交互的力觸覺(jué)再現(xiàn)系統(tǒng)將會(huì)是力反饋技術(shù)在未來(lái)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(yǔ)

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(guò)程中將視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等多種感覺(jué)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(lái)，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(guò)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(wèn)題。