陈敬,李敏,2,何国璎,张超宙

(1. 西安交通大学机械工程学院,710049,西安; 2. 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,710049,西安)

脑卒中手部功能障碍患者往往在手部运动功能受损的同时丧失部分触觉感知功能[1-2]。触觉和本体感觉是人体能够正常运动的前提,触觉感知功能的缺失会严重影响躯体的平衡及运动功能[3]。因此,触觉等感觉功能的恢复对于患者手部运动功能障碍的治疗至关重要[4-6]。

研究表明,触觉感知功能的丧失可以经过特定感觉训练加以改善,如通过加大患者感觉输入的方式,增强对受损神经的刺激或促进形成新的通路,从而使患者恢复正常的感觉功能[7-8]。部分感觉训练需与运动训练共同进行[9],更加强调感觉之间的关联性,因此需要着重关注与运动相关的触觉感受,如压觉及滑觉等。此外,物体表面纹理对于物体的准确识别有着重要意义[10-11]。患者在康复后期需要着重开展对手部精细动作的训练,此时对物体的表面纹理进行模拟,可以有效提高康复效果,因此对物体表面纹理(粗糙度)的模拟也是必不可少的。

目前,可穿戴触觉反馈装置的实现方式主要包括两种:物理刺激再现和直接刺激目标感受器[12-13]。物理刺激再现类装置如:Hu等[14]设计的一个用于主从式手术机器人的便携式力反馈装置,存在体积过大无法适用于五指问题;Leonardis等[15]研制的由3个电机驱动的三自由度指尖力反馈装置,存在反馈力过小问题;Scheggi等[16]研制的单电机缆线力反馈装置,存在反馈力方向单一的问题。直接刺激目标感受器主要实现方式为电刺激:Peruzzini等[17]设计的电极阵列电触觉刺激反馈装置存在体积过大且与手指无法良好贴合的问题;Ying等[18]设计的硅纳米膜二极管多路复用电极阵列,存在制作难度大的问题;Ferrari等[19]设计的纹身纸基材的墨水电触觉设备,存在使用寿命过短(最高寿命不超过8 h)的问题。物理刺激再现与直接刺激模式存在各自优缺点,可将二者结合,以实现更为有效的触觉刺激。

为解决刺激装置模式单一、体积与质量过大、制造难度过大等问题,本文设计了一种压觉-滑觉-粗糙度多模态指尖触觉反馈装置。该装置由三维力反馈的气动压觉装置和柔性印刷电路板(FPC)电极阵列构成的,通过性能测试实验证明,设计的触觉反馈装置能够满足感觉训练中所需的触觉刺激需求。与现有触觉反馈装置相比,本文提出的装置可获得更丰富、且可精确控制的触觉反馈,为感觉训练提供有效的硬件支持,促进脑卒中患者触觉感知功能恢复。

1 指尖触觉反馈刺激总体方案

为了满足手康复训练触觉刺激的需要,本文提出一种可穿戴指尖触觉反馈刺激方法,用于对压觉、滑觉以及物体表面粗糙度进行模拟,辅助脑卒中手部功能障碍患者进行康复训练。本文采用将气动反馈和电刺激反馈方法相结合的方案,如图1所示。

图1 指尖触觉反馈刺激实现方案Fig.1 Implementation scheme of fingertip tactile feedback stimulation

首先,粗糙度可以利用振动的方式进行模拟,但是这种方式反馈形式单一且很难再与压觉结合。因此,本文采用电刺激直接刺激默克尔盘的方式对物体表面粗糙度进行模拟。

其次,用于感知压觉的帕西尼氏小体位于皮肤深层,而迈斯纳小体和默克尔盘则位于皮肤浅层[20-22]。因此,很难通过电刺激做到仅对帕西尼氏小体进行刺激而不影响位于皮肤浅层的其他两种感受器。因气动执行器具有反馈力大、接触面舒适、适合用于康复等优点,所以本文采用气动驱动的方式实现压觉反馈。

最后,由于气动执行器本身的特性,很难做到对滑觉的模拟,因此本文采用电极阵列刺激迈斯纳小体的方式来模拟滑觉。

综上所述,本文将指尖触觉反馈刺激划分为指尖接触压觉反馈和滑觉-粗糙度模拟两部分。指尖压觉反馈采用气动驱动的方式;采用电刺激的方式,通过刺激迈斯纳小体和默克尔盘实现对滑觉和物体表面粗糙度的模拟。

2 指尖压觉反馈装置设计

2.1 结构设计

气动执行器一般由空腔及进气口组成,工作原理较为简单:当增大空腔内部气压时,较薄的工作面会因气压升高而首先发生膨胀,进而与指面相接触并向指面施加压力,其余的非工作面则因为壁厚较厚不会发生明显形变,如图2所示。

图2 气动执行器工作原理Fig.2 Working principle of pneumatic actuator

如图3所示,指面实际上是一个曲面,在其两侧及靠近指尖的部分均具有一定的弧度,靠近关节的部分则较为平坦。因此,在日常生活中指尖与物体接触时,接触力的方向并不总是垂直于指面。

(a)食指正视图

(b)食指侧视图

基于上述考虑,本文提出一种新的多接触面气动指尖压觉反馈装置(气动执行器),如图4所示。参考人体指尖表面形状,气动执行器设有中央、指尖和两侧共计4个气室分别为指面各区域施加相应的压力。工作时各气室独立供气,互不影响。

中央气室及执行器整体形状参考课题组前期仿真分析结果,均设计为椭圆形。两侧气室呈手性对称,与指尖气室一样在保证中央气室及执行器整体形状的情况下尽可能多的覆盖指面。中央气室与其余各气室间设有1 mm宽的间隔,供执行器能够自由弯折并与手指贴合。各气室工作面厚度均为0.45 mm、非工作面厚度均为2 mm,保证执行器在工作时只有工作面发生明显形变。

(a)整体图

气动执行器使用RAISE3D E2 3D打印机整体打印成型,该打印机的最小打印精度为0.01 mm,可以最大限度地保证执行器工作时的气密性,打印材料选用NinjaFlex柔性材料。

2.2 工作气压范围测试

如上文所述,气动执行器的两侧气室呈手性对称,因此只需要对3种气室进行性能测试。考虑到各气室间由柔性材料相连,不易搭建实验平台,采用整体打印成型后在连接处裁开分别测试的方式进行实验。

为了保障气动执行器工作时的安全性及有效性,首先对其正常工作时的气压范围进行测试,搭建的测试平台如图5所示。

图5 工作气压范围测试平台Fig.5 Working pressure range test platform

每种气室取一个进行实验,从100 kPa开始逐步提高气压上限,直到气压上限达到气动比例阀输出极限或执行器被撑破。每次实验从0开始,以0.5 kPa为步长,逐步增大到目标气压,再以同样的步长减小到0。记录每次实验执行器表面形变和气压变化,绘制气压-形变曲线。对于气动软材料执行器,当输入气压未超过正常工作范围时,气压与形变量成近似线性关系;当输入气压超过上限时,气压与形变量出现明显的非线性特征。因此,本文对形变量曲线求导,得到形变量导数曲线,观察其在何时不再接近常数的方式得到最大工作气压。下面以中央气室为例,对如何判断执行器达到最大工作气压进行说明。实验结果如图6所示,这里只展示了最大工作气压附近的结果。

(a)最大气压350 kPa

(b)最大气压400 kPa

(c)最大气压450 kPa

观察图6可知,在400 kPa以前的执行器表面形变量导数接近常数,因此可以认为执行器还没达到最大工作气压。从400 kPa往后,形变量的导数开始不再接近常数,且中央气室表面形变也逐渐无法回归原点,可以认为此时气压上限已经超过了最大工作气压。考虑到执行器工作时的安全性,将中央气室的最大工作气压定为350 kPa。采用同样的方式,可以得到指尖气室和两侧气室的最大工作气压分别为350 kPa和400 kPa。

3 滑觉-粗糙度模拟装置设计

本文采用电极阵列直接刺激指尖迈斯纳小体和默克尔盘的方式,模拟指尖滑觉与物体表面粗糙度。具体实现方式为:通过控制电极阵列开启顺序,实现不同方向滑觉模拟;通过改变电刺激脉冲频率,模拟不同大小物体表面粗糙度。

3.1 电刺激设计需求分析

电刺激过程中主要涉及电极与皮肤之间阻抗和人体阻抗两种阻抗。本文人体阻抗参考佛莱贝尔加(Freiberger H.)等值电路模型[23],电极与皮肤之间参考文献[24]使用的皮肤与电极间的一阶阻抗模型作为电刺激器的设计依据。结合以上两种模型,可以得到人体阻抗模型,如图7所示。

图7 人体阻抗模型Fig.7 Human body impedance model

由图7可得,电刺激时人体阻抗为

(1)

式中:Z为人体阻抗;R0为人体内电阻,取值500 Ω;Rp为皮肤-电极间阻性成分,取值为10～320 kΩ;f为电刺激频率;Cp为皮肤-电极间容性成分,约为0.42 nF;R1为皮肤电阻,值为50～200 kΩ;C1为皮肤电容,约为1 nF[23-25]。

由式(1)可知,电刺激频率越大,人体阻抗越小。考虑到指尖会存在汗液等导致阻抗降低的情况,同时也避免施加在人体的电压过大造成安全隐患,Rp和R1的取值应该小一些。将Rp与R1的取值定为50 kΩ。

由上述模型可得,人体阻抗的最大值为100 kΩ,而人体能感受到的最小电流为1 mA。为了能够针对个体差异对电流进行调整,对人体施加0～250 V的电压。

为保障使用者安全需求,本文采用恒流刺激源进行刺激,同时为减少电刺激给使用者带来的不适感,本文采取双向脉冲进行电刺激。在获取电刺激所需基本参数后,综合考虑电刺激器的各项设计需求,提出如图8所示的电刺激器整体设计思路。

图8 电刺激器模块组成Fig.8 Composition of electric stimulator module

整个电刺激器的控制模块(Arduino Mega 2560)工作流程为:电刺激器的主控芯片通过蓝牙接收上位机传来的命令,获取电刺激的刺激强度、刺激频率、占空比等刺激信息;随后主控芯片再通过压控恒流模块控制电刺激的电流强度、通过H桥模块控制电刺激的刺激频率和占空比;同时刺激电流经过反馈电阻转化为电压,再经由Arduino控制器自带的模数转换器反馈给上位机,以供实时监控刺激电流强度。

3.2 模块组成及仿真验证

图9 压控恒流原理图Fig.9 Schematic diagram of voltage control constant current

(1)恒流模块。恒流模块是电刺激器设计中的重要一环,它保证电刺激器输出电流不会因人体阻抗的变化而产生较大波动。电刺激的电流强度需要根据上位机的命令发生变化,因此本文选择搭建压控恒流模块,如图9所示。图中OP27为高增益的运算放大器,PMBTA42为耐高压的NPN型三极管,Rs为低温漂的精密电阻。由运放和三极管的特性可得

(2)

式中:V+为运放正向输入端电压;V-为运放负向输入端电压;Vs为采样点处反馈电压;Iout为负载电流;Ic为三极管集电极电流;Ie为三极管发射极电流;Rs为采样电阻。

结合式(2)中的3个等式,可得

(3)

可以发现,负载电流只受运放正向输入端的电压和采样电阻影响,而采样电阻Rs是固定的,因此可以通过输入电压控制负载电流,采样电阻可以根据刺激电流范围决定。

在Multisim软件中搭建相关电路进行仿真,并让负载在1～200 kΩ范围内变化来测试该模块的恒流特性。通过仿真发现负载的电流为0.995 mA,与式(3)相符。

(2)H桥模块。H桥模块一般用于改变电机的转动方向,在本文中的作用是改变电刺激电流的方向,从而实现双向脉冲刺激。搭建的H桥电路如图10 所示。

图10 H桥电路原理图Fig.10 Schematic diagram of H-bridge circuit

PA1和PA2为Arduino控制器的两个控制口,U1和U2为光耦开关,Q1、Q2为PNP型三极管,Q3、Q4为NPN型三极管,RL为负载即人体,Arduino与H桥间通过光耦芯片隔离。该模块的控制原理如图11(a)所示。

(a)H桥电路控制

(b)示波器采集结果

当PA1电平为高、PA2电平为低时,Q1和Q4导通,RL上电流方向从左至右。当PA1电平为低、PA2电平为高时,Q2和Q3导通,RL上电流方向从右至左。该模块与普通H桥相比,只用两个串口控制,不会存在H桥一侧三极管全部导通的情况,控制更加方便。在Multisim软件中搭建相关电路进行仿真。为测试方便,直接在两个端口输入方向相反的周期方波,观察示波器的采集结果,如图11(b)所示。

(3)电极阵列。如前所述,为了能够产生滑觉,需要构建电极阵列来对指尖进行刺激。由于执行器需要贴合手指,而指面又具有弧度,因此采用柔性FPC材料来打印电极阵列。制成的电极阵列如图12所示。

图12 本文制作的柔性电极阵列Fig.12 Flexible electrode arrays fabricated in this paper

电极阵列上的13个阳极构成阳极阵列,并共用一个阴极,所有电极均通过转接板与H桥模块相连。阳极的开关由Arduino控制,处于阵列四周的每两个阳极由一个开关控制,处于阵列中央的5个阳极单独由一个开关控制。该电极阵列可以产生竖直和水平两类,正反共计4种方向的滑觉。当需要产生沿某方向的滑觉时,按照顺序依次开启和关闭对应阳极的开关从而对滑觉进行模拟。

4 装置集成及性能测试

将设计制作完成的电刺激装置与指尖压觉反馈装置进行结合,电极阵列直接与指尖皮肤贴合,压觉反馈部分置于电刺激后方,并与电极共同固定在指尖,具体实现方式如图13所示。压觉反馈装置与电刺激装置可独立工作,也可共同协作完成指尖触觉刺激。

对本文触觉反馈装置进行测量,其中单指的指尖压觉反馈装置质量为7.2 g,电极阵列质量为7.6 g,单指触觉反馈装置质量为14.8 g。结合后触觉反馈装置长为40 mm、宽为30 mm。综上所述,本文设计的触觉反馈装置具有质量轻、体积小的特点,能够满足五指触觉装置的安装使用需求。

图13 指尖触觉反馈刺激实现Fig.13 Realization of fingertip tactile feedback stimulation

4.1 压觉执行器性能测试

为了方便后续对气动执行器进行控制,需要测试执行器的力学性能,并拟合出气压-力关系曲线作为控制依据。3种气室分别在各自的最大工作气压下进行实验,搭建实验平台如图14所示。

图14 气动执行器力学性能测试Fig.14 Mechanical performance test of pneumatic actuator

每种气室各取5个进行测试,每次实验将气室与传感器的中心对准,通过软件对传感器调零。将各气室的最大工作气压设为目标气压,从0以0.5 kPa的步长逐步升至目标气压,在达到目标气压后再逐步降低气压至0。每个执行器重复充放气3次,记录输入气压及执行器工作面的接触力变化。根据实验数据分别绘制各气室的气压-力关系曲线,并对各气室取平均并进行拟合,结果如图15所示。从图中可以发现,各气室均有较好的力学性能,线性度较高,迟滞现象较小。各气室力学性能较为统一,中央气室最大接触力为12.734 N,指尖气室最大接触力为9.674 N,两侧气室最大接触力为8.982 N。

(a)中央气室

(b)指尖气室

(c)两侧气室

由拟合而来的曲线,可以得到各气室的输入气压与执行器输出力的关系

(4)

式中:F1为中央气室执行器工作表面接触力;F2为指尖气室执行器工作表面接触力;F3为两侧气室执行器工作表面接触力;P为执行器工作气压。

式(4)将作为后续指尖接触压觉反馈的控制依据,可见在实际使用时,需要对执行器进行一定气压的预加载。

与Leonardis等[15]提出的三自由度指尖力反馈装置相比,本文提出的指尖接触压觉反馈装置在输出力大小及装置质量等方面具有一定的优势,且能够对不同方向的接触力进行模拟。

4.2 电刺激器有效性验证

在仿真环境下确保所设计的电刺激器能够正常工作后,用面包板搭建相关电路,并以主观问卷调查的形式对滑觉粗糙度模拟的有效性进行验证。本实验分为两部分,分别对物体表面粗糙度和滑觉的模拟进行测试。实验共有8位受试者参与,均在其右手大拇指指尖模拟滑觉或物体表面粗糙度,实验场景如图16所示。

图16 滑觉粗糙度有效性验证Fig.16 Effectiveness verification of slip roughness

4.2.1 粗糙度模拟有效性验证

在受试者将拇指指尖放置到指定位置,并使电极阵列弯曲至所有电极尽可能贴合手指后,接通电源。控制电流在1 mA,保持占空比不变,控制电刺激的频率逐渐从10 Hz提升至100 Hz,询问每一位受试者的主观感受。

所有受试者均表示,电刺激与振动反馈的感觉类似,且随着电刺激频率的提高,刺激中产生的颗粒感逐渐消失,振动的感觉越来越平滑。

随后测试受试者对电刺激频率即物体表面粗糙度的识别准确率。实验共分为10轮,每轮实验中频率为20、50、80 Hz的刺激各出现一次,且出现的顺序随机,由受试者判断当前出现刺激的频率,统计受试者的识别准确率。

统计结果表明,所有受试者对物体表面粗糙度(电刺激频率)的识别准确率均为100%,即本文提出的指尖触觉反馈刺激方法可以有效地对物体表面粗糙度进行模拟。

4.2.2 滑觉模拟有效性验证

本文预设的滑觉方向有左-右、右-左、下-上、上-下4种,实验前先由受试者自行训练一段时间,当受试者认为已经熟悉各滑觉方向后开始实验。

实验同样分为10轮,每轮4种滑觉方向按照随机顺序依次出现,由受试者判断当前模拟的滑觉方向,统计受试者准确识别和粗略识别的准确率。所谓准确识别是指受试者准确判断出当前滑觉的方向,比如左-右或右-左。粗略识别则指的是受试者能够判断出当前模拟的滑觉方向是水平还是竖直。假设当前滑觉方向是左-右,而受试者判断结果为右-左也认为受试者粗略识别正确。统计结果如图17 所示。

图17 受试者滑觉识别准确率Fig.17 The accuracy rate of slide recognition of subjects

所有受试者对水平方向及竖直方向均具有较高的粗略识别准确率。与之相比,4种方向的准确识别率要稍低一些。这可能是因为,本文设计的电极阵列在电极排布方面存在一定问题,导致阵列在每种方向上的刺激间隔较短,使得受试者产生了混淆。Rahimi等[26]同样采用电极阵列的方式对滑觉进行模拟,但是因为采用印制电路板制作执行器,电极与指面贴合不够紧密,因此水平方向的识别准确率要明显低于竖直方向。

5 结 论

本文提出了一种气动压觉与电刺激反馈结合的多模态指尖触觉装置,单指指尖触觉反馈装置质量为14.8 g、长为40 mm、宽为30 mm。本文触觉反馈装置利用电刺激触觉反馈完成对物体滑觉与粗糙度的感知,同时利用气动压觉反馈装置完成多维压觉力反馈。经实验结果表明,电刺激粗糙度识别准确率达到100%,滑觉粗糙识别率超过80%,气动压觉反馈单腔力反馈最大为12 N,由此该装置具质量轻、体积小、力反馈足、多模态等特点,能够满足康复训练中对指尖触觉反馈的需求。

在未来工作中,针对不同使用者生理条件差异所导致的模拟真实触觉效果有限,后续将进一步研究触觉生物模型及控制程序以改善本装置触觉模拟效果。此外,进一步开发具有更多模态的触觉反馈装置,并研究不同触觉反馈模式耦合关系以指导后续触觉装置改进,使不同模式触觉反馈装置能够进一步融合,以提供更为符合康复训练所需触觉反馈,以最终实现提升患者康复效果。