譚銘昱 花浩鏹 熊奇煒 朱 齊 舒 琳,3 徐向民,,3 梁家銘 魏 磊 黃國(guó)志 曾 慶

1（華南理工大學(xué)未來技術(shù)學(xué)院 廣州 511442）

2（華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院 廣州 510641）

3（琶洲實(shí)驗(yàn)室 廣州 510335）

4（騰訊科技（深圳）有限公司Robotics X 實(shí)驗(yàn)室 廣東深圳 518054）

5（迪肯大學(xué) 澳大利亞墨爾本 3220）

6（南方醫(yī)科大學(xué)珠江醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科 廣州 510280）

7（南方醫(yī)科大學(xué)康復(fù)醫(yī)學(xué)院 廣州 510515）

（202221062514@mail.scut.edu.cn）

近年來，虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)步，從最初只用于實(shí)驗(yàn)室等特定場(chǎng)所，逐漸走進(jìn)人們的日常生活.目前，以VR 為代表的大多數(shù)虛實(shí)融合人機(jī)交互研究和產(chǎn)品都是通過視覺和聽覺與用戶開展交互活動(dòng)，但是人對(duì)客觀事物建立的認(rèn)知是基于視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺和知覺的協(xié)同作用，僅依靠視覺和聽覺難以傳遞完整的交互信息，限制了虛實(shí)融合人機(jī)交互的真實(shí)感和沉浸性[1].觸覺是人類感知并與外部環(huán)境交互的重要方式，在增強(qiáng)用戶的VR 交互體驗(yàn)方面發(fā)揮著不可替代的雙向信息傳遞作用[2].

為了實(shí)現(xiàn)有效的觸覺反饋，研究人員提出了許多實(shí)現(xiàn)方法.文獻(xiàn)[3]使用振動(dòng)反饋研發(fā)設(shè)計(jì)的Rich pinch，通過在兩個(gè)指尖連接振動(dòng)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)觸覺反饋.文獻(xiàn)[4]提出了McKibben 氣動(dòng)肌肉執(zhí)行器，并相應(yīng)地設(shè)計(jì)了觸覺手套.此外，還有許多其他方法可以實(shí)現(xiàn)觸覺反饋.然而，這些方法往往存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、可穿戴負(fù)載高、擬真度不足等瓶頸.

微電流觸覺反饋具有集成度高、反饋模態(tài)豐富等優(yōu)點(diǎn)，吸引了許多研究人員的關(guān)注.例如，文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了多陣列觸覺顯示器，通過改變陣列中單個(gè)電極的顯示順序和位置來產(chǎn)生不同的形狀.文獻(xiàn)[6]研發(fā)設(shè)計(jì)了具有超高分辨率的可穿戴觸覺反饋設(shè)備，通過高頻調(diào)制的方法，使用低電壓刺激皮膚下的觸覺感受小體和神經(jīng)，高保真度地實(shí)現(xiàn)壓力、振動(dòng)和紋理粗糙度等觸覺.在不同觸覺反饋類型模擬方面，文獻(xiàn)[7-8]設(shè)計(jì)了傳感電路和觸覺顯示陣列，分別用于感知和模擬紙張、木材、橡膠和紡織品等材料.

由于電觸覺反饋的強(qiáng)度識(shí)別基于主體感知[9-12]，個(gè)體觸覺感知分辨率存在瓶頸，探究電觸覺的強(qiáng)度分級(jí)技術(shù)，有助于指導(dǎo)高精度電觸覺技術(shù)研究及應(yīng)用落地.在電觸覺反饋強(qiáng)度識(shí)別研究中，文獻(xiàn)[12-13]分別測(cè)試了電觸覺反饋強(qiáng)度等級(jí)的識(shí)別準(zhǔn)確率，但識(shí)別準(zhǔn)確率較低，四級(jí)強(qiáng)度識(shí)別準(zhǔn)確率分別為76.2%和85%.文獻(xiàn)[6]主要測(cè)試評(píng)估了相鄰強(qiáng)度等級(jí)的識(shí)別準(zhǔn)確率，但強(qiáng)度感知混淆程度未做更詳盡探討.此外，文獻(xiàn)[14-17]指出長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)用刺激電流會(huì)造成觸覺感受器疲勞，可能產(chǎn)生手指麻木、刺痛、觸電等不適感覺.因此，在我們所知的范圍內(nèi)，針對(duì)多強(qiáng)度電觸覺反饋的有關(guān)研究，目前主要存在2 個(gè)問題：1）電觸覺反饋中各強(qiáng)度識(shí)別準(zhǔn)確率不夠；2）在電觸覺反饋過程中，人體可能會(huì)產(chǎn)生手指麻木、刺痛、觸電等不適感覺.

為解決現(xiàn)有工作的局限性，本文首先對(duì)影響電觸覺反饋效果的各因素進(jìn)行了研究，探索了新的電觸覺模式.然后，本文基于該模式進(jìn)行了心理物理學(xué)實(shí)驗(yàn)，并與其他文獻(xiàn)的研究結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比.最后，本文討論了這種多強(qiáng)度電觸覺反饋設(shè)備的應(yīng)用前景和未來需要攻克的問題.

1 相關(guān)工作

1.1 刺激信號(hào)參數(shù)

在電觸覺反饋領(lǐng)域，刺激信號(hào)通常以電脈沖的形式傳遞.由于個(gè)體差異性、執(zhí)行器-人體交互界面及電刺激回路阻抗的不穩(wěn)定性，恒壓源施加到人體的刺激電流會(huì)產(chǎn)生劇烈的波動(dòng).而人體的觸覺感知與電流大小密切相關(guān)，電流波動(dòng)會(huì)極大影響人體對(duì)觸覺的感知.因此，本文采用電流源作為輸出形式來研究電觸覺反饋.

在基于微電流的觸覺反饋研究中，研究人員通過大量實(shí)驗(yàn)確定了人體觸覺感知與電流參數(shù)之間的一些關(guān)系.本文對(duì)其中的部分關(guān)系進(jìn)行了總結(jié)，如表1和表2 所示.粗糙度、摩擦、不同圖案以及力矢量的分布等觸覺反饋類型可以通過振動(dòng)感和壓力感這2種觸覺感受在時(shí)間-空間上控制電脈沖刺激的模式來集合生成.因此，振動(dòng)感和壓力感的反饋效果在多元觸覺反饋的研究中十分重要.而如何準(zhǔn)確反饋每一時(shí)刻下每個(gè)位置的振動(dòng)感和壓力感，成為集合生成多元觸覺反饋的關(guān)鍵.故本文主要研究如何提高觸覺反饋強(qiáng)度識(shí)別的準(zhǔn)確程度.

Table 1 Current Stimulation Signal Parameters in Related References表1 相關(guān)文獻(xiàn)中的電流刺激信號(hào)參數(shù)

Table 2 Voltage Stimulation Signal Parameters in Related References表2 相關(guān)文獻(xiàn)中的電壓刺激信號(hào)參數(shù)

在影響觸覺反饋強(qiáng)度識(shí)別準(zhǔn)確程度的各因素中，文獻(xiàn)[12]通過對(duì)電流模態(tài)進(jìn)行脈寬和頻率調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了不同強(qiáng)度的振動(dòng)感和壓力感的觸覺反饋；文獻(xiàn)[28]研究了電流頻率、脈寬與人體觸覺感受之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在不同電流脈寬下人體觸覺感知能力無顯著差異；文獻(xiàn)[29]發(fā)現(xiàn)電流振幅對(duì)觸覺感受的影響大于脈寬的影響；文獻(xiàn)[30]提出當(dāng)電流脈寬超過500 μs 時(shí)，人體皮膚表面會(huì)產(chǎn)生刺痛感.因此，觸覺反饋強(qiáng)度主要取決于刺激信號(hào)的幅值和頻率.其中幅值會(huì)影響觸覺反饋的強(qiáng)弱，當(dāng)刺激信號(hào)幅值小于感受閾值時(shí)，人體無法感受到觸覺反饋；當(dāng)刺激信號(hào)幅值大于疼痛閾值時(shí)，人體會(huì)感受到刺痛感.頻率不僅會(huì)影響觸覺反饋的強(qiáng)弱，還會(huì)影響觸覺反饋的類型，比如低頻刺激信號(hào)能產(chǎn)生壓力感，高頻刺激信號(hào)能產(chǎn)生振動(dòng)感.為減少觸覺反饋類型變化對(duì)受試者感知反饋強(qiáng)度產(chǎn)生影響，本工作將刺激信號(hào)幅值作為控制觸覺反饋強(qiáng)度大小的變化量.

1.2 電極陣列設(shè)計(jì)

電觸覺反饋的效果也會(huì)受到電極陣列設(shè)計(jì)的顯著影響，這包括電極形狀、接觸面積和分布密度等.文獻(xiàn)[19]研發(fā)設(shè)計(jì)由8 個(gè)等距矩形電極組成的陣列來研究陽極刺激與陰極刺激對(duì)應(yīng)的感覺閾值差異，其中電極尺寸為1 mm×8.5 mm，電極間距為1 mm.文獻(xiàn)[31]使用由24 個(gè)電極尺寸為2 mm×2 mm、電極間距為0.2 mm 的微電極組成的刺激陣列來研究電觸覺反饋，研究發(fā)現(xiàn)通過不同的控制策略，能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)、線、面狀物體以及多點(diǎn)的觸覺反饋，且位置分辨率達(dá)2.2 mm.文獻(xiàn)[23]將31 個(gè)針狀電極排列成六邊形，其中針狀電極直徑為1 mm，電極間距為2 mm，該陣列能夠有效表示虛擬力反饋的大小和方向變化.文獻(xiàn)[32]研發(fā)設(shè)計(jì)出具有大面積多點(diǎn)觸覺反饋的裝置，其中每個(gè)電極的直徑和間距均為1 mm.由于該裝置觸覺反饋面積大、分辨率高，因此能夠在同一表面上同時(shí)提供不同的觸覺反饋.文獻(xiàn)[33]提出對(duì)于等距電極陣列，單點(diǎn)電極的合適尺寸范圍在1～3 mm，電極間距合適范圍為0.2～1.2 mm.表3 列出了電觸覺反饋相關(guān)文獻(xiàn)中使用的電極陣列設(shè)計(jì)參數(shù).

Table 3 Electrode Arrays Parameters in Related References表3 相關(guān)文獻(xiàn)中電極陣列參數(shù)

1.3 接地電極位置

如圖1 所示，當(dāng)受試者的手指受到電流刺激時(shí)，電流將從正極經(jīng)身體流向負(fù)極.接地電極作為負(fù)極，其位置會(huì)影響整個(gè)電流通路的位置、密度、深度以及擴(kuò)散程度.因此，接地電極位置對(duì)觸覺反饋的效果有著十分重要的影響.

接地電極的放置位置有很多種，如經(jīng)背[18]、指環(huán)[20]、掌心[5]、指背[34]、共面[23]、同軸型[35]等.其中，可穿戴設(shè)備中最常用的是經(jīng)背式、指環(huán)式、掌心式和指背式，主要區(qū)別在于接地電極的放置位置，表4 簡(jiǎn)單闡釋了這些接地電極類型的優(yōu)缺點(diǎn).

Table 4 Advantages and Disadvantages of Different Grounded Electrode Types表4 不同接地電極類型的優(yōu)缺點(diǎn)

1.4 電刺激模態(tài)優(yōu)化的理論模型

當(dāng)微電流長(zhǎng)時(shí)間作用于人體時(shí)，皮膚阻抗會(huì)造成電荷積累，導(dǎo)致受刺激部位的不適、麻木、皮膚組織灼傷和損傷.為了減輕這些不利影響，可以利用雙相電流脈沖，通過正負(fù)電荷相互抵消的方式來減少電荷積累，提高電觸覺反饋的舒適度，進(jìn)而提高識(shí)別準(zhǔn)確率.而如何確定合適的正負(fù)電荷量比值是需要探討的一個(gè)重要問題.

目前，電觸覺反饋方式主要包括軀體感受皮層電刺激、侵入式外周神經(jīng)電刺激和經(jīng)皮電刺激.然而，由于前2 種方法需要將刺激電極植入體內(nèi)，風(fēng)險(xiǎn)較高.因此，本文重點(diǎn)討論經(jīng)皮電刺激，這是一種非入侵式和低風(fēng)險(xiǎn)的通過刺激皮下感覺神經(jīng)元實(shí)現(xiàn)觸覺反饋的方法.在經(jīng)皮電刺激過程中，電極陣列與皮膚直接接觸，為了確定電觸覺反饋研究過程中適用于人體的微電流正負(fù)電荷量比值，有必要研究人體皮膚結(jié)構(gòu)和皮膚阻抗.

人體皮膚是一個(gè)復(fù)雜的器官，主要由表皮和真皮組成[36]，其厚度因身體位置的不同而不同，從眼瞼處的0.5 mm 到腳底處的4 mm 以上.表皮主要由角質(zhì)細(xì)胞、黑色素細(xì)胞、朗格漢斯細(xì)胞以及默克爾細(xì)胞組成[37]；而真皮主要由結(jié)締組織組成，包含纖維細(xì)胞、巨噬細(xì)胞和脂肪細(xì)胞.

圖2 是人體皮膚結(jié)構(gòu)和皮膚阻抗的RC等效電路模型[38-40]，通常被稱為Montague 模型[41].真皮組織與深層結(jié)構(gòu)一起保持著穩(wěn)定的離子環(huán)境，可以提供低而穩(wěn)定的阻抗水平，用RMS表示，RMS的范圍是0.1 ? ·cm2～1.0 k ?·cm2[42].相反，角質(zhì)層作為電離物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的屏障，是皮膚-電極界面上阻抗最大的部分.當(dāng)潮濕或者出汗時(shí)，角質(zhì)層的電導(dǎo)會(huì)顯著增大，這可以解釋在實(shí)驗(yàn)過程中手指出汗時(shí)，被作用部分感覺會(huì)發(fā)生明顯變化這一現(xiàn)象.表皮部分的阻抗被建模為由RM和CM組成的并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，RM的范圍是79 ? ·cm2～5 M ?·cm2[42].假設(shè)皮膚總阻抗為ZM，Montague 模型將阻抗表示為：

Fig.2 RC equivalent model of human skin impedance圖2 人體皮膚阻抗RC 等效模型

Montague 模型在研究較深的皮膚層方面有較大的局限性.為了解決這個(gè)問題，Tregear 模型[43]利用并聯(lián)的RC電路來說明每個(gè)皮膚層中不同的電容和阻抗值，如圖3 所示.

通過對(duì)圖3 所述的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，能夠得到這2個(gè)皮膚層的阻抗方程為：

其中RT和CT分別表示表皮層的電阻和電容.

通過類比并獲得每個(gè)皮膚層的阻抗方程，Lykken在Montague 和Tregear 模型的基礎(chǔ)上開發(fā)了更現(xiàn)實(shí)的皮膚阻抗模型[44].該模型如圖4 所示，其提供了對(duì)皮膚電特性的全面了解.

Fig.4 Lykken model of human skin impedance圖4 人類皮膚阻抗的Lykken 模型

Lykken 模型由多個(gè)并聯(lián)RC電路組成，每個(gè)電路都與一個(gè)電阻相連.與以前的模型相比，Lykken 模型減少了許多細(xì)胞層的貢獻(xiàn)，有效解決了頻率對(duì)電容產(chǎn)生影響的問題.此外，即使不考慮表皮，模型中的串聯(lián)電阻仍能代表深層電阻[44].假如用N×M來表示單個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)的總數(shù)，p表示并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量，RL和CL分別表示皮膚層的并聯(lián)電阻和電容，RLS表示皮膚層中的串聯(lián)電阻，等效電路的阻抗方程表示為：

2 方 法

在本節(jié)中，我們分別使用3 組固定電流參數(shù)、6種電極陣列和4 種最常用的接地電極位置對(duì)強(qiáng)度識(shí)別準(zhǔn)確度的影響進(jìn)行了全面地測(cè)試.通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，我們確定了適用于強(qiáng)度識(shí)別的最佳電刺激模式.在此基礎(chǔ)上，提出了一種新的方法來優(yōu)化刺激電流的正負(fù)電荷量比值.

2.1 實(shí)驗(yàn)范式

2.1.1 電流參數(shù)

在本研究中，我們旨在研究以電流振幅為變量來調(diào)整電觸覺反饋強(qiáng)度.為了確定合適的電流脈寬和頻率，我們選取文獻(xiàn)中最常用的200 μs 脈寬值作為實(shí)驗(yàn)脈寬，并評(píng)估了3 種不同的電流頻率，即100 Hz、200 Hz 和500 Hz，以確定它們對(duì)反饋強(qiáng)度的影響.

2.1.2 電極陣列

在這項(xiàng)研究中，我們首先設(shè)計(jì)了直徑分別為2 mm和1 mm 的圓形電極陣列，其電極間距分別為1 mm和2 mm，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出其他類型的電極尺寸和電極間距.電極陣列設(shè)計(jì)如圖5 所示，其中D是圓形電極的直徑，L是方形電極的邊長(zhǎng)，OD和ID分別是環(huán)形電極的外徑和內(nèi)徑，S是電極之間的間距.

Fig.5 Design of electrode arrays圖5 電極陣列的設(shè)計(jì)

2.1.3 接地電極

在選擇最佳接地電極位置時(shí)，我們選擇了可穿戴設(shè)備中常用的4 種方法：經(jīng)背式、指環(huán)式、掌心式和指背式，電極位置如圖6 所示.

Fig.6 Placement of grounded electrode圖6 接地電極位置

2.2 電刺激模態(tài)優(yōu)化

由于人體組織存在電容效應(yīng)，通過微電流刺激實(shí)現(xiàn)觸覺反饋的過程可簡(jiǎn)化為電容充放電模型.為了減少相鄰充放電過程之間的相互影響，電容充放電波形應(yīng)近似沖激函數(shù)形式.因此，在電觸覺反饋實(shí)現(xiàn)過程中，人體手指被作用部分兩端體電壓波形在理想情況下如圖7 所示.其中，Ai-Bi(i=1,2,…n)的電壓值保持穩(wěn)定，表明人體手指尖在微電流刺激后，電壓值恢復(fù)到接受刺激前的水平，沒有電荷積累；Ci(i=1,2,…n)的電壓保持不變，表明在電流刺激前后，人體阻抗沒有明顯變化.

Fig.7 Schematic diagram of human body voltage waveform under ideal conditions圖7 理想情況下人體電壓波形示意圖

圖8 為刺激電流波形，A+為電流正向幅值大小，P+為正向脈寬，A-為電流負(fù)向幅值大小，P-為負(fù)向脈寬，T為脈沖周期.

Fig.8 Schematic diagram of stimulation current waveform圖8 刺激電流波形示意圖

對(duì)于單位時(shí)間內(nèi)被電流作用部分的正負(fù)電荷量Q的計(jì)算，通過圖8 可知：

在這項(xiàng)研究中，本文研究了具有不同的正負(fù)脈寬比和正負(fù)電荷比的雙相脈沖電流對(duì)應(yīng)的人體電壓波形，通過對(duì)電壓波形的分析來優(yōu)化電刺激模態(tài).

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及程序

2.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由脈沖刺激器（制造商：AMPI，以色列；型號(hào)：Master-9）、隔離器（制造商：AMPI，以色列；型號(hào)：ISO-Flex）、刺激電極陣列和接地電極組成，如圖9 所示.

2.3.2 實(shí)驗(yàn)程序

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們首先用酒精擦拭受試者的手指以確保去除油脂、污物等；然后連接實(shí)驗(yàn)設(shè)備并將電流參數(shù)調(diào)整為默認(rèn)值；接下來，受試者將手指的腹部放在電極陣列上；之后，脈沖刺激器產(chǎn)生電壓信號(hào)，由隔離器將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有相應(yīng)參數(shù)的恒流信號(hào)，隔離器的輸出電流從電極陣列經(jīng)人體手指部分流回接地電極.為了盡量減少外部因素的干擾，受試者被要求在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中保持閉眼.

受試者.本實(shí)驗(yàn)包括35 名身體健康的志愿者（17 名女性，18 名男性，年齡為20～30 歲）.該實(shí)驗(yàn)方案得到了南方醫(yī)科大學(xué)珠江醫(yī)院的批準(zhǔn).在實(shí)驗(yàn)開始前，每位參與者都會(huì)簽署一份知情同意書.

強(qiáng)度識(shí)別測(cè)試.本工作首先通過問卷調(diào)查方式收集多名受試者在不同接地電極類型情況下的觸覺反饋感受，結(jié)合調(diào)研的文獻(xiàn)確定了不同接地電極類型的優(yōu)缺點(diǎn)（表4）.從表4 中可以發(fā)現(xiàn)，不同接地電極類型會(huì)對(duì)觸覺反饋感受產(chǎn)生十分重要的影響.為保證刺激電流不會(huì)串?dāng)_擴(kuò)散，本工作將首先根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)研得到的微電流參數(shù)（見1.1 節(jié)）結(jié)合不同接地電極類型的優(yōu)缺點(diǎn)確定最佳接地電極方式.由于在預(yù)實(shí)驗(yàn)中，相比刺激電極陣列類型，電流參數(shù)對(duì)觸覺反饋效果影響更顯著，而且對(duì)于不同類型的刺激電極陣列，同一電流參數(shù)產(chǎn)生的觸覺反饋效果是類似的.之后，本工作再依次確定最佳電流參數(shù)和電極陣列.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容如表5 所示，每名受試者重復(fù)該實(shí)驗(yàn)20 次.

Table 5 Experimental Content表5 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

觸覺反饋不適度測(cè)試.將實(shí)驗(yàn)得到的最佳雙相脈沖刺激電流和單相脈沖刺激電流進(jìn)行對(duì)比.確保2種刺激電流的幅值和頻率相同，并只改變刺激波形.對(duì)于每名受試者，以隨機(jī)順序交替應(yīng)用雙相刺激和單相刺激.每個(gè)刺激應(yīng)用時(shí)，記錄受試者的主觀感受、不適或不適應(yīng)程度，受試者需要在刺激過程中使用數(shù)值評(píng)分法（0～10 分）來評(píng)估他們的不適感受程度，其中0 表示無不適，10 表示最強(qiáng)烈的不適.收集和記錄每名受試者的主觀感受數(shù)據(jù)，比較雙相電流刺激和單相電流刺激之間的主觀感受差異.

實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn).每個(gè)反饋強(qiáng)度下的識(shí)別準(zhǔn)確率是通過計(jì)算正確識(shí)別的強(qiáng)度級(jí)別的數(shù)量與所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)總數(shù)的比率來確定的.這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可作為強(qiáng)度分級(jí)有效性的可靠指標(biāo).

正負(fù)電荷量比值的優(yōu)化.在強(qiáng)度識(shí)別測(cè)試中獲得最優(yōu)實(shí)驗(yàn)范式后，我們使用單相刺激電流和正負(fù)電荷量比值優(yōu)化后的雙相刺激電流評(píng)估了同一群體中不同強(qiáng)度反饋的識(shí)別準(zhǔn)確性.

3 結(jié)果和討論

本節(jié)首先介紹選擇最優(yōu)電刺激范式的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析確定電觸覺反饋強(qiáng)度的最佳模式.然后分析了不同雙相脈沖幅值和脈寬作用下，人體被刺激電流作用部分，即刺激電極至接地電極回路兩端的電壓波形，并確定了最優(yōu)的正負(fù)電荷量比值.最后，將使用該正負(fù)電荷比的雙相刺激電流脈沖與僅使用單相刺激電流脈沖的識(shí)別準(zhǔn)確率進(jìn)行比較，還將該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)中電觸覺反饋強(qiáng)度識(shí)別實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較.

3.1 電觸覺最佳刺激范式

圖10 顯示了不同接地電極位置、電流頻率和電極陣列對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度識(shí)別準(zhǔn)確率實(shí)驗(yàn)結(jié)果.其中，S-1.77 和S-0.89 分別表示邊長(zhǎng)為1.77 mm 和0.89 mm 的方形電極；R-1.00 和R-0.25 分別表示內(nèi)徑為1.00 mm和0.25 mm 的環(huán)形電極；C-1.00 和C-2.00 分別表示直徑為1.00 mm 和2.00 mm 的圓形電極

Fig.10 Experimental results of intensity identification圖10 強(qiáng)度識(shí)別實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1）接地電極.指背接地電極對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度識(shí)別準(zhǔn)確率最高，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分布也最集中.

2）電流頻率.各頻率對(duì)應(yīng)的識(shí)別準(zhǔn)確率波動(dòng)范圍無明顯差異，但500 Hz 對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)確率高于其他頻率.

3）電極陣列.在這些電極陣列中，直徑為1 mm的圓形電極陣列對(duì)應(yīng)的識(shí)別準(zhǔn)確率數(shù)據(jù)最集中，其次是邊長(zhǎng)為0.89 mm 的方形電極陣列.通過比較各電極陣列對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)確率均值，可以得到邊長(zhǎng)為0.89 mm的方形電極陣列對(duì)應(yīng)的識(shí)別準(zhǔn)確率最高.因此，我們認(rèn)為邊長(zhǎng)為0.89 mm 的方形電極陣列是最佳選擇.

綜上所述，最佳的電觸覺組合刺激范式是電流頻率為500 Hz、邊長(zhǎng)為0.89 mm 的方形電極陣列以及指背接地電極方式.

3.2 強(qiáng)度分級(jí)識(shí)別實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 單相刺激電流脈沖實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)3.1 節(jié)建立的電觸覺最佳刺激范式，我們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)來評(píng)估使用單相刺激電流脈沖的強(qiáng)度識(shí)別準(zhǔn)確性.結(jié)果表明強(qiáng)度劃分為四級(jí)、五級(jí)和六級(jí)對(duì)應(yīng)的平均識(shí)別準(zhǔn)確率分別為92%、76.5%和64%.

3.2.2 雙相刺激電流脈沖實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1）正負(fù)電荷量比值優(yōu)化.當(dāng)施加雙相刺激電流脈沖的正負(fù)電荷量比值為1 時(shí)，不同脈寬比對(duì)應(yīng)的人體被作用部分的回路兩端體電壓波形結(jié)果如圖11所示，其中R0表示刺激電流負(fù)脈寬與正脈寬的比值.

Fig.11 Body voltage waveforms corresponding to different R0 when positive charges are equal to negative charges圖11 正負(fù)電荷量相等時(shí)不同R0 對(duì)應(yīng)的體電壓波形

為了研究正負(fù)電荷量比對(duì)體電壓波形的影響，本文對(duì)不同正負(fù)電荷量下不同正負(fù)脈寬比的人體電壓波形進(jìn)行了測(cè)試.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12 所示，其中R1表示刺激電流正脈寬與負(fù)脈寬的比值，R2表示刺激電流的正電荷量與負(fù)電荷量的比值.本工作使用互相關(guān)系數(shù)來定量刻畫理想情況下人體電壓波形和測(cè)量得到的人體電壓波形之間的相似程度，互相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式為：

Fig.12 Body voltage waveforms corresponding to different R when positive charges are unequal to negative charges圖12 正負(fù)電荷量不等時(shí)不同R 對(duì)應(yīng)的體電壓波形

其中x(i) 表示理想情況下的人體電壓波形，y(i)表示測(cè)量得到的體電壓波形，和分別表示x(i)和y(i)的平均值.

根據(jù)2.2 節(jié)中對(duì)理想情況下人體電壓波形的分析，本工作將脈寬為0.18 ms 的窄脈寬三角波等效為理想情況下的人體電壓波形.

通過計(jì)算，圖11 和圖12 中各波形對(duì)應(yīng)的互相關(guān)系數(shù)如表6 所示.從表6 可以發(fā)現(xiàn)R1=1，R2=4時(shí)人體電壓測(cè)量波形對(duì)應(yīng)的互相關(guān)系數(shù)是最大的.因此，其對(duì)應(yīng)的人體電壓波形最接近理想沖擊波形.此外，通過比較不同正負(fù)脈寬比對(duì)應(yīng)的電壓波形，可以發(fā)現(xiàn)人體電壓波形達(dá)到峰值后的恢復(fù)速度受到R1的顯著影響.具體來說，R1=1 會(huì)有更快的恢復(fù)率.基于上述結(jié)論，本研究中使用的電刺激模態(tài)被優(yōu)化為正負(fù)脈寬比R1=1 和正負(fù)電荷比R2=4 的雙相刺激電流脈沖.

Table 6 Cross-Correlation Coefficient for Each Waveform表6 各波形對(duì)應(yīng)的互相關(guān)系數(shù)

2）強(qiáng)度識(shí)別實(shí)驗(yàn)結(jié)果.采用正負(fù)電荷量比值優(yōu)化后的雙相刺激電流得到的四級(jí)、五級(jí)強(qiáng)度識(shí)別準(zhǔn)確率分別為93.3%和81.7%，與采用單相刺激電流的四級(jí)、五級(jí)強(qiáng)度識(shí)別準(zhǔn)確率92%和76.5%相比略有提高.各強(qiáng)度識(shí)別混淆矩陣如圖13 和圖14 所示，可以發(fā)現(xiàn)受試者易將高強(qiáng)度等級(jí)判斷為低強(qiáng)度等級(jí)，我們認(rèn)為這是由于在電流長(zhǎng)時(shí)間作用后，受試者手指適應(yīng)了電流的刺激，對(duì)電觸覺反饋的感受靈敏度有所下降.

Fig.13 Four-level tactile feedback intensity recognition result圖13 四級(jí)觸覺反饋強(qiáng)度識(shí)別結(jié)果

Fig.14 Five-level tactile feedback intensity recognition result圖14 五級(jí)觸覺反饋強(qiáng)度識(shí)別結(jié)果

3.2.3 觸覺反饋不適度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本節(jié)分別記錄在雙相脈沖刺激電流和單相脈沖刺激電流作用下，35 名受試者對(duì)微電流觸覺反饋過程中的不適度評(píng)分，其中0 表示無不適，10 表示最強(qiáng)烈的不適.收集和記錄每個(gè)受試者的主觀感受數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如圖15 所示.

Fig.15 Discomfort scoring experiment results during tactile feedback process圖15 觸覺反饋過程不適度評(píng)分實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖15 可知，實(shí)驗(yàn)組（雙相脈沖刺激電流）的平均不適感受評(píng)分為3.34，標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.17；對(duì)照組（單相脈沖刺激電流）的平均不適感受評(píng)分為6.86，標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.22.從圖15 可以看出，實(shí)驗(yàn)組的平均不適感受評(píng)分顯著低于對(duì)照組.對(duì)數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行t 檢驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)雙相刺激電流組的不適度評(píng)分與單相刺激電流組之間存在顯著差異（P值<0.01），這說明正負(fù)電荷量比值優(yōu)化后的雙相刺激電流可以有效減少微電流刺激對(duì)人體造成的不適.

3.3 討論

我們的研究在4 個(gè)強(qiáng)度等級(jí)上達(dá)到了93.3%的識(shí)別準(zhǔn)確率，這明顯高于以前研究中通過調(diào)整電流脈沖寬度獲得的59.1%[13]和85%的識(shí)別準(zhǔn)確率[33].文獻(xiàn)[12]在手指部分使用雙相電流脈沖，通過調(diào)節(jié)刺激電流的脈沖頻率，對(duì)4 個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到76.2%.對(duì)于5 個(gè)強(qiáng)度級(jí)別的識(shí)別，我們的研究取得了81.7%的識(shí)別準(zhǔn)確率，遠(yuǎn)高于通過施加機(jī)械振動(dòng)獲得的54%的識(shí)別準(zhǔn)確率[9]和通過分別調(diào)整刺激手臂電流的脈沖頻率和振幅得到的72.5% 和73.5%的識(shí)別準(zhǔn)確率[38].

值得注意的是，文獻(xiàn)[12, 13, 33, 38]將強(qiáng)度識(shí)別準(zhǔn)確率定義為同時(shí)識(shí)別3 個(gè)或更多強(qiáng)度等級(jí)的準(zhǔn)確程度.同時(shí)，一些研究將強(qiáng)度識(shí)別準(zhǔn)確率定義為判斷相鄰2 個(gè)等級(jí)的強(qiáng)度是否發(fā)生變化的準(zhǔn)確程度，即每次識(shí)別只涉及對(duì)3 個(gè)強(qiáng)度等級(jí)的識(shí)別.例如，文獻(xiàn)[6]使用高頻電壓刺激來研究受試者對(duì)相鄰強(qiáng)度等級(jí)的識(shí)別準(zhǔn)確率，發(fā)現(xiàn)當(dāng)將觸覺反饋的強(qiáng)度分別劃分為10 個(gè)等級(jí)和20 個(gè)等級(jí)時(shí)，識(shí)別準(zhǔn)確率分別為100%和85%.

表7 為本文討論的2 種觸覺強(qiáng)度識(shí)別準(zhǔn)確性研究的綜合比較.圖16 為本文在對(duì)電刺激模態(tài)進(jìn)行優(yōu)化的基礎(chǔ)上，研發(fā)設(shè)計(jì)的小型化可穿戴式觸覺反饋設(shè)備及其對(duì)應(yīng)的虛擬現(xiàn)實(shí)交互場(chǎng)景應(yīng)用實(shí)例.

Fig.16 Wearable tactile feedback devices for virtual reality interaction scenario圖16 面向虛擬現(xiàn)實(shí)交互場(chǎng)景的可穿戴式觸覺反饋設(shè)備

Table 7 Comprehensive Comparison of Two Tactile Intensity Recognition Accuracy Studies表7 2 種觸覺強(qiáng)度識(shí)別準(zhǔn)確性研究的綜合比較

本研究中對(duì)35 名受試者進(jìn)行的強(qiáng)度識(shí)別準(zhǔn)確性實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了本文開發(fā)設(shè)計(jì)的多強(qiáng)度電觸覺反饋系統(tǒng)的有效性.該系統(tǒng)通過在電流參數(shù)、電極陣列設(shè)計(jì)和接地電極位置3 個(gè)關(guān)鍵方面改進(jìn)電觸覺反饋刺激模式，并引入雙相電流脈沖，優(yōu)化正負(fù)電荷量比值.研發(fā)設(shè)計(jì)的多強(qiáng)度電觸覺反饋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了舒適而精確的電觸覺反饋，有效解決了多強(qiáng)度電觸覺反饋研究中的低準(zhǔn)確率問題.

然而，需要注意的是，當(dāng)強(qiáng)度劃分為6 個(gè)等級(jí)時(shí)，由于相鄰兩強(qiáng)度等級(jí)對(duì)應(yīng)的電流幅值相差較小，本文得到的六級(jí)強(qiáng)度識(shí)別準(zhǔn)確率僅為64%.表8 為未經(jīng)訓(xùn)練的受試者觸覺強(qiáng)度識(shí)別準(zhǔn)確率的比較.

Table 8 Comparison of the Accuracy of Tactile Intensity Recognition in Untrained Subjects表8 未經(jīng)訓(xùn)練的受試者觸覺強(qiáng)度識(shí)別準(zhǔn)確率的比較

文獻(xiàn)[45]通過最小可覺察實(shí)驗(yàn)選擇參數(shù)，在手臂上測(cè)試得到的四級(jí)、五級(jí)和六級(jí)強(qiáng)度識(shí)別準(zhǔn)確率分別為95%、80%和74%，其中四級(jí)強(qiáng)度和六級(jí)強(qiáng)度識(shí)別準(zhǔn)確率分別高于本文得到的93.3%和64%的強(qiáng)度識(shí)別準(zhǔn)確率結(jié)果.然而，文獻(xiàn)[45]研究的是人體手臂部位的觸覺反饋強(qiáng)度識(shí)別準(zhǔn)確率，其圓形刺激電極直徑為9.5 mm，電極間距為12.0 mm，電極尺寸和間距遠(yuǎn)大于本文用于產(chǎn)生觸覺反饋的方形電極陣列（邊長(zhǎng)為0.89 mm，間距為2 mm），其能覆蓋的觸覺感受器范圍更大，這意味著人能感受到的觸覺信息將更多.

但是在人機(jī)交互過程中，對(duì)手指尤其是指尖部分提供的觸覺反饋是十分必要的.本文所提出的電極陣列設(shè)計(jì)方法，在1.5 c m2上實(shí)現(xiàn)了24 點(diǎn)的觸覺反饋，能在人體有限的手指指尖表面上保持較高的觸覺反饋強(qiáng)度識(shí)別準(zhǔn)確率.因此，本文所提出的觸覺反饋方式具有尺寸小、應(yīng)用范圍廣以及識(shí)別準(zhǔn)確率高等優(yōu)勢(shì)，可以用于人體手指表面來產(chǎn)生觸覺反饋.

4 總結(jié)

本文探究了電流參數(shù)、電極陣列設(shè)計(jì)和接地電極位置對(duì)電刺激觸覺效果的影響模式，研究適用于虛實(shí)融合人機(jī)交互的更優(yōu)的電刺激模態(tài).據(jù)此研發(fā)設(shè)計(jì)了舒適而精確的多強(qiáng)度電觸覺反饋設(shè)備，該設(shè)備不僅能夠提高受試者的舒適度，還能實(shí)現(xiàn)多強(qiáng)度電觸覺反饋的高準(zhǔn)確率識(shí)別.未來，該小型化可穿戴式電觸覺反饋設(shè)備能應(yīng)用于多種虛擬現(xiàn)實(shí)交互場(chǎng)景中.然而，當(dāng)觸覺反饋強(qiáng)度劃分超過五級(jí)時(shí)，其識(shí)別準(zhǔn)確率仍有待提高.為了解決這個(gè)問題，未來的工作將著重研究拘束擴(kuò)散，避免大強(qiáng)度電流因?yàn)閿U(kuò)散效應(yīng)造成深度組織的電流密度變小，探索觸覺感受器相應(yīng)的最佳頻率、波形等.

作者貢獻(xiàn)聲明：譚銘昱、花浩鏹和熊奇煒并列第一作者，負(fù)責(zé)整個(gè)項(xiàng)目研究思路；譚銘昱負(fù)責(zé)完成實(shí)驗(yàn)方案和論文初稿的撰寫；花浩鏹負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析和論文寫作優(yōu)化；熊奇煒負(fù)責(zé)項(xiàng)目整體的架構(gòu)調(diào)整與優(yōu)化；朱齊負(fù)責(zé)完成實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)整理；舒琳與徐向民負(fù)責(zé)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)框架設(shè)計(jì)和技術(shù)方案，并審閱、修改和完善論文；梁家銘和魏磊提出了在實(shí)際系統(tǒng)中的應(yīng)用思路并探索實(shí)現(xiàn)；黃國(guó)志和曾慶負(fù)責(zé)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行倫理審查并對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和過程進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整.