多模态呈现的肌腱电刺激在虚拟现实与智能硬件中的作用

引文：Akifumi Takahashi，Kenta Tanabe，Hiroyuki KAJIMOTO。触觉接口使用肌腱电刺激与多模态呈现的考虑虚拟现实智能硬件，2019，1（2）：163-175DOI：10.3724/SP.J.2096-5796.2019.0011虚拟现实与智能硬件·文章·2019年第 1卷 第 2期考虑多模态呈现的Akifumi Takahashi*，田边健太，柿本博之电子通信大学信息学系，东京调布182- 8585*通讯作者a. kaji-lab.jp投稿时间：2019年1月13日受理时间：2019年3月28日由JSPS KAKENHI（JP18H04110）支持。摘要背景我们以前的研究表明，从皮肤表面到肌腱区域的电刺激（肌腱电刺激：TES）可以引起力的感觉，并且调整电流参数可以控制感觉的量。TES被认为通过刺激负责识别肌腱内存在的肌肉收缩幅度的受体或感觉神经来呈现本体感受力感觉，因此它可以是小尺寸、低成本力反馈装置的本体感受模块。但也有人怀疑TES只表现出强烈的、嘈杂的皮肤感觉。从以前的研究中发现，TES对不同的感觉有一定的限制。方法在本研究中，除了表征TES诱导的本体感觉，我们构建了一个多模态呈现系统再现的情况下，其中力施加到手被提供，以调查TES是否有助于再现触觉与其他模态合作，而不是干扰他们。具体来说，我们使用振动来呈现皮肤感觉，并使用视觉头戴式显示器（HMD）系统来呈现同步图像。使用该系统，我们还评估了TES本身的功效和涉及TES的多模式系统的功效。结果我们发现，TES，随着视觉和振动刺激，有助于感知一定的力量。结论因此，TES似乎是多模态力觉呈现系统的有效组成部分。关键词 肌腱电刺激;本体感觉;多模态;力觉1引言在许多虚拟现实（VR）系统中，触觉反馈可以提高沉浸感或可操作性。例如，在VR的医疗培训中，力反馈使用户能够感受到器官的柔软度，从而避免伤害它们。另一方面，迄今为止，大多数触觉设备具有需要大型硬件设置来机械地产生实际力的共同问题。我们以前的文献表明，可以通过经由皮肤表面的肌腱的电刺激（这里称为肌腱电刺激或TES）来产生力感，这可以用小的设置来呈现。我们还发现，通过调节电流参数可以控制感觉的大小 （图1）。不喜欢通过电子方式呈现力感www.vr-ih.com版权所有© 2019北京中科学报出版有限公司公司制作和主办：Elsevier B.V.代表KeAi。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/）的开放获取文章虚拟现实与智能硬件2019年第 1卷 第 2期164图1（a）显示肌肉和肌腱之间关系的模型;（b）用于量化力觉大小的实验装置。肌肉刺激（EMS），这是经常使用的计算机人机交互[2- 4]，TES刺激感觉神经，而不是运动神经。因此，TES可用于呈现力感而不产生不必要的肌肉收缩。然而，TES产生的感觉有几个局限性。首先，虽然TES可以用来呈现恒定的力，但它不能呈现瞬间的感觉，例如与碰撞相关的感觉。第二，用户对感觉的解释各不相同。在之前的实验中（在第3节中描述），当手腕的背部受到刺激时，大多数参与者报告说，引起的力觉的方向是从手背到手掌（屈曲方向）。然而，当参与者被要求自由评论这种感觉时，一些人透露他们感觉好像他们的手在手腕处弯曲，而另一些人则感觉他们的前臂在肘部弯曲，或者他们的整个手臂被推了。在本文中，我们试图通过向用户提供多个提示来解决这些问题。具体来说，我们试图整合多种感觉呈现方式有关的力的感觉。力觉通常是通过多种方式整合和感知的。皮肤感觉和本体感觉尤其重要[5- 8]，视觉感觉的作用也被认为很大[9]。在这项研究中，我们构建了一个多模式呈现系统，除了TES外，还同时进行皮肤刺激和视觉刺激（图2）。我们研究了多模态刺激和单模态刺激之间的力觉差异（即，仅工商业污水附加费2 相关工作可以呈现本体感觉和皮肤感觉的常见触觉设备大致分为身体接地（外骨骼或可穿戴类型）和环境接地设备。虽然这些装置通常需要大量的马达用于多自由度致动，但是已经提出了许多最近的方法来以相对低的成本引起力感觉。在本节中，我们描述了可以用相对较小的机械设置引起力感的系统。2.1 假襻 与 视觉呈现伪触觉呈现是一种在没有电机的情况下呈现力觉的方便方法[9]。例如，触觉图2多模式演示系统。电极安装在肌腱上方的皮肤上，在这种情况下，安装在伸肌或屈肌肌腱上方的手腕上。振动器设置在手背上。Akifumi TAKAHASHI等人：考虑多模式呈现的肌腱电刺激触觉接口165可以通过改变屏幕上光标的速度来诱导感觉，该屏幕提供关于用户操作的鼠标的移动的视觉反馈[10]。Pusch等人通过将用户的手暴露于视觉力场来诱导伪触觉[11]。2.2 力 感觉 呈现 涉及 皮肤感觉皮肤感觉包括各种类型，例如压力和振动。与压力和剪切力相关的皮肤感觉在力感觉中起主要作用，并且已经提出了各种方法来诱导产生皮肤变形的这种感觉[12- 15]。振动感觉也可以用于力反馈。Amemiya等人。[6]发现不对称振动可以引起类似力的感觉，这种现象现在受到了很多关注[16- 18]。振动是碰撞感觉中的重要线索，并且已经提出阻尼振荡来模拟和再现这种感觉[19]。2.3 力 感觉 呈现 涉及本体感觉本体感觉包括由受体处理的感觉，例如骨骼肌或前庭器官中的肌梭和高尔基腱器官（GTO）。一种具有相对简单的机械设置的引发本体感觉的方法是肌肉电刺激（EMS），其中肌肉充当致动器并产生实际力[2- 4，20，21]。EMS诱导的力通过引起位于作为力感觉的目标的骨骼肌的相对侧上的拮抗肌的收缩来实现。基于EMS的方法的一个缺点是需要拮抗肌的活动，这在真实情况下实际上不会发生使用者感觉到外力，但他们也感觉到自己的肌肉活动。在TES中，不是肌肉收缩，而是连接到目标骨骼肌的肌腱中或周围的感觉神经被刺激以呈现力感。然而，如导言所述，用户对工商业污水附加费的解释各不相同，因此必须结合其他方式使用。3 多式 触觉 呈现 系统 采用工商业附加费3.1 用于经由TES呈现力感觉的方法和感觉的方向在我们之前的TES文献[1]中，通过主要放置在手腕后部肌腱正上方皮肤表面的电极施加电刺激。在施加电刺激的同时控制电流。电流为矩形波，频率为80Hz，脉宽为200μs，脉冲高度平均约为10mA，最大值为25mA。该刺激旨在产生在与电极所附着的一侧相反的方向上行进的力的感觉。力觉的产生机制被认为是源自深部感受器对肌腱电刺激的反应。我们进行了初步实验，其中我们改变了电极间隔。具体来说，我们比较了窄间隔电极（预计仅刺激浅层或皮肤）与宽间隔电极（预计刺激浅层和深层）的试验。我们观察到，在后一种情况下，力量感觉更明显地产生，这意味着深层感受器参与了感觉。由于肌腱，而不是肌肉，主要存在于刺激部位，因此强烈怀疑GTO是刺激部位的主要部位。虚拟现实与智能硬件2019年第 1卷 第 2期166受刺激的感受器参与引起的感觉。由于GTO的活动意味着肌肉收缩的力的大小，如果GTO是负责的受体，TES调节力感觉的大小。此外，由于TES不会点燃运动神经，手腕的姿势不会改变。因此，预期用户感知到与所感知的肌肉收缩的方向相反行进的虚幻外力。3.2 多式 力 感觉 呈现系统该系统由电刺激装置[22]、振动器（Acouve Lab.，Vibro传感器Vp 2系列Vp 210）和头戴式显示器（Oculus，DK 2）以三种方式呈现感觉：视觉、振动和力（图2，图3）。这些模块由PC集成。电刺激装置和换能器由微控制器（NXP，mbed LPC1768）控制，其通过串行通信与PC同步信息。我们用了两个凝胶电极图3多模式演示系统。（1.9mm × 3.5mm，Vitrode F-150S，Nihon Kohden Corporation）用于TES。3.2.1 通过头戴式显示器的视觉刺激我们在PC上构建了一个虚拟现实（VR）空间，头戴式显示器（HMD）基本上总是显示一个拇指朝上、手张开的右手模型（图4）。 虚拟对象移动并与手的背面碰撞。物体与手接触时的速度为0.8m/ s。接触后物体持续推手3秒。在此期间，右手向手掌方向（0.2米）轻微移动，就像被物体推动一样，然后保持原位。图4通过HMD呈现的视觉刺激。3.2.2 机械 刺激 通过振动器使用TES难以呈现撞击的感觉。在我们的TES模型中，通过振动器呈现皮肤感觉。通过放大正弦波来控制振动器的输入Akifumi TAKAHASHI等人：考虑多模式呈现的肌腱电刺激触觉接口167由微控制器产生。微控制器与控制TES的微控制器通信，TES对μs范围内的时序敏感。这允许振动的延迟在电刺激的几μs我们使用Vp 2（Acouve Lab.，Vibro传感器Vp2系列Vp210）作为实验中的振动器。振动器的直径为43mm。在实验中，它被放在手背上，使振动的方向垂直于手背的表面。振动器的输入电压信号是衰减正弦波，其通常用于表示碰撞[19，23]，定义如下：V=Ae-Bt sin（2πft）[V];其中A是振幅，在实验中，B= 10.0，f= 100 [ Hz ]，这是作者在初步测试中定义的放大器体积的唯一可控参数（图5）。3.2.3电 刺激 超过 肌腱TES表示静态连续力，当物体与右手接触并推动右手时连续执行。电极被定位在手腕的背面，如在先前的实验[1]中，并且两个电极被放置为跨腕关节（见图6）。对于电刺激，我们使用了频率为100 Hz的双相矩形脉冲波，这是参考先前文献在初步试验中确定的两个电极交替作为刺激电极。此外，可以将脉冲的高度调整到参与者可以充分感知力觉的程度，最高可达25 mA。4 实验4.1 实验预习图5振动器的输入电压信号和振动器的输出加速度。图6电极位置和手部姿势。图2显示了实验的概述。参与者戴着HMD，右手手腕背面的电极和右手背面的振动器，我们选择了考虑到TES产生的力觉的自然位置。电刺激的脉冲高度和振动的幅度由参与者预先调整。调整电刺激，使得参与者可以仅通过TES清楚地感觉到力感，并且调整振动，使得他们充分地感觉到冲击感。4.2 实验条件实验条件如表1所示。我们总共使用了六种条件，从TES、振动和视觉呈现的八种组合中排除了两种条件“仅振动刺激”和“无刺激”。其中，“仅TES”条件被用作参考刺激，其他五种条件被随机呈现一次作为比较刺激。也就是说，每个参与者虚拟现实与智能硬件2019年第 1卷 第 2期168进行了五次试验。在每个比较刺激之前立即呈现参考刺激。4.3 程序表1实验条件爱因斯坦：TES。M：振动的机械刺激。V：HMD参与者被指示尽可能地将右手的姿势与VR空间中的右手模型相匹配。在VR空间中，物体出现在屏幕在随机的时间，并作出了均匀加速运动的左边。当物体与手模型碰撞时，分别给予机械振动刺激和电刺激。在没有视觉刺激的试验中，物体和右手模型消失，碰撞和随后的力感只涉及机械振动刺激和电刺激。在实验中，参与者被要求回答以下四个问题：(1) 力觉(2) 力觉(3) 力觉(4) 力觉要求项目（1）和（2）评价与参考条件相比的比较条件，而项目（3）和（4）表征所有六种条件。因此，在所有试验之前，参与者被给予参考刺激，并询问关于参考条件的后两个项目（（3）和（4））;之后，在每次试验中，参与者被给予参考刺激，然后是比较刺激，然后被要求回答关于比较条件的所有四个项目的问题。在7级Likert量表上对项目（1）和（2）进行评分，其中4级对应于参考刺激。如果诱导的感觉没有被感知为力量感觉，我们要求参与者将该值评为1。通过从七个选项中进行选择来回答第（3）项：手在手腕处向内弯曲（屈曲）或向外弯曲（伸展），前臂在肘部处向内或向外弯曲，整个手臂向内或向外推动，或者以上都没有（图7）。图7方向或旋转轴。(a)整个手臂向内或向外移动;（b）前臂向内旋转 或围绕肘部向外（不将轴限制在肘部的屈曲和伸展）;（c）围绕手腕向内弯曲（屈曲）或向外弯曲（伸展）的手。Akifumi TAKAHASHI等人：考虑多模式呈现的肌腱电刺激触觉接口169通过从七个选项中选择来回答第（4）项：在手掌上，在手背上，在手腕的手掌侧，在手腕的背面，在手臂的手掌侧，在手臂的背面，或者以上都没有。自然性的回答是一个线索，表明刺激在力觉的方向或位置上彼此配合得有多好，或者作为一种统一的感觉有多好。4.4 参与者在实验室招募了11名22至24岁的参与者（10名男性，均为右撇子）。他们知道触觉反馈的概念，但他们没有经历过电刺激引起的力觉。其中一人被排除在数据分析之外，因为他声称他在回答中犯了一个错误。5 结果5.1 幅度 的 的 力觉如图8a所示，与仅具有TES的条件（参考条件）相比，没有TES的条件总是产生较低的分数，而与仅具有TES的条件相比，具有TES的条件总是产生相同或更高的分数。使用Wilcoxon符号检验将每个刺激的结果与参考刺激的结果进行比较。我们发现，在只有视觉刺激的条件下，视觉+机械刺激的条件下，以及所有三种方式的条件下，力觉的大小存在显著差异（显著性用p≤ 0.05表示）。也就是说，在没有呈现TES的所有条件下，力觉的幅度显著小于参考刺激的幅度，并且在组合呈现所有模态的条件下，力觉与参考刺激的力觉相比显著更大。图8 试验结果(a)力觉的强度;（b）力觉的自然性。(Box绘图：条带：中位数。方框：四分位数。误差线：最小值和最大值）5.2 自然度 的 的 力觉关于力觉的自然度的结果在图8b中示出。在除了单独呈现视觉刺激的条件之外的所有条件下，力觉通常被感知为与参考刺激中的力觉相同或更自然。使用Wilcoxon符号检验将每个刺激的结果与参考刺激的结果进行比较。我们发现在有视觉刺激的条件下，力觉的自然度有显著差异虚拟现实与智能硬件2019年第 1卷 第 2期170单独和所有三种方式（显著性用p≤0.05表示）。也就是说，相对于参考刺激，仅呈现视觉刺激的条件下的自然度显著降低，并且通过所有模态呈现刺激的条件下的自然度显著高于参考刺激。5.3 力觉的方向和旋转轴关于力觉的方向和旋转轴的结果如图9a所示。所有的参与者都回答说，至少力量感是在向内的方向上发生的，也就是说，手掌面向的方向，而不管轴是什么。选择“以上都没有”主要是在没有提出工商业污水附加费的情况下。在TES呈现的条件下，参与者倾向于回答前臂向内移动的力觉以肘部为运动的起源。当用三种方式刺激时，以下每个选项的反应数量几乎相等：手腕周围，肘部周围以及垂直于前臂和上臂的表面。5.4 力觉作用点的位置关于施加点的位置的结果示于图9b中。几乎在每一次试验中，参与者都回答说，应用点在手臂的任何部位的背部。有一些评论说，动作点在手臂内部，或者感觉像是被拉而不是被压。当给予视觉刺激或/和机械刺激时，参与者倾向于回答应用点在手背上。特别是在视觉和机械刺激的条件下，应用点的位置大多被报道在手背上。然而，在提出所有三种方式的条件下，这一比率下降。图9试验结果(a)（b）方向;（b）作用点的位置。6 讨论我们的实验结果证实，通过三种方式同时呈现的信息相比，只有电刺激肌腱（参考刺激）的力度和自然的感觉显着增加。然而，对力感觉的方向和轴以及所施加力的位置的详细控制将需要进一步表征。从不同试验类型中获得的结果如下所示。6.1 幅度 的 的 力觉实验结果表明，所有三种刺激的组合显著增加了Akifumi TAKAHASHI等人：考虑多模式呈现的肌腱电刺激触觉接口171与仅呈现TES的条件相比，感知力的大小。与此相反，在试验中，只有视觉刺激和试验只是与视觉和机械振动刺激的力的感觉的幅度显着较小。后者的结果表明，TES极大地促进了力觉的产生，因为与参考相比，没有TES的所有条件都具有较小的力觉幅度。前一个结果可以解释为由于多模态感觉的同时呈现而增加了真实性;然而，我们不能排除参与者象征性地判断力的大小的可能性（即，e.他们可能会将更多类型的感觉解释为更强的感觉）。我们将在下一节讨论这一点。6.2 自然度 的 的 力觉与参考条件相比，自然度在仅视觉条件下显著降低，而在三模态条件下显著增加。因此，这三种方式并不相互干扰，而是在提供同一情况的资料方面相互合作。这支持了上一节提到的观点，即由于现实主义的增强，感知到的力量的数量增加了。关于幅度和自然度的结果表明，TES是有效的呈现力觉的方法，并且它可以与其他方式相结合，呈现更自然和令人信服的力觉。6.3 力觉的方向和轴大多数参与者报告说，力量感觉的方向至少是从手背到手掌（当围绕手腕时，这等于弯曲，而不是伸展）。这再次证实了TES不同于EMS。如果运动神经受到刺激，并且力觉是由肌肉收缩产生的，那么力应该是在伸展方向上感觉到的，而不是弯曲方向，因为电极被放置在手腕的背面。我们对力的方向的解释如下。TES刺激肌肉的肌腱，引起伸肌收缩的感觉。由于手腕实际上没有伸展，用户解释为一些外力阻碍了手腕的伸展。换句话说，他们觉得自己在与试图使手腕弯曲的力竞争（图10）。根据这种解释，报告甚至可以同意方向是手腕周围的这一点。图10通过TES的力觉发生模型。(a)对屈肌腱施加电刺激，诱发推掌的力觉;（b）对伸肌腱施加电刺激，诱发推手背的力觉。虚拟现实与智能硬件2019年第 1卷 第 2期172然而，在仅TES试验的情况下，大多数参与者报告说，他们感觉到力的方向是向内的（从背部到手掌侧）围绕肘部，而不是手腕。这可能是因为施力的位置不明确，并且对于用户来说，转动肘部可能比转动手腕更自然。如果是这样的话，在手背上施加振动应该会减少这种模糊性，并且可能使参与者相信施加点在手背上，使得力折射他们的手腕。在我们的试验中，当没有TES的情况下出现振动时，观察到了这种趋势，但是当TES伴随振动时，许多参与者报告说旋转力围绕肘部。这可能是因为TES持续约3s，因此主导了仅持续0.5s的振动。此外，TES还激发了手腕周围的皮肤感觉，这可能会影响解释。6.4 作用点 的 力觉在参考条件下，或仅TES条件下，许多参与者报告应用点在手腕处。这可能是由于电刺激引起的相关皮肤感觉。在视觉和振动都呈现的双模态条件下，参与者主要顺从地回答力施加在手背上。当结合振动刺激和电刺激时，几乎相同数量的参与者报告说，力施加在手腕和手的后部，尽管如前所述，我们预计可以通过呈现振动来说服用户施加点在手的后部。因此，由电刺激引起的皮肤感觉可能主导了一些人的体验。6.5 其他发现在一些会议上进行的实验和演示中，我们发现，尽管机械振动和电刺激的呈现是同步的，但约10%的参与者表示，他们在振动结束后才开始感受到电刺激。当他们取下振动器并再次体验刺激时，他们评论说，视觉场景中的碰撞和电刺激的开始似乎是同步的。这意味着，由于电刺激的开始没有物理延迟，电刺激的感知可能被机械振动掩盖。我们还观察到，一些参与者在刺激呈现时移动他们的手，好像实际物体推了他们的手。他们中的一些人说，他们认为这是一种反射。即使在没有给予机械振动但进行TES时也可以看到这一点。这再次证实了我们的假设，即TES刺激的是感觉神经，而不是运动神经;因为如果肌肉是由电刺激刺激的，那么运动应该与观察到的运动方向相反。6.6 今后工作我们的最终目标是通过结合各种纹理和本体感受力的感觉来再现复杂的触觉。为此，我们希望改进TES方法以诱导本体感受而不呈现皮肤感觉。这将阐明皮肤和Akifumi TAKAHASHI等人：考虑多模式呈现的肌腱电刺激触觉接口173本体感受先露TES的特征在于力的呈现而不控制身体的姿势。然而，在允许用户参与任意运动的虚拟现实场景的情况下，用户的手可能在他们进行有意接触之后穿过虚拟对象。为了解决这个问题，我们计划应用肌腱振动刺激，已经发现这种刺激可以成功地引起与实际位置不同的位置感[24]，或者部分使用EMS。通过TES产生的力觉是否实际上是由于本体感受器官，特别是高尔基腱器官的贡献，目前尚不清楚，尽管初步实验表明，位于皮肤表面更深处的神经可能有助于这种效果。在未来的工作中，我们将试图阐明机制的TES诱导的力觉神经生理学方法。正如我们在引言中所提到的，我们的目标是使用TES作为力反馈装置的替代，力反馈装置通常需要空间和高成本。虽然我们展示了腕部周围的TES，但原则上TES可以在肌腱不与肌肉重叠的任何关节周围引起力觉：例如肘部和脚踝。我们认为这是特别适合的情况下，用户的运动空间是有限的，如在驾驶舱，因为TES不会引起身体运动相反，其他力反馈设备。7 结论我们研究了肌腱电刺激中的两个问题。一个是由TES引起的感觉不能表达像碰撞这样的瞬间情况，另一个是对感觉的解释在用户之间是不同的。为了解决这些问题，我们构建了一个多模态系统，结合视觉，皮肤感觉和本体感觉。使用这个系统，我们研究了力的感觉如何改变相对于力的感觉，自然性的增强，以及控制的方向和位置的应用力的大小。其结果是，我们证实的幅度和自然的力的感觉显着增加的三模态条件下相比，只有TES的条件。因此，TES似乎是一种足够有效的方法，用于呈现力感。未来的工作将解决的问题，如精细控制的方向的力的感觉和应用点的位置。引用1放大图片作者：Takahashi A，Tanabe K，Kajimoto H.肌腱电刺激中力觉与刺激参数的关系。In.新加坡：SpringerSingapore，2018，233DOI：10.1007/978-981-10-4157-0_402Tamaki E，Miyaki T，Rekimoto J. 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