体动力假肢中保持主体感的机器人辅助抓握滑移恢复研究

本文探讨了在体动力假肢（body-powered prostheses）中引入机器人辅助抓握滑移恢复功能时，辅助时机对任务表现和用户主体感（agency）的影响。研究发现，当机器人辅助的延迟时间与用户的自然反应时间（约380毫秒）对齐时，能在改善抓握性能（减少物体滑落距离）的同时，最大程度地保持用户的主体感。即使辅助行为通过体动力假肢固有的延伸生理本体感觉（Extended Physiological Proprioception, EPP）反馈被用户感知，这种时间同步性仍能提升用户对机器人合作性的感知，表明在具有物理反馈的辅助技术中，人机协同的时间匹配对用户体验至关重要。

　　

1 引言

人类在物体操作过程中能够快速响应抓握状态的意外变化，例如物体滑落时，可在50毫秒内启动补偿性局部反射。然而，对于假肢使用者而言，感官反馈减少、系统延迟和不熟悉的控制界面阻碍了这些反射动作。他们更多地依赖视觉反馈和高级认知过程来产生纠正反应，这可能导致反应时间延迟和认知负荷增加。引入无需用户意识干预的局部机器人反射，为减轻认知负荷和加速反应时间提供了潜在途径。

现有研究表明，基于反应的任务性能可以通过外部机器人辅助得到改善，且不降低用户的主体感，特别是在辅助交付时间接近用户自然反应时间时。这一发现对于上肢假肢等辅助技术具有重要意义，因为主体感有助于长期使用，而用户自然的滑移反射因反馈和本体感觉减少而受到阻碍。然而，先前的研究缺乏许多辅助设备（如体动力假肢或外骨骼，其中用户和设备物理耦合）固有的设备运动物理反馈。本研究旨在探索当这种反馈存在时，机器人辅助、性能和主体感之间的关系。

2 材料与方法

2.1 参与者

数据来自20名具有正常上肢功能的参与者（8名女性，12名男性），平均年龄26.9岁（标准差：8.09）。所有参与者均无肢体差异或截肢史，且过去未通过先前研究接触过该系统。

2.2 测试平台

为评估机器人辅助对体动力假肢性能和主体感的影响，本研究采用了适用于虚拟滑移反应任务的假肢模拟器。该测试平台由一个9字形肩带、一个桌面触觉接口和一个在虚拟环境中描述任务的实验图形用户界面（GUI）组成。阻抗型触觉接口通过用户对侧肩部的运动提供“右手”虚拟夹持器的位置控制，并基于虚拟环境中产生的抓握力提供力反馈，模拟体动力假肢的典型操作。

虚拟环境包含两个相对的夹持器手指和一个位于其间的无限长测试物体，该物体最初放置在临时“地板”上。鲍登电缆将用户的肩带连接到阻抗式触觉接口，该接口测量用户的位置输入并将力反馈输出回用户。虚拟夹持器的孔径由用户肩部输入和机器人辅助共同决定。物体的运动行为由一个简单的一维动力学模型控制，该模型根据动摩擦系数、抓握力、物体质量和重力决定物体的加速度。

2.3 机器人辅助

在实验中，机器人辅助以反射性闭合夹持器的形式引入。辅助配置文件定义为线性减少的孔径，叠加到用户的位置输入命令上。辅助由三个参数定义：1) 物体开始滑落后自动化反射开始前的延迟（t_d）；2) 辅助 ramp-up 的持续时间（t_r）；3) ramp-up 后达到的总幅度（M）。一旦辅助达到M，则在试验剩余时间内维持该水平，并在下一次试验开始前重置。通过这种方式定义辅助，为用户提供了代表与真实机器人辅助体动力假肢交互的共享控制体验。

2.4 实验程序

参与者坐下面对屏幕，佩戴肩带。每个试验包括通过闭合夹持器来阻止下落的测试物体。开始时，物体放置在会消失的地板上。参与者以处于预滑移阈值（PST）内的力轻轻抓握物体一段随机持续时间（0.5至1.5秒），以限制预期性运动。达到此阈值后，地板消失，物体开始下落。参与者被指示一旦观察到滑落就“尽可能快”地阻止物体。

为观察辅助延迟（t_d）的影响，在保持辅助持续时间（t_r = 200 ms）和幅度（M = 8 mm）不变的情况下，改变其值。实验设置了七种不同的延迟条件（从0到600 ms，以100 ms为间隔）和一个无辅助条件作为基线比较。

2.5 指标

2.5.1 任务性能指标

每个实验试验以50 Hz的速率记录力、夹持器位置和物体高度数据。通过测量物体滑落距离来评估试验性能。同时，在无辅助条件下估计每个参与者的反应时间，即物体初始滑落后抓握力增量增加超过1 N所需的时间。

2.5.2 调查指标

每个条件后，参与者回答一组调查问题。四个七点李克特问题用于评估参与者的主体感。此外，还测量了每个延迟条件下感知到的辅助水平、感知到的相对于无辅助条件在阻止下落物体方面的改进以及感知到的机器人辅助在完成任务中的合作性。

2.6 统计分析

采用混合模型回归评估辅助延迟对每个指标的影响。将辅助延迟作为主要固定效应，条件顺序（CO）和试验编号（TN）作为协变量以解释潜在的学习或疲劳效应。使用线性混合模型分析滑落距离结果，使用累积链接混合模型分析机构、感知性能、感知机器人合作和感知辅助幅度等顺序数据。

3 结果

3.1 任务性能

正如预期，较长的辅助延迟通常导致较大的物体滑落距离。参与者表现出辅助延迟对滑落距离的显著正线性效应、负二次效应、负三次效应和负四次效应。这表明滑落距离通常随延迟增加而增加，但在较长延迟下，整体斜率减小，正线性效应减弱。条件顺序对滑落距离也有显著影响，表明随着实验进行可能出现疲劳。成对检验显示，与无辅助条件相比，在500毫秒或更早时间提供的辅助能改善性能，平均滑落恢复改善范围在2.53厘米（500毫秒延迟）到25.0厘米（0毫秒延迟）之间。

在无辅助试验中，估计所有参与者的中位反应时间为380毫秒（四分位距，IQR：100毫秒）。这个平均值略长于实验室记录的视觉刺激反应时间（200-300毫秒），可能是由于用户不熟悉的肩部驱动控制模式以及肩部比通常用于反应时间测试的手或手指更大、更慢的关节所致。

3.2 受试者调查

随着辅助延迟的增加，参与者的主体感普遍改善，观察到延迟对主体感有显著的正线性效应。然而，这种增加似乎是非线性的，延迟对主体感有显著的正四次效应。这一趋势表明主体感可能在某个中间延迟处达到局部最大值。成对比较显示，虽然没有辅助条件能完全保持用户的主体感，但存在局部最大值，延迟400或500毫秒的辅助平均显示出比其他延迟条件更高的主体感。

受试者感知到在较长辅助延迟下辅助减少，并且延迟对感知辅助有显著的负线性效应和负四次效应。受试者似乎意识到机器人辅助的存在，与无辅助条件的所有成对比较均显著。然而，四次趋势和成对比较表明可能存在局部最小值，500毫秒条件平均被认为是所有辅助条件中感知辅助最低的。这一趋势与主体感的数据所示相似，表明感知辅助和主体感可能呈负相关。

受试者感知到随着辅助延迟的增加，性能下降。成对检验显示，所有辅助条件与无辅助条件相比，都改善了性能感知，即使在600毫秒延迟下没有实际性能益处也是如此。因此，仅机器人辅助的存在似乎就对用户的任务性能感知产生积极影响。

机器人辅助随着其延迟的增加，让受试者感觉更具合作性。300-500毫秒延迟条件似乎产生最强的合作感，负面响应最少。这一结果主要表明，随着延迟的增加，感知到的机器人合作性可能增加，并有一些暗示表明这种趋势可能在长延迟时趋于平稳或逆转。

当辅助在每个受试者的平均反应时间之前交付时，主体感与相对辅助时序之间存在显著的中等正相关。对于在受试者开始反应后交付的辅助，相关结果显示 marginally 显著的负趋势。这些结果表明用户和机器人之间的时间同步性与主体感正相关。

3.3 统计交互作用

观察到条件顺序与滑落距离存在显著的交互作用。这些交互系数虽然相对于固定效应系数较小，但随着时间的推移增加了延迟对滑落距离的线性效应，并减少了二次、三次和四次效应。虽然这些交互作用的确切原因尚不清楚，但怀疑受试者学习和疲劳可能起作用。

4 讨论

我们的性能和主体感结果表明，通过我们的模拟器机器人化地改善滑移反应会降低用户的主体感。这些发现再次证实了机器人辅助在共享控制系统中会降低用户主体感，并将这一观点扩展到物理人机交互场景中。然而，我们的结果也表明这种权衡取决于辅助的相对时序。我们发现，当辅助延迟与用户反应时间对齐时（即 t_d = 400 或 500 毫秒），主体感会增加。我们还表明，如果辅助延迟超过用户反应时间，主体感似乎会下降，这表明辅助与用户反应时间对齐可能对用户体验有独特的好处。

一些受试者在辅助与其反应时间对齐时报告了高主体感分数，但未能识别出辅助的存在，可能将机器人运动误认为是自己的。在辅助不被明显感知的先前工作中假设了这种现象。在这些工作中，作者提出当任务结果的反馈与用户的期望紧密对齐时，机器人辅助的行动可以被自我归因。在我们的研究中，结果表明辅助的存在很大程度上被识别，可能是由于交付给用户的辅助的物理反馈。尽管如此，受试者仍表现出高水平的主体感，尤其是在400-500毫秒延迟条件下。这些条件下的辅助，虽然可被察觉，但被受试者描述为“自然”和“同步”，并被大多数人认为是合作的。这些评论和结果表明，主体感的保留主要不是由于错误归因夹持器运动。相反，我们提出力反馈使机器人辅助变得明确，导致用户将机器人视为能够为任务结果做出贡献的共同行动者。在这种情况下，用户可能从他们对机器人意图的感知中衍生出主体感。即使辅助被注意到，主体感仍能保持高水平的另一种解释是，用户可能将设备具体化为一种工具。在这种情况下，用户可能理解机器人反射增强了设备现有的抓握可供性，并学习如何适当地利用它。然而，将设备纳入用户自身身体图式需要专业知识，这可能在我们2小时的实验中获得，也可能未获得。无论哪种情况，基于我们的结果，我们提出只要机器人同步且可预测地行动，在机器人辅助期间保留主体感仍然是可能的。

性能结果表明，即使性能得到改善，物体在停止前仍可能下落很大距离（>20厘米）。这些距离可能由于不熟悉的肩部驱动夹持器和模拟器的使用而放大，模拟器不提供物体重量和动量的反馈。考虑到这些限制，我们主要关注数据中的趋势而非实际结果。在实践中，我们期望受试者的反应时间更接近文献中发表的值，这将导致允许的滑落距离更短。在这种情况下，我们预测在较短延迟（例如200-300毫秒）提供的辅助将为用户在所有辅助条件中产生最高的平均主体感。

性能数据中存在的视觉异常值表明，所提出的对体动力抓握的辅助并不总能完全抑制滑移。我们怀疑这些结果是由于机器人辅助体动力假肢的共享控制方案。由于用户始终与末端执行器机械耦合，他们可以通过自己的运动抵消所提供的辅助，从而降低系统的整体有效性。因此，持续改进的性能需要用户一定程度的合作，从而需要了解系统，以避免无意中削弱辅助的效果。

通过任何延迟的辅助感知到的性能改善可能会带来积极的结果，如增加动机和信心，即使辅助没有改善实际性能。然而，与先前工作的发现不同，感知或实际性能的改善并未改善本研究中的主体感。在提到的研究中，受试者可能专注于外部线索（如任务性能）来建立主体感，因为动作-反馈比较因缺乏触觉反馈和控制方案（例如，输入延迟）的干扰而复杂化。另一方面，体动力假肢为用户提供了直接的控制和固有的反馈，允许进行清晰的动作-反馈比较以建立主体感，从而减少对外部线索的依赖。与类似发现一致，我们发现对无辅助设备的强烈主体感阻止了主体感随着性能提高而改善。

尽管与测量的反应时间对齐的辅助可以改善滑移抑制并保持用户的主体感，但受试者表示其他时序也可能有好处。对于很少或没有延迟提供的辅助，一些参与者注意到其减少了必要的用户努力，尽管其他人报告对缺乏控制感到不满。最延迟的辅助收到了积极的评论，多个受试者报告了一种控制感，并且辅助响应他们的运动以提供支持。综合来看，这些结果表明用户对机器人辅助的满意度可能更细微，取决于个体用户偏好。

4.1 局限性与未来工作

本研究样本为20名个体，平均年龄相对较低且无肢体差异。虽然这个新手用户群体可以提供对刚接触肢体缺失个体体验的洞察，但它阻止了我们了解长期假肢使用者和不太熟悉机器人系统的不同年龄群体的体验。未来需要对更广泛人群的更多参与者进行研究，并包括假肢使用者，以推广本工作的结果。

我们的实验设计平衡了实验分辨率和广度，这导致了一些局限性。我们对延迟条件的选择阻止了我们使用能够对最佳辅助时序做出精确结论的方法论，以及捕获辅助远晚于用户反应时间的事件。延迟的范围和粒度可以扩展以获得更详细和全面的所有指标趋势。此外，受试者仅与一组物体属性（例如，质量、大小和刚度）用于一个不可破坏的物体以及一组辅助幅度（M）和斜坡时间（t_r）值进行交互。缺乏物体可破碎性或任何其他鼓励的抓握力限制意味着过度抓握可能发生而没有惩罚。过度抓握是当辅助像在我们的设置中那样添加到用户运动时需要考虑的重要结果，应在未来工作中进行研究。不同的辅助参数可能影响辅助的有效性或可感知性，并且用户对辅助行为的偏好可能因物体类型而异。未来工作应探索替代的辅助设计，以及用户专业知识和设备指令等因素如何影响各种任务中辅助的有效性。

本工作中使用的测试平台隔离了体动力假肢操作的力和本体感觉反馈。然而，虚拟环境不提供测试物体的重量或动量感觉，这已被证明会影响反应时间和补偿策略。机电系统也比体动力设备中存在的纯机械连接引入了更多延迟并表现出更低的精度。未来工作将寻求在物理机器人增强的体动力设备中实现机器人滑移反射，并评估使用物理设备如何影响性能和主体感的趋势。

虽然我们的发现对于在可穿戴设备中引入物理可感知的辅助很有希望，但我们承认受试者在我们的研究中接收到的反馈形式对于体动力假肢是独特的。将我们的结果转化为具有不同控制和反馈路径的其他设备需要未来的研究。

5 结论

在这项工作中，我们使用带有机器人滑移反射的桌面体动力假肢模拟器，探索了自动化辅助延迟对任务性能和用户主体感的影响。我们发现，当机器人辅助的提供时间更接近受试者反应时间时，感知到的主体感增加，并且仍然能获得性能益处。即使受试者通常通过系统中的力反馈识别到辅助的存在，并感知到性能的改善，这种情况也会发生。定性结果表明，当在这些延迟提供辅助时，受试者感觉与辅助“同步”。我们的发现为未来机器人辅助的设计提供了独特的考虑因素，特别是对于像体动力假肢和外骨骼这样的体接地辅助技术，其中机器人运动无法被掩盖。在这些情况下，我们提出反应时间对齐的辅助作为一种有前途的方式，以最小的用户主体感减少来改善基于反射的性能。