本文是一篇软件工程硕士论文，本文在查阅大量资料后，设计并制作了可穿戴手指鼓。本文在设计柔性应变传感器时使用了纱线型传感材料，这种材料具有很强的可塑性，体积也很小，非常适合用在可穿戴人机交互领域。为了探究柔性传感材料在不同结构下对传感性能的影响，利用这种柔性应变材料设计了三种不同结构的柔性应变传感器，并对这三种结构的传感器在传感范围、变化幅度等方面进行了实验测试，实验结果表明 WSS-3 结构的柔性应变传感器在响应时间、灵敏度、循环稳定性上均有良好的表现。
1 绪论
1.1研究背景与意义
人机交互技术通过输入、输出设备，为人与计算机之间提供了沟通的桥梁。在计算机发明出来后，为了实现信息的输入，人类发明了鼠标、键盘等设备[1]，这些设备有效地提升了人机交互的效率。但随着科技的发展，人们已经不仅仅满足于传统的交互设备。研究人员不断探索新的交互方式，利用光学设备进行手势识别的研究随着机器学习技术的兴起变得如火如荼[2-5]。这种交互方式为计算机插上了眼睛，使得计算机在算法的加持下能够像人一样看出手势的含义。光学手势识别最初利用摄像头捕获在身体上已经标记好马克点[6]的方式完成的，但是现在研究人员通过普通摄像头、景深摄像头、双目摄像头等方式[7-11]，让手势识别的使用体验更加方便。让使用者穿上带有传感器的手套进行手势识别也是研究方向之一[12-15]，当前计算机已经足够小型化，使得研究人员可以将计算设备集成到可穿戴设备上[16-18]，在手套上布置陀螺仪、加速度计后，利用手套上的小型计算设备，计算出手部的运动轨迹，对运动轨迹进行手势识别，这种识别方式相当于让计算机能够感受到人体的运动。这种可穿戴的手势识别方式不像光学识别需要在有足够的光线的环境下进行，但由于传感器本身是刚性的，因此这种手势识别手套的穿戴舒适性较差。为了解决这一问题，人们研究出具有传感性能的柔性传感器[19, 20]，这种传感器具有很好的可塑性，并且质量很轻，集成到衣物上也不会有额外的累赘感，受到了可穿戴设备研究者的欢迎。这种手势识别技术广泛应用在机器人上[21]，让机器人能够模仿人类的动作，这些机器人在制造、医疗、农业甚至军事行动等领域有着广泛的应用基础。柔性传感器的主要特征是在受到外部应力的作用下，在电学性能上会产生变化。利用这种特性，有研究人员制作出带有触觉的传感器[22]，并集成在机器人身上，让计算机可以更进一步的感受到现实世界中的物理量。传感器的发展为计算机安装上了眼睛、皮肤，也为人与计算机的交互方式提供了新的思路。在 2014 年，苹果公司推出了划时代的产品 Apple Watch，这是一款智能手表，它不仅仅集成了各类传感器，可以对人体健康状况进行检测，还搭载了 3D Touch 功能，这意味着对电子设备的操作不仅仅局限于点击或是滑动，而更进一步加入了按压动作，并且根据按压的轻重不同得到的操作结果也会不同。这种操作方式颠覆了手机屏幕上二维的操作方式，添加了压力这一维，使得对屏幕的操作不仅仅在一个平面上完成，还能够在三维空间上进行。随后苹果公司将此技术推广到 iPhone 6s 手机上。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 人机交互
柔性传感器当下已在艺术、科学、教育等众多领域成为热门话题，并且在学术界和工业界吸引了大量研究人员的关注，特别是将柔性传感器制作成可穿戴式的音乐设备，这种音乐设备大大丰富了人机交互的操作方式[23]。麻省理工学院媒体实验室是可穿戴计算机研究的重要中心之一，在 Google Glass 的前身系统的研究的同时，其中一些人在研究如何将计算设备集成到纺织品中[24]。直到今天，媒体实验室一直在探索电子纺织品作为创意表达的方式，这种方式主要是通过挤压或拉伸来操纵物体[25, 26]来实现的。在其他地方，人们正在探索电子纺织品的创造性应用方式，特别是将其作为控制数字乐器（DMI）中音乐表达的传感器。早在 1997 年，Post[27]等人发表了第一篇关于柔性传感材料的论文，他们探索了金属丝透明硬纱的导电特性，并重新利用了纺织工具来制作电路。作为研究的一部分，他们开发了一系列原型系统，探索了各种交互作用和输出，并将音乐生成作为第一个用例。他们所制作的数字音频接口（MIDI）夹克是带有触摸感应绣花的牛仔夹克，可控制嵌入式 MIDI 合成器。随后，柔性传感材料在科研人员的研究下在音乐控制、表演艺术等领域体现出极强的优势。
柔性传感材料在人机交互方向的一个重要应用场景是音乐控制器。尽管柔性材料不能为使用者提供复杂的交互图形界面，但是可以有效的让使用者对音频进行控制。2000年代初，许多服装和科技公司试图将 MP3 播放功能集成到滑雪夹克等服装的袖子中，引起了“MP3 夹克热潮”[28]。即使在今天，通过衣服控制音乐播放器的方式仍然吸引着商业领域对其进行研究开发。谷歌和李维斯（Levi's）[29]合作开发的牛仔通勤者夹克（Commuter Trucker Jacket）可以识别手势并与智能手机进行通讯，具有控制在线视频、音乐播放列表的能力。在学术领域也有非常多的人对这种新颖的交互方式进行了探索，例如捏紧和卷起织物[30]，在身体上旋转已磨损的织物编织管[31]，或是将拇指压在食指上浏览播放列表[32]。在艺术表演领域，柔性传感材料也发挥了巨大的用途。Aeolia[33]是一种用于大提琴的可穿戴电子纺织传感器，它是纺织材料和构造实验相结合的成果。以及一种旨在将乐谱信息传达给独奏音乐家的服装 body:suit:score[34]。该领域内已经有商业产品推向市场，有 Machina 公司制作的 MIDI 夹克，它可以捕捉身体的运动和控制信号，例如拉链的拉锁。以及 MI.MU 出品的 mi.mu 手套通过每个手指上的弯曲传感器对手势进行分类。
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2 柔性应变传感器选型与结构设计
2.1 柔性应变传感器选型
柔性应变传感器是利用柔性应变传感材料制作而成，通过对柔性应变传感材料进行结构设计与加工处理，最后得到成型的柔性应变传感器。柔性应变传感材料的种类和结构林林总总，按照传感器原理划分可以分为电阻式、电容式、压电式、光电式等。而电阻式柔性应变传感材料的结构相对简单，不仅便于集成且制备方便，并且具有质量轻、高灵敏度、信号采集方便等特点，还能够根据实际情况制作成不同的形状。在微观上，柔性应变传感器产生的电学性能变化是由于柔性应变传感材料在外力作用下产生形变，这些形变导致电流在流过柔性应变传感材料时阻碍效果发生变化，从而导致电学性能的变化。在宏观上，柔性应变传感器通过柔性传感材料制作出的形态可以是多种多样的。
为了将柔性应变传感器集成到衣服上，通常来说柔性应变传感器会使用柔性应变传感材料制作成纺织品的形式，最后将成型的传感器缝制在衣服上。这种方式制作的柔性应变传感器具有优良的穿戴舒适性。市场上提供的柔性应变传感材料主要有纱线型和无纺布型，其中纱线型的柔性应变传感材料可以通过针织或机织的方式制作出柔性应变传感布。这种方式的传感材料具有很好的可塑性，可以在纺织过程中，制作出不同形状的图案，或是不同的传感结构。与纱线型的柔性应变传感材料相比，无纺布型的传感材料由于面积更大，更加适合需要大面积的应变信号采集，例如为养老院设计的用于检测老人是否长时间卧床而产生的卧疮的检测系统，这种系统可以检测大面积的受力区域。不同类型的柔性传感材料如图 2.1。
(a)无纺布型柔性传感材料 (b) 纱线型柔性传感材料 图 2.1 柔性应变传感材料
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2.2 传感单元结构设计
本文所使用的纱线型柔性应变传感材料是由外层的传感层与内部的导电层构成的。它的内层是一根镀镍铜线，用于电流传输，将导电尼龙传感材料缠绕在镀镍铜线上形成导电层。单根传感纱线并不会形成传感功能，但是由于外层的传感纱线在外力作用下会产生结构变化，导致传感纱线的外部电阻发生变化。因此，将两根传感材料交叉放置时，会形成一个交点，当电流从一根线流向另外一根线时，流经这个交点时会产生电阻，这个交叉点在受到外部压力作用时，交叉点处的两根线由于结构变化会产生电阻的变化。通过这个原理，可以利用不同的传感材料形成压力传感点。这种结构的传感机理如图 2.2所示：
图 2.2 传感结构与机理
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3 系统硬件设计与实现………………………………14
3.1 芯片选型…………………………………14
3.1.1 无线数据传输…………………………………14
3.1.2 微控制单元……………………………………15
4 系统软件设计与实现……………………………22
4.1 软件开发环境……………………………22
4.1.1 嵌入式软件开发环境…………………………………22
4.1.2 手机 App 开发环境……………………………23
5 效果测试与分析…………………………39
5.1 测试环境与方式……………………39
5.1.1 测试工具…………………………………………39
5.1.2 测试方式………………………………………39
5 效果测试与分析
5.1 测试环境与方式
在 ESP32 的电路制作完成后，通过 USB 转 UART 接口将编译好的程序下载到电路板上，最后将信号采集接口与柔性应变传感器进行连接，在完成各个部分组装后即可对系统进行测试。本章的
