受振動(dòng)影響的手部操作仿真與操作精度研究

王冬陽(yáng)， 楊 光

(北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京 100191)

受振動(dòng)影響的手部操作仿真與操作精度研究

王冬陽(yáng)， 楊 光

(北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，北京 100191)

在手及手臂參與控制的操作中，由操作端傳遞給手及手臂的振動(dòng)會(huì)對(duì)操作精度產(chǎn)生影響。利用計(jì)算機(jī)程序仿真了一種在虛擬空間中的直線路徑追蹤操作，以可編程的力覺(jué)交互設(shè)備Phantom作為操作端，研究低頻率段不同參數(shù)的振動(dòng)對(duì)用戶操作精度的影響。振動(dòng)頻率對(duì)操作誤差的影響呈非線性，顯著的影響出現(xiàn)在2 Hz附近。振動(dòng)幅值對(duì)操作誤差的影響近似線性，振動(dòng)方向?qū)Σ僮髡`差也有一定影響。

人機(jī)工程；交互仿真；操作精度；手傳振動(dòng)

人在操作機(jī)械或電動(dòng)設(shè)備時(shí)，由設(shè)備本身或外部原因引起的操縱端振動(dòng)會(huì)直接影響用戶的控制精度，從而引起操作誤差。該類操作一般由手或手臂參與控制，振動(dòng)通過(guò)手柄或把手傳遞到人手和手臂系統(tǒng)，這類振動(dòng)被稱為手傳振動(dòng)[1]，按其對(duì)人體的影響特性分類，手傳振動(dòng)屬于局部振動(dòng)。

了解手傳振動(dòng)對(duì)操作精度的影響，對(duì)于交互產(chǎn)品設(shè)計(jì)、手及手臂力覺(jué)敏感性研究和操作誤差評(píng)價(jià)都有重要的參考意義。

1 研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外有關(guān)振動(dòng)對(duì)人體影響的研究，主要集中在人體力覺(jué)敏感度和振動(dòng)引起的人體傷害兩個(gè)方向。

力覺(jué)敏感度指人體對(duì)施加在其身體上的外界力量刺激的敏感程度，手傳振動(dòng)屬于振觸覺(jué)刺激，Gescheider等[2]在考慮了包括年齡、溫度、接觸面積等因素的情況下，對(duì)振觸覺(jué)閾值做了詳細(xì)的測(cè)量。Hatzfeld等[3]設(shè)計(jì)了專門測(cè)量指間振觸覺(jué)絕對(duì)閾值的測(cè)量系統(tǒng)。

有關(guān)振動(dòng)對(duì)人體的傷害，一般認(rèn)為手傳振動(dòng)是引起手指末梢神經(jīng)、血管損傷的主要原因[4]，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于人體暴露于手傳振動(dòng)的測(cè)量與評(píng)價(jià)已經(jīng)有了較為成熟的標(biāo)準(zhǔn)[5-6]。

本文關(guān)于手傳振動(dòng)對(duì)操作精度影響鮮見(jiàn)于以往的研究中，主要原因是操作結(jié)果與誤差不容易測(cè)量，一方面手及手臂本身會(huì)對(duì)操縱端振動(dòng)產(chǎn)生一定的機(jī)械阻抗，另一方面用戶會(huì)有意識(shí)地控制上肢肌肉擺脫振動(dòng)的影響，盡量準(zhǔn)確地完成操作，同時(shí)進(jìn)行此類實(shí)驗(yàn)需要適合的設(shè)備支持。

本文利用可編程的力覺(jué)反饋交互設(shè)備，通過(guò)圖形化的計(jì)算機(jī)程序模擬了一個(gè)虛擬的直線路徑追蹤場(chǎng)景，仿真了受振動(dòng)影響的手部操作，通過(guò)對(duì)操縱筆施加不同參數(shù)的振動(dòng)，并采集用戶操作軌跡，從得到的結(jié)果數(shù)據(jù)中分析出振動(dòng)對(duì)操作誤差的影響。

2 研究方法

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)中采用 Geomagic公司生產(chǎn)的 Phantom Premium 1.5HF(簡(jiǎn)稱 Phantom)力反饋設(shè)備作為交互設(shè)備(如圖1)，該設(shè)備可提供1 kHz力渲染刷新頻率，采樣精度0.007 mm，并且可以輸出可編程的力覺(jué)反饋，其被廣泛應(yīng)用于力覺(jué)交互相關(guān)研究。實(shí)驗(yàn)中用戶可通過(guò)手持 Phantom末端與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互。

圖1 Phantom Premium 1.5HF 設(shè)備

2.2 程序設(shè)計(jì)

程序在VS2005環(huán)境中進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，力覺(jué)渲染部分使用與設(shè)備配套的OpenHaptics工具包實(shí)現(xiàn)，場(chǎng)景的圖形渲染部分通過(guò)OpenGL實(shí)現(xiàn)。

振動(dòng)由程序控制 Phantom輸出按正弦規(guī)律變化的驅(qū)動(dòng)力來(lái)引發(fā)。輸出力f是關(guān)于時(shí)間t的函數(shù)為：

式中，F(xiàn)0為驅(qū)動(dòng)力幅值，ω為角頻率。在上述驅(qū)動(dòng)力作用下，手持系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生受迫振動(dòng)，受迫振動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，其振動(dòng)的頻率與驅(qū)動(dòng)力頻率相同。相關(guān)代碼如下：

//timer即時(shí)間變量，instRate存儲(chǔ)了設(shè)備刷新頻率

timer+=1.0/instRate;

//該函數(shù)計(jì)算力向量并存儲(chǔ)在數(shù)組 force中，數(shù)組direction存儲(chǔ)了當(dāng)前時(shí)刻力的方向向量，參數(shù)3為根據(jù)公式計(jì)算的輸出力大小，其中變量 vibrationAmp與vibrationFreq分別存儲(chǔ)了幅值與頻率

hduVecScale(force, direction, vibrationAmp*sin (timer*vibrationFreq*2* M_PI));

//將向量force設(shè)置為設(shè)備待輸出力

hdSetDoublev(HD_CURRENT_FORCE, force)

2.3 實(shí)驗(yàn)任務(wù)

實(shí)驗(yàn)時(shí)的操作姿態(tài)取肘部為支撐的小臂及腕部活動(dòng)(如圖2)。受試者要完成一個(gè)簡(jiǎn)單但具有一定挑戰(zhàn)的任務(wù)，即利用 Phantom設(shè)備操縱虛擬三維環(huán)境中的控制點(diǎn)沿路徑從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)(如圖3(a))，路徑長(zhǎng)度等效到實(shí)際空間約為 80 mm，每次操作過(guò)程中手持端將會(huì)受到不同參數(shù)的振動(dòng)影響。為使操作流程方便可行，每次進(jìn)行繪制操作時(shí)受試者需要按住操縱筆上的按鈕，按鈕被按下時(shí)操作端產(chǎn)生振動(dòng)，每完成一次“繪制”，程序?qū)⒆詣?dòng)切換到下一組振動(dòng)參數(shù)。

圖2 操作姿態(tài)

程序的界面效果如圖 3(b)，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，顯示器提供的二維內(nèi)容很難為用戶提供深度感受，多數(shù)情況下用戶會(huì)在繪制過(guò)程中偏離目標(biāo)軌跡，考慮到提供3D顯示的成本較高，本研究采用了增加場(chǎng)景繪制真實(shí)感的方法解決此問(wèn)題。具體方法如下：①在虛擬環(huán)境中設(shè)置了一塊傾斜的半透明面板，將路徑置于面板表面，使用戶較容易判斷控制點(diǎn)是否穿過(guò)面板，同時(shí)傾斜的面板在透視關(guān)系下提高了場(chǎng)景的空間感；②添加光照和陰影效果來(lái)強(qiáng)化空間感，控制點(diǎn)的陰影被實(shí)時(shí)繪制在虛擬面板上，用戶能夠根據(jù)陰影位置判斷控制點(diǎn)與面板的距離；③程序?qū)崟r(shí)顯示用戶的操作軌跡作為參考。在實(shí)驗(yàn)中這些改進(jìn)均獲得了良好的效果反饋，受試者只需簡(jiǎn)單地引導(dǎo)便能較快熟悉虛擬的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。

圖3 程序界面

2.4 受試者

受試者共12名，其中男6名，女6名。受試者均為右利手，操作均使用右手。所有受試者未有使用實(shí)驗(yàn)設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)。

2.5 自變量

本實(shí)驗(yàn)中振動(dòng)的主要參數(shù)包括 2.2節(jié)中討論的簡(jiǎn)諧力幅值和振動(dòng)頻率，同時(shí)因?yàn)閷?shí)驗(yàn)操作是在三維空間進(jìn)行的，考慮到振動(dòng)方向?qū)Y(jié)果的影響，故將其作為一個(gè)變量。

實(shí)驗(yàn)采用4因子全析因設(shè)計(jì)。表1列出了變量的等級(jí)設(shè)置，參數(shù)組合共計(jì)96種，每次實(shí)驗(yàn)分為 8組進(jìn)行，每組之間設(shè)置短暫休息。在分組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行之前，每個(gè)受試者都將進(jìn)行50次訓(xùn)練，訓(xùn)練時(shí)的參數(shù)設(shè)置隨機(jī)產(chǎn)生。

表1 自變量設(shè)置

關(guān)于頻率變量范圍的確定，沒(méi)有明確地研究說(shuō)明頻率對(duì)操作誤差影響的差異，一般研究認(rèn)為頻率在30 Hz以下的振動(dòng)對(duì)人體影響較為明顯[1,4]，同時(shí)兼顧設(shè)備特性，本研究將頻率設(shè)置分為6級(jí)，為了能夠測(cè)量更大的頻率范圍，變量取值從0.5 Hz開(kāi)始按2倍規(guī)律遞增。

經(jīng)過(guò)預(yù)先測(cè)試，為了使測(cè)量誤差在合理范圍內(nèi)，簡(jiǎn)諧力幅值被設(shè)置在0.2～0.8 N，分為4級(jí)。

對(duì)于振動(dòng)方向的選擇，需假設(shè)方向與運(yùn)動(dòng)方向垂直的振動(dòng)對(duì)操作精度影響最大，振動(dòng)方向被設(shè)置在與運(yùn)動(dòng)方向垂直的平面上，根據(jù)其與水平面的夾角分為4個(gè)等級(jí)(如圖4)。

圖4 程序界面與操作說(shuō)明

2.6 因變量

實(shí)驗(yàn)測(cè)量的變量有采樣軌跡相對(duì)于目標(biāo)軌跡之間的誤差和操作時(shí)間。程序?qū)Ξ?huà)線操作的三維

軌跡坐標(biāo)以30 Hz的頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，受試者每次的操作數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)到單獨(dú)的文件中，通過(guò)計(jì)算可以得到每次操作的平均誤差和最大誤差，通過(guò)記錄受試者按下筆端按鈕的時(shí)間即受試者的操作時(shí)間。

3 結(jié)果分析

將每名受試者的測(cè)量數(shù)據(jù)作為一組樣本，考慮到操作時(shí)間可能會(huì)對(duì)操作結(jié)果造成影響，于是在12個(gè)樣本中選取8個(gè)平均操作時(shí)間相近的樣本(6～8 s)作為最終統(tǒng)計(jì)樣本。

首先對(duì)每名受試者數(shù)據(jù)進(jìn)行多因素方差分析，測(cè)試不同因子對(duì)操作平均誤差的影響程度，因子包括幅值、頻率和方向。結(jié)果表明，每名受試者每個(gè)因子對(duì)于平均誤差均為 P<0.05，可以認(rèn)為幅值、頻率、方向均對(duì)操作平均誤差有顯著影響。下面分別分析每個(gè)因子對(duì)結(jié)果的影響。

3.1 頻率與平均誤差

圖 5中每個(gè)折線圖橫坐標(biāo)為頻率，縱坐標(biāo)為平均誤差，每條折線上的節(jié)點(diǎn)代表一個(gè)樣本的數(shù)據(jù)，將每個(gè)樣本的節(jié)點(diǎn)連接成折線，可以找出頻率對(duì)誤差的影響規(guī)律。同時(shí)考慮振動(dòng)方向和力幅值對(duì)結(jié)果的影響，將所有折線圖按振動(dòng)方向分為4組，每組折線圖按幅值增大順序從左至右排列。

綜合全部折線圖信息，可以發(fā)現(xiàn)振動(dòng)頻率對(duì)操作誤差的影響呈非線性，頻率在2 Hz附近時(shí)，平均誤差變化有明顯波動(dòng)。在振動(dòng)方向?yàn)?45°和90°的兩組圖中，振動(dòng)頻率在2 Hz附近時(shí)折線圖呈明顯峰值，并且隨幅值增加，峰值升高。

3.2 幅值與平均誤差

如圖 6所示，以簡(jiǎn)諧力幅值為橫坐標(biāo)，平均誤差為縱坐標(biāo)繪制折線圖。所有折線圖按振動(dòng)方向分為 4組，每組折線圖按振動(dòng)頻率增大順序從左至右排列。

綜合圖 6信息，每組均表現(xiàn)出誤差隨幅值增大而增大的趨勢(shì)?？v向分組對(duì)比所有折線圖，頻率在1～4 Hz時(shí)，折線斜率增大，誤差隨幅值增大的影響較為顯著。同時(shí)當(dāng)振動(dòng)方向?yàn)?5°和90°時(shí)，上述影響最為顯著。

3.3 方向與平均誤差

如圖7所示，以振動(dòng)方向?yàn)闄M坐標(biāo)(數(shù)字1、2、3、4分別代表0°、45°、90°、135°)，平均誤差為縱坐標(biāo)繪制折線圖。所有折線圖排成4行6列，每行按振動(dòng)頻率增大順序從左至右排列，每列按幅值增大順序從上至下排列。

圖5 頻率與平均誤差關(guān)系圖

圖6 幅值與平均誤差關(guān)系圖

圖7 方向與平均誤差關(guān)系圖(方向1、2、3、4數(shù)字分別代表0°、45°、90°、135°)

綜合圖 7信息可見(jiàn)，平均誤差的最大值多出現(xiàn)在振動(dòng)方向?yàn)?5°時(shí)，當(dāng)簡(jiǎn)諧力幅值大于0.4 N時(shí)，方向2和4引起的平均誤差大于方向1和3。

當(dāng)振動(dòng)頻率為1～4 Hz時(shí)，方向2引起的誤差明顯大于其他振動(dòng)方向，并且該差異隨幅值增大而顯著。

4 結(jié)論及展望

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在測(cè)量的變量范圍內(nèi)，可以得出以下結(jié)論：①振動(dòng)頻率對(duì)操作誤差的影響呈非線性，手臂對(duì)頻率約為2 Hz的振動(dòng)最為敏感，該頻段的振動(dòng)引起的操作誤差明顯高于其他頻段。②簡(jiǎn)諧力幅值對(duì)操作誤差的影響近似線性，操作誤差隨幅值增大而增大，受振動(dòng)頻率影響。③振動(dòng)方向?qū)Σ僮髡`差也有影響，振動(dòng)方向?yàn)?5°引起的操作誤差高于其他振動(dòng)方向。

有研究表明人類肢體受刺激后反應(yīng)及運(yùn)動(dòng)時(shí)間和約為 0.5 s[7]，可以認(rèn)為人體對(duì)變化頻率高于2 Hz的刺激變化已經(jīng)不能做出及時(shí)的反應(yīng)及相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)，當(dāng)振動(dòng)頻率高于2 Hz時(shí)，振動(dòng)變化頻率高于反應(yīng)速度，操作者為了準(zhǔn)確繪制直線只能穩(wěn)定手部；當(dāng)振動(dòng)頻率低于2 Hz時(shí)，上肢可以根據(jù)振動(dòng)變化同時(shí)控制肌肉減少振動(dòng)對(duì)操作的影響，而當(dāng)頻率恰好在2 Hz附近時(shí)，操作者不能正確地根據(jù)振動(dòng)變化控制手部肌肉，導(dǎo)致振動(dòng)誤差較大。對(duì)于振動(dòng)方向?qū)φ`差的影響可以從操作姿勢(shì)考慮，本實(shí)驗(yàn)規(guī)定的操作姿勢(shì)是以肘部為支撐的手臂及手腕運(yùn)動(dòng)，手臂與桌面夾角約為30°到60°，方向?yàn)?5°的振動(dòng)引起的位移方向恰好約為手臂繞肘部關(guān)節(jié)圓周運(yùn)動(dòng)的切線方向，這也可以在一定程度上解釋振動(dòng)方向?yàn)?45°時(shí)操作誤差較大的現(xiàn)象。

綜上，在手部及手臂參與的實(shí)際操作中，為了提高操作精度，降低設(shè)備或環(huán)境振動(dòng)引起的操作誤差，應(yīng)避免在振動(dòng)頻率接近于2 Hz時(shí)操作，同時(shí)設(shè)法降低設(shè)備振動(dòng)力幅值，還應(yīng)考慮振動(dòng)方向與操作者操作姿態(tài)的關(guān)系，避免產(chǎn)生在手臂不易控制的方向上的振動(dòng)，例如手及手臂繞關(guān)節(jié)圓周運(yùn)動(dòng)的切線方向。

本文提出了一種可用于研究手部操作受振動(dòng)影響的方法，利用計(jì)算機(jī)程序及交互設(shè)備對(duì)操作進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，而對(duì)于手傳振動(dòng)對(duì)操作精度影響的研究還較為初步，在參數(shù)設(shè)置及選擇的考慮上還不夠完善，同時(shí)在操作內(nèi)容上，也僅以簡(jiǎn)單的直線路徑追蹤操作為例，沒(méi)有進(jìn)行相對(duì)復(fù)雜操作的實(shí)驗(yàn)，以上內(nèi)容在今后的研究中還需要進(jìn)一步考慮。另本文內(nèi)容的研究還可以從數(shù)學(xué)模型描述的角度出發(fā)，尋找合理的模型描述方法，并利用本文數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

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Operation Simulation and Preliminary Research on Control Accuracy of Hand Operation Affected by Vibration

Wang Dongyang, Yang Guang
(School of Mechanical Engineering & Automation, Beihang University, Beijing 100191, China)

In operations controlled by hands and arms, vibration transmitted from controller to hand and arm would have an impact on the accuracy of operation. The effects of vibrations are investigated with different parameters on operation accuracy, with the help of a program to simulate a path tracing operation in virtual space. A programmable haptic device is used as the controller. Vibration frequency has a nonlinear effect on operation errors, and significant effects occur in the vicinity of 2 Hz. Vibration amplitude has an approximate linear effect on operation errors, and operation errors can also be affected by vibration direction.

man-machine engineering; interactive simulation; operation accuracy; hand-transmitted vibration

TB 18; TP 391.9

A

2095-302X(2015)04-0644-06

2014-09-29；定稿日期：2015-01-23

王冬陽(yáng)(1990–)，男，河北省承德人，碩士研究生。主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)圖形學(xué)。E-mail：510012223@qq.com

楊 光(1963–)，女，北京人，副教授，博士。研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)圖形學(xué)，計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)。E-mail：yg_id@buaa.edu.cn