基于振动反馈的手指捏力响应调控机制研究

王子文 李 可

(山东大学控制科学与工程学院，济南 250061)

引言

触觉是人类认知世界最重要的方式之一，感知触觉的触觉小体分布于人体各处，其中手部是触觉感知最敏感的区域[1]。正是由于手部的这一感知特性，使得人手在和物体接触后能够进行一系列精准和稳定的操作[2-4]。然而，在很多限制性环境中，手部无法和被操作的物体进行直接接触，如遥操作、手术机器人和虚拟现实等，此时就需要辅助以人工设备进行触觉感知反馈[5-6]。此外，对于替代人体器官的智能假肢手来说，触觉感知反馈一直是有待突破的技术难点[7-8]。

触觉感知反馈方式可以分为侵入式和非侵入式两大类[9]。非侵入式中的振动触觉感知反馈，由于无需手术、能耗低、尺寸小、操作方便等优点被使用者所广泛接受[10]。Ninu 等[11]检验了前臂振动反馈对于假肢手抓握能力的改善。该研究应用肌电假肢手对13 名受试者(11 名健全受试者和2 名截肢患者)进行了测试，使用定频率变幅值来传达假肢手的闭合速度，同时对抓取力所对应的振动频率和幅值进行调制。研究显示，不依靠视觉反馈，单用振动触觉反馈来传达假肢手的速度，足以让使用者获得足够的物体抓取信息。Marko 等[12]将振动刺激装置佩戴在截肢患者健侧手臂，以振动强度和振动方位相结合的方式对抓握力信息进行反馈。虽然受试者对于振动触觉感知装置反响良好，但是并不是在所有情况下该装置都起到积极作用，取决于前期训练和任务复杂度。Clemente 等[13]展示了一种使用振动反馈来控制抓握力的实用方法。研究人员在现有的假肢手指顶部上安装了压力传感器，并在受试者的上臂上佩戴了一个振动袖带，当假肢手与物体接触或接触中断时，该袖带会向受试者发送60 ms 的振动刺激信号。数据显示，和仅仅使用视觉反馈相比，使用振动触觉反馈的受试者成功率更高。吴常铖等[14-15]基于振动触觉再现技术，针对握力、腕部三维力、抓握物体的滑落信息设计了振动触觉感知测试。实验结果表明，设计的力触觉感知反馈方法可以有效地改善假肢手抓握性能。

当前，国内外对于触觉感知反馈的研究主要是通过研发触觉感知反馈装置，之后以此触觉感知反馈装置作为实验设备，对装置的有效性进行实验验证，并未深入探究过人体对于反馈信息的响应机制。触觉作为人体重要的感知方式，在搭建人工触觉反馈设备时应当顺应人体自身的感应机制，以提升佩戴者的接受度和使用感受。

基于捏力的人体闭环控制如图1所示，其中虚线框为力触觉－振动感知反馈系统在整个人体闭环控制所处的环节。大脑发出运动指令经脊髓传至运动神经，从而引起相关肌肉收缩，人手做出对捏的动作。传感器检测手指捏力信息，利用触觉再现技术经振动刺激装置，将力触觉信息以振动信号的形式传送给前臂皮肤表面的机械感受器，机械感受器将感知信息转换成电信号传递给感知神经，再经脊髓传送回大脑感知皮层。大脑运动皮层结合感知皮层的反馈信息发出新的运动指令，调节手部运动。

图1 人体闭环控制流程Fig.1 Human body closed-loop control block diagram

本研究应用触觉再现技术，以人手捏力为感知信息，以振动刺激作为非模式匹配反馈信息，搭建力触觉－振动感知反馈系统，以此作为触觉感知信息向人体传输的桥梁。在此基础上，开展力触觉－感知反馈实验，采集捏力信号并对其控制过程进行探究，分析捏力控制对于前馈反馈的依赖。

1 材料和方法

1.1 材料

采用自主设计的力触觉－振动感知反馈系统，如图2所示。检测元件采用六维力/扭矩传感器，实时采集笛卡尔坐标系中x、y、z轴的力。数据处理采用美国NI 公司研制开发的LabVIEW 软件。控制器选用Arduino 开发板，型号为Arduino Uno r3。Arduino Uno 是一款基于ATmega328P 的微控制器板，含有14 个数字输入/输出引脚(其中6 个可用作PWM 输出)[16]，选用其中的4 个PWM 引脚驱动后续的振动装置。振动刺激装置由4 个微型振动器组成，选择扁平纽扣振动马达作为振子，直径10 mm，厚度3 mm，最大工作工作电流80 mA，转速(12 000±1 000)r/min，由PWM 脉宽调制信号控制。Arduino 和 LabVIEW 通过 LINX 进行通信，ATmega328P 接收LabVIEW 发送的占空比信号，生成PWM 调制波，经驱动模块电流放大后，连接到振动器正负极两端。

图2 力触觉－振动感知反馈系统Fig.2 Force tactile-vibration sensing feedback system

振动装置设计成臂环形式，佩戴在前臂处，4 个振动器按照十字状排列。振动器U，佩戴在桡骨茎突和尺骨茎突中间1/2 处。振动器D，佩戴在从U沿前臂向上60 mm。振动器L，佩戴在从桡骨茎突沿前臂向上30 mm 处。振动器R，佩戴在从尺骨茎突沿前臂向上30 mm 处。

感知反馈系统由捏力检测、信号采集处理、PWM 脉宽调制、放大驱动、产生振动刺激等5 个主要部分组成。

1.2 方法

1.2.1 力触觉－振动编码

所设计的力触觉－振动感知反馈系统是为了将振动刺激和捏力进行关联匹配，以非模态匹配的方式利用振动信号实时向人体传递力触觉信息。

力传感器采集x、y、z这3 个坐标轴的分力，经LabVIEW 处理，求得合力幅值F。实验中将捏力划分成了“0－10 N”、“10－20 N”和“20－30 N”等3 个力量段，分别对应L1、L2、L3 等3 个力量编码，与编码相呼应的是占空比信号“Duty cycle1”、“Duty cycle2”和“Duty cycle3”，最终驱动振动片按照和力量等级相匹配的振动强度低/1、中/2、强/3。

为了消除人体不同部位感知灵敏度差异的影响，在人体前臂选取了U、L、R、D 等4 个位置分别进行测试，产生了12 种振动编码(4 个位置×3 个强度)，U1、U2、U3，L1、L2、L3，R1、R2、R3 和D1、D2、D3，每个编码由振动片位置“U/L/R/D”和振动强度“1/2/3”两部分内容组成。

1.2.2 力触觉－振动感知反馈实验

16 名健康受试者(8 男8 女)参与了实验，全部为右利手者，年龄分布在18～25 周岁。实验分为学习阶段和测试阶段。

学习阶段，此阶段的目的为让受试者熟悉各个振动编码。受试者准备就绪后，为受试者佩戴眼罩，实验开始。上位机LabVIEW 依次发送12 种振动模式，每种振动模式重复发送3 次，一共36(12×3)次振动学习，在振动过程中会有语音提示该种振动模式所对应的振动编码。受试者需要将振动感知和语音播放的振动编码进行学习匹配。

测试分为有振动反馈测试(FB)和无振动反馈测试(noFB)。首先进行无反馈测试，上位机播放测试要求“请将捏力控制在0－10 N/10－20 N/20－30 N，保持5 s 则测试成功”，语音结束后受试者开始捏压安装在杯体上的力传感器。若捏力达到要求并且保持5 s，则会进行语音提示“测试成功”；若在1 min 内仍未能将捏力保持在要求范围5 s，则会有语音提示“测试失败”。之后进行有振动反馈测试，实验过程同无反馈测试，但是在测试过程中加入了振动反馈。

1.2.3 参数选取

为了深入探究人手捏力调控机制，对捏力信号进行了分段研究，以“请将捏力控制在20－30 N，保持5 s 则测试成功”为例介绍，测试过程中的捏力信号如图3(a)所示。传感器采样频率是1 000 Hz，实验要求保持5 s 则测试成功，力信号最后1 个点为测试成功结束点，往前推5 000 个点，即为捏力信号最后1 次和上/下界限相交点。取力信号第1 次和界限相交点到最后1 次和界限相交点之间为调整期，力信号最后一次和界限相交点到结束点为稳定期。信号的参数提取通过Matlab 软件实现。

1)完整信号

完成时间tachieve:从时间零点到最后一次界限相交点所需的时间。

2)稳定期

稳态终值:在稳定期力量信号的均值。

3)调整期

边界接近比:在标准范围之内，力量曲线对下限的积分和标准范围积分之比。边界接近比反映了调整期标准范围内，力量曲线对下限的接近程度，值越小越靠近下限，参数示意图见图3(b)。

图3 捏力信号。(a)信号分段；(b)参数示意(感知时间t1:从偏离标准范围到非标准范围最值点所需时间；响应时间t2:从非标准范围最值点到进入标准范围所需的时间)Fig.3 Pinch signal.(a) Signal segmentation；(b)schematic diagram of parameters ( t1:the time from the first point of non-standard range to the peak point of it；t2 :the time from the peak point of nonstandard range to the last point of it)

式中，Ssurround为在标准范围内力量曲线对下限的积分；Stotal为力量曲线在标准范围的时间段里，标准范围的面积。

上限相对偏离度:超出上限的力量曲线对上限的积分和标准范围积分之比。

式中，SH为超出上限的力量曲线对上限的积分；SOH为该时间段内，标准范围的面积。

下限相对偏离度:超出下限的力量曲线对下限的积分和标准范围积分之比。

式中，SL为超出下限的力量曲线对下限的积分；SOL为该时间段内，标准范围的面积。

上限/下限相对偏离度，反应了调整期非标准范围内，力量曲线对上限/下限的偏离程度，参数示意图见图3(b)。从偏离标准范围到再次回到标准范围的信号段，展现了人体对于振动反馈感知和响应的过程。捏力偏离标准范围后，振动强度发生改变，前臂皮肤机械感受器将变化信号传递给感知神经元，最终大脑接收到振动变化信号发出控制指令，调节捏力重新回到标准范围内。感知时间表示人体感知振动强度变化所需的时间，响应时间表示人体响应振动变化，将捏力重新调节回标准范围所需时间。

1.2.4 统计方法

应用SPSS 23.0 对提取的参数进行统计分析。为了检测力触觉－振动反馈系统的有效性，首先对整段信号在FB 和noFB 条件下的完成时间进行了显著性比较。之后为了探索不同力量等级要求下的捏力响应，对L1、L2、L3 等级下的稳态终值、边界接近比、上限/下限相对偏离度、感知时间和响应时间进行了显著性统计。经正态分布检验，完成时间、稳态终值、边界接近比、上限/下限相对偏离度、感知时间和响应时间均不满足正态分布，最终选择采用非参数检验—Wilcoxon 符号秩检验。P<0.05被认为有显著性差异。

2 结果

2.1 完整信号

有无反馈下的完成时间统计结果如图4(a)所示，L1、L2、L3 力量等级下，FB-noFB 之间均存在显著性差异(P<0.01)，且FB 的完成时间要明显低于noFB。noFB 和FB 作用下的完成时间差值如图4(a)中红色标记点所示，随着力量等级的增强，完成时间差值在逐渐增大。

2.2 稳定期

有无反馈下的稳态终值统计结果如图4(b)所示。在L1 和L3 力量等级下有无反馈之前的渐进显著性为P<0.01，FB 与noFB 之间存在显著性差异，而L2 力量等级下无显著性差异。统观每个力量等级，其中都出现标准差FB

图4 统计结果(∗表示P<0.05，∗∗表示P<0.01)。(a)完成时间统计结果图(t 为完成时间差值)；(b)稳态终值统计结果图Fig.4 Statistical result graph (∗means P<0.05，∗∗means P<0.01).(a) Statistical results of tachieve and t(The difference of achievement time between FB and no FB)；(b) Statistical results of “steady force”

2.3 调整期

在力反馈作用下，调整期信号的边界接近比、上限/下限相对偏离度的统计结果分别如图5(a)和(b)所示。边界接近比在L1、L2 和L3 力量等级下的中位值分别为0.000 5、0.015 3 和0.093 0，L2-L3和L1-L3 之间存在显著性差异(P<0.01)，L1-L2 之间无显著性差异。在L1、L2、L3 等级下上限相对偏离度中位值分别为0.000、0.004、0.033，下限相对偏离度中位值分别为0.000 2、0.006 1、0.410 0，下限相对偏离度整体要高于上限相对偏离度。

感知时间和响应时间作为蕴含反馈调节过程的参数，统计结果如图5(c)所示。单独观察每个力量等级，会发现响应时间的中位值均要略大于感知时间。对不同等级间进行比较，可以发现随着力量强度的增大，感知时间和响应时间都呈现上升的趋势，在L2-L3 间的感知时间和响应时间都出现显著性差异(感知时间P<0.05，响应时间P<0.01)。

图5 统计结果(∗表示P<0.05，∗∗表示P<0.01)。(a)边界接近比统计结果图；(b)上限/下限相对偏离度统计结果图；(c)感知时间和响应时间统计结果图Fig.5 Statistical result graph (∗means P<0.05，∗∗means P<0.01).(a) Statistical results of “boundary proximity ratio”；(b) Statistical results of “upper/lower limit relative deviation”；(c) Statistical results of “feel time” and“response time”

3 讨论

振动刺激作为人体感知信息的非模式匹配反馈信号，已经被应用到智能假肢、康复医学和虚拟现实等多个领域[9-13]，但鲜有研究对振动刺激后的捏力调控进行剖析。本研究针对振动反馈后的捏力信号，分别从整体层次、稳定期和调整期对捏力响应机制进行探索。

针对完整信号，选取了参数“完成时间”。在3个力量等级下，FB-noFB 之间均出现了显著差异性，且FB 的实验完成时间要明显低于noFB，这说明振动对于捏力调节起到了作用，加入振动反馈人体捏力调控效果要明显优于无反馈，证明了所设计的力触觉－振动感知反馈系统的有效性。在没有振动反馈作用下，人体依靠日常生活中积累的经验、肌肉记忆以及多感官的协调认知对捏力进行调节，即前馈控制[17]。例如，在最低的力量等级L1 下，即使没有振动反馈信号，受试者仍然能够根据对于力量大小的相对认知以及本体觉、视觉和听觉等信息完成实验。在L2 力量等级下，虽仍能将力量控制在实验要求范围内，但随着力量等级的增加，人体认知度减弱，完成时间已经明显增加。当力量等级增加到L3 时，前馈作用较弱，受试者几乎无法完成实验要求。从图4(a)可见，随着力量的等级的增强，有无反馈之间的时间差值显著拉大，说明反馈作用越来越明显。推测人体在低力量等级时，主要依赖于前馈调节；在高力量等级时，因超出人体日常认知或者经验不足，前馈调节减弱，强烈依赖于反馈调节。

针对稳定期，选取了参数“稳定终值”。在有振动反馈测试中，3 个力量等级下的稳态终值均保持在了标准范围内，且有反馈的标准差要小于无反馈，更加充分地证明了反馈系统的有效性。单独分析无反馈结果，在L1 和L2 下，稳态终值保持在标准范围内，但L3 下稳态终值远远偏离标准范围。而加入反馈后，在L3 下力量稳定地保持在了标准范围内，印证了前文中的推测，即高力量等级下强烈依赖于反馈作用。有无反馈之间进行分析，L1 和L3 下，FB-noFB 出现显著性差异。在力量等级为L1时，FB 和noFB 条件下的稳态终值都保持在标准范围之内，FB 的中值更靠近下限且标准差更小，振动反馈给了人体一个对于捏力范围的判定标准，在人体确定已经将力量控制在标准范围之内的情况下，有意识地将力量向下限接近。

边界接近比的中值在L1、L2、L3 等级下均小于0.1，说明捏力在调整期标准范围内更接近于下限。边界接近比在L1-L2 之间无显著性，在L2-L3 之间出现显著性差异，低、中力量级人体认知度较强，有意识的用接近于下限的力去完成力量要求，但对于高力量等级人体认知度较弱，控制力减弱，使得力量对于下限的接近度减弱。

下限相对偏离度整体高于上限相对偏离度。力量曲线发生上限偏离，第1 次峰值冲击占了主导因素。所考虑的调整过程是在峰值冲击之后的调节，即去除第1 次峰值冲击的影响，这样将降低上限相对偏离度，最终下限相对偏离度在测试结果的基础上更高于上限相对偏离度。综合边界接近比和上/下限相对偏离度结果，在调整期，标准范围内的力量曲线更贴近于下限，偏离便准范围的力量曲线相对于下限相对偏离度更大，说明在调整期力量以接近于下限的大小波动。

感知时间和响应时间蕴含了整个力触觉－振动感知反馈闭环的信息。响应时间要大于感知时间，是由于感知时间里人体只需要感知振动变化，但是响应时间里包括了动作和感知，人体需要先做出捏力调整，之后感知振动是否回到了原强度。感知时间和响应时间，随着力量等级增大也呈现上升趋势，在L2-L3 之间均出现了显著性差异。根据之前讨论，研究认为力量的偏离主要是对下限偏离，那么感知时间里感知的就是高强度向中强度/中强度向低强度/低强度向无的振动变化。感知时间和响应时间的增加说明振动强度越高振动变化越不易被感知。本研究只涉及3 个振动强度等级，当对5个振动强度等级进行感知测试时，也展现出了相似的规律，高振动强度等级识别准确度较低[14]，这将为反馈系统中的振动强度设计提供有力参考。

通过对振动刺激下人体捏力调控的研究，可以更好地分析人体对于振动信号的感知和解读能力，有助于优化振动感知反馈通道，设计更顺应人体感知和调控的刺激模式。虽然本次研究取得了一定的成果，但是仍然存在一定局限性。对于振动反馈，只涉及了3 个振动强度，用一种振动强度来表征一个力量范围，并未对力量进行一一对应反馈。力触觉－振动感知系统之间采用有线连接，限制了佩戴者的运动范围，这只适合于实验室研究，不适用于日常生活佩戴。接下来的研究将进一步提升触觉感知反馈设备的性能，优化设备的连接，使其更加简洁、易于佩戴。

4 结论

利用自主开发的力触觉－振动反馈系统。以捏力作为受控变量，以振动信号作为反馈信息，开展力触觉－振动感知反馈实验。研究表明在低力量等级时，捏力调节主要依赖于人体前馈控制，而在高力量等级时，反馈起主要调节作用。同时，人体趋向于以接近于下限的力去完成实验要求。最后发现随着振动强度的增加，人体对于振动变化的感知能力减弱。研究结果为设计顺利人体感应机制的力触觉振动反馈系统提供科研基础。