22、主动粗糙度感知中的接触力与手指皮肤振动传感器研究

主动粗糙度感知中的接触力与手指皮肤振动传感器研究

在触觉感知的研究领域，主动粗糙度感知中的接触力以及皮肤振动监测是重要的研究方向。本文将围绕这两方面的研究进行详细介绍，包括主动粗糙度感知中接触力的实验研究，以及一种用于主动触摸的手指皮肤振动传感器的设计与测试。

主动粗糙度感知中的接触力研究

在主动粗糙度感知的实验中，研究人员收集了不同任务和刺激条件下的接触力数据。实验设置了控制任务、缩放任务和辨别任务，刺激分为粗糙组和光滑组。

数据处理

• 单行程数据选择 ：利用测量的剪切力来选择对应单行程的数据。单行程定义为手指与刺激物接触的单向运动，选择标准的阈值经验性地确定为±0.05 N的剪切力（略高于传感器噪声的幅度）。
• 平均法向力计算 ：对于每个提取的单行程，使用对应单行程的每个提取轮廓中的所有数据计算平均法向力。然后，使用从每个提取轮廓计算出的平均值计算每个试验的法向力平均值及其标准差。
• 参数提取与归一化 ：从所有受试者的结果中，提取了法向力的3个参数：每个会话的平均值、每个会话的标准差和每个试验的标准差。每个获得的参数通过所有会话中每个参数的平均值进行归一化，并使用每个归一化参数计算所有受试者中每个参数的平均值。

任务	刺激	平均力	会话标准差	试验标准差
辨别和缩放	粗糙	0.072	3.5×10⁻⁴**	0.005**
辨别和缩放	光滑	0.043*	0.098	0.013*
控制任务	粗糙	0.024*	0.002**	0.215
控制任务	光滑	0.060	0.689	0.468

注： 表示p ≤0.05， * 表示p ≤0.01

结果与讨论

• 刺激对标准差的影响 ：会话标准差的方差分析显示，在感知任务和控制任务中，刺激都有显著影响（p值小于0.01）。配对t检验表明，在两个感知任务中，粗糙刺激的每个会话标准差明显小于光滑刺激。在控制任务中，仅在第二次控制任务中可以看到刺激之间的显著差异，但从图中可以看出第一次控制任务也有类似结果。这表明人类在感知粗糙刺激时使用的力变化比光滑刺激小。
• 现象原因分析
  • 舒适度因素 ：由于粗糙刺激的刺激强度较大，我们可能不想对粗糙刺激使用太大的力。控制任务的方差分析显示了刺激的显著影响，从图中可以看出，在所有任务中，粗糙刺激的平均力小于光滑刺激。由于受试者在控制任务中不需要给出响应，因此控制任务中的结果可能与舒适度有很强的关系。
  • 感知粗糙度的非线性和力依赖性 ：感知粗糙度的大小与物理粗糙度呈非线性关系，并且随着接触力的增加而增加。因此，为了达到与粗糙刺激相同的辨别水平，在感知光滑刺激时需要更大的力变化。

graph LR
    A[实验数据收集] --> B[数据处理]
    B --> C[参数提取与归一化]
    C --> D[统计分析]
    D --> E[结果讨论]
    E --> F[得出结论]

用于主动触摸的手指皮肤振动传感器

为了更好地监测皮肤振动，研究人员提出了一种用于主动触摸的手指皮肤振动传感器。该传感器旨在利用人类触觉感知的双向性和自参考特性，具有测量物体属性、理解触觉感知和共享触觉感觉等潜在应用。

传感器设计

传感器由两个加速度计（2302B，Showa Sokki Co.）和一个环组成。环放在指尖的DIP关节前面，加速度计考虑了轻便性、小尺寸和高分辨率而被选择。一个加速度计通过双面胶带附着在手指垫的一侧，另一个固定在环上，两个加速度计对称放置。环有两层：2毫米厚的外部刚性铝层和1毫米厚的内部软硅橡胶层，硅层有助于阻尼皮肤振动引起的环上的振动，并由于硅与皮肤的大摩擦力将环固定在手指上。

加速度计的工作方式如下：
- 皮肤侧的加速度计测量皮肤振动和手指运动。
- 环上的加速度计仅测量手指运动。
- 通过两个加速度计在同一时间获得的数据的差值提取皮肤振动。信号通过电荷放大器以5 [kHz]的采样率收集到计算机，对原始数据应用截止频率为10 [Hz]的高通滤波，并通过双重积分计算获得振动变形。

传感器评估

• 频率响应评估 ：使用压电致动器（PZA12 - 6T，Matsusada Precision Inc.）作为刺激器，向手指垫施加振动。在实验中，力保持恒定在0.5 [N]，在每个频率下施加振幅为10 [µm]的正弦波振动。实验对五名健康成年受试者（5名男性，年龄范围22 - 24岁）进行，结果表明，传递到环上的皮肤振动远小于皮肤监测到的振动，环能够很好地仅测量手指运动。手指垫一侧的皮肤振动在约200 [Hz]处有一个峰值，获得的皮肤频率特性与其他研究结果相似。
• 主动触摸测试
  • 非接触测量 ：测试了手指运动的消除。受试者被指示在非接触条件下以约50 - 200 [mm/s]的扫描速度左右摆动安装有传感器的手指。结果显示，每个加速度计的振动几乎相同，差值很小，表明传感器可以分别测量皮肤振动和手指运动。但需要注意的是，手指的非对称性和姿势可能会影响结果。
  • 主动粗糙度感知测量 ：使用五种不同粗糙度的砂纸作为刺激物，五名健康成年受试者参与实验。受试者使用安装有传感器的优势手食指，以来回运动摩擦刺激物，每次试验的行程数为两次。受试者被指示保持施加的法向力恒定在0.5 [N]，扫描速度为100 [mm/s]。通过阈值为±0.1 [N]的剪切力提取对应一个行程的皮肤振动数据，并计算传感器输出的强度（皮肤振动的方差）。计算每个刺激物在所有受试者中的平均强度，以及每个受试者在所有刺激物中的平均强度。

graph LR
    A[传感器设计] --> B[频率响应评估]
    A --> C[主动触摸测试]
    B --> D[评估结果分析]
    C --> E[非接触测量]
    C --> F[主动粗糙度感知测量]
    E --> G[运动消除测试结果]
    F --> H[皮肤振动强度计算]
    G --> I[传感器性能评估]
    H --> I

综上所述，主动粗糙度感知中的接触力研究揭示了人类在感知不同粗糙度刺激时的力使用特点，而手指皮肤振动传感器的设计与测试为触觉感知的研究提供了一种有效的工具。未来的研究可以进一步分析粗糙度感知中的扫描速度差异，以及感知性能与自发触摸行为之间的关系。

主动粗糙度感知中的接触力与手指皮肤振动传感器研究（续）

主动粗糙度感知接触力研究的深入分析

在上文我们了解了主动粗糙度感知中接触力研究的基本实验流程、数据处理和初步结果。接下来，我们进一步深入分析这些结果背后的更多含义。

任务目标对接触力的影响

在感知任务（辨别任务和缩放任务）和控制任务中，我们观察到不同的结果模式。对于平均力而言，在感知任务中，光滑刺激下不同任务间存在显著差异，但粗糙刺激下不同任务的力几乎相同。而在其他参数（会话标准差和试验标准差）方面，不同任务之间没有显著差异。这表明，在粗糙度感知中，任务目标对施加的力的影响并不明确。可能的原因是，人类在感知粗糙度时，更多地受到刺激本身特性（如粗糙度）的影响，而不是任务目标的直接驱动。

graph LR
    A[感知任务] --> B[光滑刺激]
    A --> C[粗糙刺激]
    B --> D[平均力有差异]
    C --> E[平均力几乎相同]
    A --> F[其他参数]
    F --> G[任务间无显著差异]

接触力差异的实际意义

人类在感知粗糙刺激时使用较少的力变化和较小的平均力，这一现象在实际应用中具有重要意义。例如，在设计触觉交互设备时，可以根据这一特点调整设备的反馈力，以提供更符合人类触觉感知习惯的交互体验。对于粗糙表面的模拟，可以适当减小力的变化范围，使使用者感觉更加自然和舒适。

手指皮肤振动传感器的性能优化与应用前景

手指皮肤振动传感器的设计和测试为触觉感知研究提供了新的手段，下面我们探讨其性能优化和应用前景。

传感器性能优化

虽然传感器在实验中表现出了一定的有效性，但仍有一些方面可以进行优化。
- 加速度计的选择 ：目前的加速度计是基于轻便性、小尺寸和高分辨率选择的，但可以进一步研究不同型号和规格的加速度计，以提高传感器的灵敏度和准确性。
- 环的结构改进 ：环的两层结构在一定程度上起到了阻尼和固定的作用，但可以通过调整材料和厚度，进一步优化其性能。例如，寻找更适合的阻尼材料，以更好地隔离皮肤振动和手指运动。
- 信号处理算法优化 ：目前的信号处理方法包括高通滤波和双重积分计算，但可以探索更复杂的算法，以减少噪声干扰，提高皮肤振动提取的准确性。

应用前景

手指皮肤振动传感器具有广泛的应用前景，以下是一些具体的应用场景：
- 虚拟现实和增强现实 ：在虚拟现实和增强现实环境中，触觉反馈是提升沉浸感的重要因素。该传感器可以用于监测用户与虚拟物体的接触，将皮肤振动信息反馈给系统，实现更加真实的触觉交互。
- 康复治疗 ：在康复治疗中，触觉感知的恢复是重要的治疗目标。传感器可以用于监测患者的手指运动和皮肤振动，为康复治疗提供数据支持，评估治疗效果。
- 工业检测 ：在工业生产中，对物体表面粗糙度的检测是质量控制的重要环节。传感器可以用于快速、准确地测量物体表面的粗糙度，提高检测效率和精度。

应用场景	具体应用方式
虚拟现实和增强现实	监测用户与虚拟物体接触，反馈皮肤振动信息实现真实触觉交互
康复治疗	监测患者手指运动和皮肤振动，评估康复治疗效果
工业检测	快速准确测量物体表面粗糙度，提高检测效率和精度

总结与展望

通过对主动粗糙度感知中的接触力和手指皮肤振动传感器的研究，我们得到了以下重要结论：
- 在主动粗糙度感知中，人类对粗糙刺激使用较少的力变化和较小的平均力，这可能与舒适度和感知粗糙度的非线性特性有关。
- 手指皮肤振动传感器能够有效地提取皮肤振动信息，为触觉感知研究提供了一种新的工具。

未来的研究可以从以下几个方面展开：
1. 扫描速度分析 ：进一步研究粗糙度感知中扫描速度的差异，以及扫描速度与接触力、皮肤振动之间的关系。
2. 感知性能与触摸行为关系 ：深入探讨感知性能与自发触摸行为之间的关系，为触觉交互设计提供更科学的依据。
3. 传感器性能提升 ：不断优化手指皮肤振动传感器的性能，拓展其在更多领域的应用。

graph LR
    A[研究结论] --> B[接触力特点]
    A --> C[传感器有效性]
    B --> D[粗糙刺激力变化小]
    C --> E[有效提取皮肤振动]
    A --> F[未来研究方向]
    F --> G[扫描速度分析]
    F --> H[感知性能与触摸行为关系]
    F --> I[传感器性能提升]

总之，主动粗糙度感知中的接触力和手指皮肤振动传感器的研究为触觉感知领域带来了新的见解和方法，有望在多个领域产生重要的应用价值。随着研究的不断深入，我们对人类触觉感知的理解将更加全面，触觉交互技术也将得到进一步的发展。