假肢交互中振動反饋的設計方法

宋世豪，袁衛(wèi)鋒

（西南科技大學 制造科學與工程學院，四川 綿陽 621010）

抓握是一個復雜的過程，大腦通過前饋控制肌肉收縮，通過感覺反饋更新抓握的內在動力學模型完善抓握任務[1]。在這個過程中，觸覺反饋不僅有助于截肢者對假肢的主觀控制，同時有助于感知外界環(huán)境?，F有的假肢雖然可以實現一定水平的抓取功能，但因缺乏可靠的感覺反饋，導致抓取功能受限[2]，截肢者無法實現精密控制，只能通過視覺反饋控制假肢手。如此假肢只能作為一種工具使用，而無法被接納成為身體的一部分。感覺反饋和閉環(huán)操作是使截肢者通過假肢感覺到外界的關鍵，有感覺反饋的閉環(huán)操作系統(tǒng)[3]可以有效提升抓握效率，改善抓握表現。

在失去手臂后，截肢者可通過目標肌肉神經移植手術[4]，將被截去肢體中殘余的感覺和運動神經重新定向到目標肌肉中，通過刺激相應的位置產生手臂的感覺。研究表明，向假肢中加入反饋有助于提升截肢者使用假肢完成任務的能力[5]?，F有的反饋方式根據外界刺激與反饋形式是否匹配，分為模式匹配反饋與感覺替代反饋。假體向截肢者提供反饋的流程為，假體中的傳感器獲取對象的信息，并將該信息發(fā)送到假體處理器；處理器接收信息后，以可被截肢者的感覺系統(tǒng)識別的編碼模式對信息進行編碼；假體中的刺激器通過植入截肢者神經系統(tǒng)中的選擇性神經接口，將編碼信息傳輸到被截肢者的感覺系統(tǒng)，最后使截肢者“感覺”到物體[6]。當刺激端（外界與假肢）與反饋端（假肢與人體）刺激模態(tài)相同時，為模式匹配反饋，如外界向假肢施加壓力刺激時，假肢向截肢者的殘肢反饋壓力。由于物理形式的相似性，截肢者容易獲取刺激的信息。常用的模式匹配反饋有通過機械壓力反饋的形式反饋假手與物體的接觸信息，采用帕爾帖（Peltier）元件反饋假肢感知的環(huán)境溫度信息等[7]。感覺替代反饋指刺激端與反饋端物理形式不同，反饋端通過各種方式將刺激端的信息反饋給用戶。相較于前者，感覺替代反饋更為靈活，但由于物理形式的不匹配，感覺替代反饋要求用戶通過學習、訓練適應從刺激端到反饋端的映射關系[8]。在感覺替代反饋中，振動反饋由于功耗低，尺寸小，方便集成的優(yōu)點被廣泛使用。實驗者可以通過調節(jié)振動的頻率與振幅改變振動的強度，將外界的信息反饋給用戶。Ikeda 等[9]通過振動刺激使用戶產生了柔軟感；Akihiro 等[10]則通過橫向不對稱的振動刺激增加了摩擦感；D'Alonzo等[11]制作了小型的DESC 手套，通過離散式的振動刺激，提升了截肢者的抓握表現；Hwang 等[12]研究了振幅-頻率兩個獨立變量對人體感知到的振動強度的影響，建立了一個感知的幅度函數，實現了從振幅、頻率到人體對振動的感知強度的映射；Paul 等[13]通過G10 觸動器產生了合適的人工皮膚觸覺，誘導截肢者轉變了對假手的觀念，將假肢視作自己身體的一部分。目前，對于振動反饋中反饋端振動參數的研究主要集中在，令人體感覺到舒適的振幅或頻率和人體的兩點閾值等靜態(tài)值，Mahns 等[14]通過探針施加正弦振動刺激，比較了人類在4 個標準頻率下對振動的區(qū)分能力。假肢向人體提供反饋時，振動強度通常是動態(tài)變化的，當振動強度的變化量小于人體感覺閾值時將導致信息傳遞的不完整。因此，研究人體可感知的最小的振動強度的改變量意義重大。例如，當外界的壓力刺激改變1N 時，假肢向人體反饋的振動頻率應改變多少Hz。

振動雖然可以替代壓力成為一種觸覺反饋，但不同于傳統(tǒng)的信息獲取方式，外界的信息被轉換成振動反饋給人體，是一種新的信號形式。因此，為了能更好地運用振動反饋，截肢者需要通過學習適應不同信號間的映射關系，使假肢振動產生的觸覺成為自己的感覺，從而更好的融入自身。截肢者對于振動信號越熟悉，假肢向其傳遞信號越高效。

本文提出了假肢交互中振動反饋的設計方法，為假肢反饋端的設計提供可靠、量化的必要信息，包括用戶對振動信號的感知靈敏度和對振動反饋的適應期與實驗過程中用戶的相關心理學數據，為振動反饋的評估提供了新的方法與指標。

1 人體對振動的靈敏度

用戶對振動的感知靈敏度會影響假肢通過振動反饋所傳遞的信息。當反饋端提供的振動刺激超出人體的感知能力時，會導致信息缺失。通過實驗測定不同振動強度下用戶的差別閾限，實驗電路由高壓電源（0～15 V），直流電阻箱R1（0～9 999.99 Ω），偏心電機M（額定電壓U= 3 V，偏心塊質量m= 0.92 g，質心到旋轉中心距離l= 1.5 mm），電路板R2（0～15 Ω）組成。改變電阻R1、R2的大小，改變電機M 的振動強度，測量人體對于振動的靈敏度。實驗中用電機功率表征振動強度。

實驗開始時令被試者手臂放松置于桌面，將振動電機粘貼于小臂，見圖1。設定電源電壓為4 V 并接通電路，電路圖見圖2。電機運轉產生振動，告知被試者此時電機振動強度為初始振動強度，記錄此時電路總電阻為r1。增大或減小電路電阻，根據被試者的感受即時記錄電機振動強度的變化，記錄電路總電阻為r2。在每一電機功率下進行三次實驗，在被試者三次均能正確感受到電機振動變強或變弱的情況下，改變電機功率P1繼續(xù)實驗。若被試者無法正確判斷振動強度變化，表明當前功率下所改變的電阻Δr過小，則增大每次改變的電阻差Δr至被試者可以成功判斷為止。實驗結束后，計算電路總電阻為r1時電機功率P1，總電阻為r2時電機功率P2。用功率差|P1-P2|表示被試者在電機功率P1時可感知到的最小振動強度變化量。在實驗過程中被試者無法看到電阻改變的過程，同時通過白噪聲屏蔽電機聲音的干擾，令其只能感受小臂上電機的振動反饋完成實驗。實驗測量電阻范圍為2～140 Ω，以每10 Ω 為一組，每組實驗結束會有10 min 的休息時間。

圖1 人體對振動靈敏度測試Fig.1 Test of human sensitivity to vibration

圖2 人體對振動靈敏度測試Fig.2 Test of human sensitivity to vibration

實驗中電阻調整精確度為1 Ω，在部分功率下被試者可感知的電阻變化量，電阻箱只能實現每次改變1 Ω 的分檔調節(jié)，不能實現每次直接改變2 Ω 或更高的電阻變化，所以在同一功率P下通過電路板調節(jié)電阻實現功率變化ΔP，而通過電阻箱改變電機功率P。實驗測量電阻范圍為2～140 Ω，對應電機功率為0.311～0.011 W。測量人體在不同電機功率P下的ΔP，用ΔP/P表示在功率P時，人體對振動變化的感知能力。

實驗測量結果如圖3 所示，電路電阻變大時，電機振動強度變弱，反之變強。圖中紅色曲線表示被試者對電機振動強度變弱的感知能力，藍色則表示對電機振動變強的感知能力，每一名被試者分別對應兩條曲線。結果表明，同一被試者對電機振動強度變強或變弱的感知能力不同，不同被試者對電機振動變化的感知能力亦不同，但變化趨勢相同。不同電機功率下被試者的感知能力不同，即人體的感知能力與刺激強度是有關的[14]。圖中曲線越靠近x軸代表人體對振動變化的感知越敏感。電機功率較低時（0～0.05 W），人體的感知能力先變弱后變強，在P= 0.027 W 時形成尖峰，此時人體對振動變化的感知最為遲鈍。電機功率繼續(xù)增大、曲線下降，在電機功率P= 0.05 W 較低，之后隨電機功率增大略微升高后趨于平穩(wěn)。在電機功率較大即振動較為強烈時人體最為敏感，在圖中曲線最低，但此時電機功率的絕對變化ΔP也較大，即外部電路很小的電阻變化會引起較大的功率改變。當電機功率較大、振動較為強烈時，實驗過程中被試者會出現手臂麻木等情況，長時間、高強度的振動會令被試者產生緊張煩躁等情緒。而當電機振動較弱時，其振動變化難以被察覺，易增加人體的認知負擔。

圖3 人體對于振動強度改變的感知能力Fig.3 Human perception of changes in vibration intensity

該結果量化了人體的振動感知能力， ΔP/P的值在曲線上方時（圖中紅色區(qū)域），表明該刺激強度下的振動改變量達到了人體的感知閾值。在采用振動反饋時，假肢反饋端提供的振動反饋應高于不同振動強度下的人體感知閾值，保證信息傳遞的完整性，為假肢反饋端的電路設計提供科學依據。

2 振動反饋與模擬抓握實驗

測量得到用戶對振動信號的靈敏度后，通過模擬抓握實驗驗證振動反饋的可行性，模擬用戶對振動反饋的適應期，即用戶對振動信號的學習過程。本實驗電路由可變電阻R2（83Ω，40 Ω，20 Ω），高壓電源（0～15 V），圓盤滑動變阻器R1（額定功率P= 25 W，0～10 Ω），偏心電機M1（額定電壓U= 3 V，偏心塊質量m= 0.92 g，質心到旋轉中心距離l= 1.5 mm），直流推桿電機M2（額定電壓U= 12 V，最大壓力F=300 N），電壓表（0～20 V）組成。

將振動電機粘貼于被試者小臂，并令其放松放在桌面上，接通電路后推桿前進，電機開始振動，見圖4。當推桿前進至與被測物體相接觸時由于阻力停止前進，此時令被試者順時針調節(jié)電阻R1，推桿M2功率增大，壓斷被測物體時停止，電路圖見圖5。此過程模擬截肢者使用假肢施力，因為缺乏反饋，實驗者無法感知到自己施加的力，從而在改變推桿功率時會因施力過大，破壞被測物體。因此截肢者需要一種信號，作為反饋感受到自己的施力過程和假肢與外界的相互作用。實驗將電機的振動作為信號，當推桿功率增大時，振動電機的功率也會增大，用電壓表記錄電機電壓表征電機振動強度，將推桿破壞被測物體時電機電壓記為UC。令被試者記住此時電機的振動強度，在之后的實驗中調節(jié)電阻，使電機電壓U盡量靠近UC但小于UC。振動對人體來說是一種新的信號，掌握這種新的信號需要一定的訓練過程，所以對每一位被試者而言，初始的幾次實驗會破壞被測物體，來學習這種新的反饋信號。待被試者認為有一定把握后，調節(jié)電阻至其預測被測物體將被破壞，即電機兩端電壓最為接近UC時停止，記錄此時電機電壓UP，之后繼續(xù)調節(jié)電阻至推桿破壞被測物體，并多次記錄UC完成實驗，記錄電壓值。

圖4 模擬抓握實驗圖Fig.4 Diagram of simulated grasping experiment

圖5 模擬抓握實驗電路圖Fig.5 Circuit diagram of simulated grasping experiment

圖6 模擬抓握實驗部分實驗結果Fig.6 Some experimental results of simulated grasping

圖7 不同電機功率下用戶對振動的靈敏度Fig.7 User's sensitivity to vibration under different motor power

控制電源電壓U=15 V 不變，改變R2大小，令R2= 40 Ω，R2= 20 Ω，分別計算電機的功率范圍，并在不同功率范圍內進行模擬抓握實驗。R2= 40 Ω 時，電機功率范圍0.031 W＜P＜0.113 W，R2= 20 Ω 時，電機功率范圍0.05 W＜P＜0.162 W。通過不同強度的振動反饋，形成完整的測量體系，同時對比不同的振動強度能否對實驗的準確度與精密度產生影響。不同電阻下的實驗結果，見圖8。

圖8 不同電機功率下模擬抓握實驗結果Fig.8 Experimental results of simulated grasping under different motor power

三組實驗結果表明，在更加強烈的振動強度下，曲線具有更好的精密度以及準確性。黃色曲線與綠色曲線相較于棕色曲線有更小的震蕩程度以及更快的收斂速度，這兩條曲線之間差別不大。通過比較失敗率與標準差，來進一步比較實驗結果，失敗率與標準差見圖9—10。

如圖9 所示，曲線表示三組實驗的失敗率隨著實驗次數變化情況；失敗次數/實驗次數表示實驗的失敗率，曲線越低表明失敗率越低。如圖10 所示，曲線表示三組曲線的標準差隨著實驗次數的變化情況，以每5 次實驗的結果計算標準差。標準差常用來描述數據的離散程度。隨著實驗次數的增加，曲線呈下降趨勢，被試者對于粉筆斷裂時的振動強度有著逐漸清晰的認知，成功率越來越高；而初期曲線的震蕩導致標準差較大，隨著實驗的進行曲線逐漸收斂標準差越來越小。對于不同的電機功率范圍，綠色曲線最低，棕色曲線最高，表明在所測量的三組振動強度下，更加強烈的振動反饋帶來的不僅是更高的成功率，還有更穩(wěn)定的實驗表現，見圖10。紅色圓圈的點的標準差為零，則代表在前5 次實驗中，該被試者均破壞掉粉筆，見圖10。R2= 40 Ω，R2= 20 Ω 所對應的振動強度在傳遞同樣的信息（粉筆斷裂）時更加高效、準確。模擬抓握的過程代表了用戶對振動反饋的適應過程，數據表明所有被試者均能在20 次實驗中掌握振動反饋，且隨著實驗次數的增加會有更好的表現。通過三組不同振動強度的對比，為假肢交互中反饋端的振動信號的選擇提供了依據。

圖9 模擬抓握實驗失敗率Fig.9 Failure rate of simulated grasping experiment

圖10 模擬抓握實驗標準差Fig.10 Standard deviation of simulated grasping experiment

在完成三組模擬抓握實驗后，實驗結果從客觀上證明了振動反饋的可行性。表1 通過里克特量表從主觀的角度調查被試者對模擬抓握實驗和振動反饋的感受，參與過模擬實驗的所有被試者均參與該問卷調查。本量表用一組陳述，從振動反饋的有效性（3）、被試者對振動反饋（1-2）的感受和對整個學習過程的認知（4-5）三個方面來調查被試者的態(tài)度。與模擬抓握實驗結果類似，有85.6%的被試者認為更強烈的振動會更加有利于振動反饋的學習，同時也會感到振動反饋的學習過程簡單。同樣有85.6%的被試者在實驗后認可了振動反饋的有效性。對學習振動反饋的過程，所有人都有積極的情緒，認為自己訓練過后可以掌握振動反饋。通過采集用戶的心理學相關數據，說明振動反饋在保證信息傳遞完整與高效的同時，也在主觀上也提升了用戶體驗。

表1 調查問卷結果Tab.1 Questionnaire results

3 結語

模擬抓握實驗的實驗順序是按照R2=83 Ω，R2=40 Ω，R2=20 Ω 依次進行的。對于參加實驗的被試者，除了振動強度，經驗也會對實驗結果產生影響。因此，振動的強弱不能作為單一因素評判最終的結果，次序上越靠后的實驗被試者將越有經驗。在未來實驗設計中可以在每組實驗中加入無經驗的被試者形成對照，單一評價振動強度的影響。在實驗設計中應將振動反饋作為唯一的反饋作用于被試者，并選取合適的物理量與評價方式評估實驗結果。在整個設計流程中，振動強度應從相同的范圍內選擇，如本實驗中選用相同的電機粘貼于被試者小臂相同的地方。

本文通過多個實驗，為假肢交互中振動反饋信號的選擇提供了科學依據，在保證信息傳遞完整的基礎上，提高反饋過程中信息傳遞的效率。文中測量結果僅適用于實驗中所采用的電機，使用不同構造電機進行實驗，電機的振幅與頻率不同，產生的測量結果亦不同。在實驗結果的基礎上，上述振動反饋的設計流程可作為一種方法應用于假肢的反饋端設計，假肢設計者可參考該方法獲取所需的用戶數據，選擇合適的反饋信號。

對于不熟悉振動反饋的用戶，即使選擇合適的振動信號，也無法確保信息傳遞的完整性。因此，人體對反饋信號的熟悉程度也至關重要。模擬抓握實驗不僅模擬了截肢者使用假肢抓握的過程，同時模擬截肢者學習振動反饋的過程。人體對正常感覺的認知需要幾年的時間學習，而對振動信號，大腦也需要形成新的神經通道來理解新的信息。不論是任何形式的模式替代反饋，假肢向人體反饋的不再是人體曾經熟悉的信息，截肢者均需要通過訓練，讓大腦學習一門新的“語言”。當新的形式的刺激信號以合適的參數反饋并被熟練掌握時，假肢才能不僅作為工具被截肢者使用，而是真正成為其身體的一部分。在實驗結果的基礎上，文中對于假肢交互中振動反饋的設計流程，可作為一種方法被未來的假肢設計者借鑒，不同的設計者可依據該方法取得相對應的用戶數據，提升用戶對假肢產品的體驗。