NeglectARm3D：用于单侧空间忽略三维评估的机器人与虚拟现实平台

《Frontiers in Robotics and AI》：NeglectARm3D: a robotic and virtual reality platform for the three-dimensional assessment of unilateral spatial neglect

　　

单侧空间忽略（Unilateral Spatial Neglect, USN）显著影响卒中后功能结局，然而传统评估方法主要依赖二维（two-dimensional, 2D）纸笔任务，无法捕捉该障碍在三维（three-dimensional, 3D）空间中的复杂性，尤其是深度维度的作用。本文介绍NeglectARm3D，一个用于USN客观、可重复3D评估的平台，它将7自由度（degrees of freedom, DoF）力矩控制机器人（Franka Research 3）的精确运动学与力测量和商用头戴式显示器（Meta Quest 3）的沉浸式3D刺激呈现相结合。笛卡尔可变阻抗控制器允许参与者自由伸向随机3D目标（阶段1，受试者主导），实现体积探索图的重建，并引导向被忽略目标的平滑触觉引导（阶段2，机器人主导）。作为临床部署的第一步，研究人员在十二名健康成年人中评估了该平台的技术行为、安全性和耐受性，他们执行三十次伸向轨迹（阶段1二十次，阶段2十次）。系统保持了自然运动速度（0.10±0.02对0.10±0.01 m/s），在自由伸向中获得较大位置误差（32.46±14.71 mm），而机器人引导收敛更精确（3.01±0.43 mm），交互力更低（4.96±0.84对2.59±0.32 N），并维持了生理性运动平滑度（SPARC ?1.87±0.29对?1.63±0.32，基准?1.40）。可用性高（系统可用性量表85.60±8.10），模拟器病各分量表均较低，所有参与者均报告无疼痛和无危险感知。这些结果支持该集成平台在健康成年人中的技术可行性和短期耐受性，并为后续在USN卒中幸存者中的临床和心理测量学评估提供了依据。

**NeglectARm3D平台：融合机器人与虚拟现实的单侧空间忽略三维评估新方法**

**一、研究背景与现存问题**

单侧空间忽略（Unilateral Spatial Neglect, USN）是一种对病灶对侧空间刺激无法报告、响应或定向的障碍，并非由原发性感觉或运动缺陷所致。该病常见于右侧半球脑损伤，尤其与脑梗死或脑出血相关，急性期右侧半球卒中幸存者中高达三分之二受影响。USN显著损害康复进程和功能恢复，降低生活质量，并可能涉及个人空间、近体空间和远体空间的多个空间域，且在不同空间域、参照框架和感觉模态之间存在分离现象。然而，当前临床实践中的评估与治疗主要依赖二维（two-dimensional, 2D）纸笔任务（如线段等分和删除任务），这些工具仅在一个额平行平面内运作，生态效度有限，无法反映真实世界功能所依赖的三维（three-dimensional, 3D）空间交互。尤为关键的是，近空间与远空间的行为可以相互分离，忽略程度可沿深度轴变化，但深度维度在常规USN评估中几乎未被考虑。此外，尽管机器人技术能够提供客观、可重复的运动学和交互力测量，但在USN文献中几乎仅用于治疗而非评估；同时，尚无任何系统将力矩控制机械臂与沉浸式虚拟现实（Virtual Reality, VR）相结合来表征整个可触及体积内作为3D位置函数的忽略。这三个关键缺口构成了本研究的主要动机。

**二、研究目的与意义**

为弥合上述空白，研究人员开发了NeglectARm3D平台，该平台将末端执行器机器人Franka Research 3与沉浸式VR头显Meta Quest 3整合，旨在实现量化的3D空间忽略图谱构建，尤其关注深度维度。本研究作为临床部署前的初步技术验证，在健康成年人中评估平台的技术可行性、引导精度、交互安全性与可用性，并建立规范的、深度分辨和侧别分辨的伸向运动学基线。论文发表于《Frontiers in Robotics and AI》。

**三、主要技术方法**

研究采用Franka Research 3（7自由度力矩控制机器人，配备手柄）与Meta Quest 3头显构成硬件平台，虚拟场景由Unity3D开发，机器人通信基于机器人操作系统（Robot Operating System, ROS 1 Noetic）。坐标映射通过固定刚体变换校准物理机器人坐标系与虚拟世界坐标系，确保视觉—本体感觉一致。控制采用笛卡尔可变阻抗控制器，通过调节笛卡尔刚度分别实现两种模态：阶段1刚度K=0，呈透明模式，由受试者主导自由伸向20个随机3D目标；阶段2刚度K=80 N/m，由机器人主导提供平滑引导，伸向10个目标。评估指标包括平均速度、位置误差、平均交互力及运动平滑度（Spectral Arc Length, SPARC，基于速度谱的负值指标），辅以系统可用性量表（System Usability Scale, SUS）、模拟器病问卷（Simulator Sickness Questionnaire, SSQ）及自编舒适度与安全问卷。受试者为12名健康成年人（8男4女，平均年龄28.2±3.3岁），均用优势手完成任务。统计分析采用Wilcoxon符号秩检验、Friedman检验及Spearman相关。

**四、研究结果**

**3.1 3D工作空间探索**
通过记录十二名参与者的伸向轨迹，系统成功采样了可触及工作区的侧向、垂直和深度维度。每位参与者的阶段1伸向端点凸包平均探索体积为1.25×10⁷±2.6×10⁶ mm³，证实平台能够引发并记录覆盖整个目标体积的3D伸向。

**3.2 伸向性能与交互**
阶段1与阶段2的平均末端速度几乎一致（0.10±0.02对0.10±0.01 m/s），说明机器人引导保留了自然运动速度。自由伸向位置误差为32.46±14.71 mm，而引导收敛误差约小一个数量级（3.01±0.43 mm）。平均交互力从阶段1的4.96±0.84 N显著降至阶段2的2.59±0.32 N。SPARC值分别为?1.87±0.29和?1.63±0.32，后者更接近基准?1.40，表明引导模式在不引入抖动的前提下平滑了速度波动。

**3.3 规范深度和侧别分辨运动学**
随目标深度增加，运动时间从2.68 s单调增至3.40 s（Friedman检验p=0.013），而速度和平滑度梯度较弱且不显著。伸向精度在身体中线两侧对称（32.90对32.30 mm，p=0.85），建立了健康成人左右对称的规范基线。右侧速度与运动时间的轻微优势归因于右手优势及固定目标集的侧向分布不平衡。

**3.4 可用性**
SUS平均得分为85.60±8.10，处于“优秀”区间，所有十二名参与者得分均超过标准可接受阈值68（最低70.00，最高97.50）。

**3.5 耐受性**
SSQ各分量表均较低，最高均值出现在一般疲劳和视觉疲劳（0.67），其次为视物模糊（0.50），无参与者因症状中断会话。

**3.6 舒适度和人体工学**
视觉清晰度评分最高（4.58/5），手柄舒适度（4.33）和头显舒适度（4.17）次之，感知疲劳较低（2.42）。

**3.7 交互与安全**
所有参与者（100%）报告无疼痛和无危险感知，83.33%参与者报告未察觉手部运动与系统响应之间的延迟。

**五、讨论与结论**

讨论部分指出，引导模式在保持速度的同时提高了平滑度，且交互力降低幅度最大（Cohen's d_z=2.60），这一力级量化是纯VR系统无法提供的，也是物理耦合于患者手部的设备必须保障的安全性指标。高可用性和低晕动症共同满足了患者研究的耐受性要求。与现有技术相比，NeglectARm3D同时在三个维度上实现了差异化：评估而非治疗、采样深度的3D体积、力级传感与引导，为理解忽略的空间结构提供了更丰富的测量。局限性包括样本仅限健康成人、深度与伸向距离存在混淆、目标仅覆盖近体空间、缺乏2D对照条件等。未来研究需在USN患者中验证3D忽略图谱的诊断价值，并与行为注意障碍测试和凯瑟琳·贝尔戈量表等标准量表进行效度对照。总之，本研究属工程和人为因素验证，而非USN评估的临床验证，但该系统针对现有技术中的具体缺口提供了解决方案，并为计划中的临床研究奠定了方法论基础，届时将深度分辨的机器人忽略图谱的诊断价值对照标准临床量表进行检验。