HaptEx：研究外骨骼在不同驱动水平下的触觉通知通道

文献标题

HaptEx: Investigating Haptic Notification Channels for Exoskeletons Across Different Levels of Actuation

出版信息

• 主题领域: 人体与外骨骼交互中的触觉反馈
• 关键词: 触觉反馈, 外骨骼, 本体感觉通知, 热反馈, 振动反馈, 戳刺反馈, 驱动水平, 人机交互, 可察觉性, 紧迫性

背景与问题

• 问题/挑战: 现有关于触觉反馈的研究主要集中在低运动环境中，尚未深入研究当身体被外骨骼主动驱动时触觉通知的表现。在这种情况下可能会出现感官冲突和掩蔽效应，从而影响通知的可靠性和可察觉性。
• 重要性: 有效的触觉通知对于向外骨骼用户传递系统状态信息至关重要，尤其是在安全关键或高风险场景中，而无需依赖视觉或听觉通道。
• 动机与相关研究: 先前的研究探讨了可穿戴设备的各种触觉模式，但很少涉及外骨骼等主动场景。本研究通过系统评估四种触觉通知通道在不同驱动水平下的表现来填补这一空白。

解决方案

• 提出的方法: 本研究探讨了四种触觉通知通道（戳刺、本体感觉、热反馈、振动反馈）在肩部外骨骼中不同驱动水平（无、中等、强）的表现。
• 创新点:
  1. 系统比较了在主动外骨骼驱动下的触觉通知通道。
  2. 阐明了驱动水平对可察觉性、错误率和响应时间的影响。
  3. 提供了用户偏好、紧迫性感知和任务干扰的洞察。
  4. 提出基于紧迫性和驱动情境选择触觉通道的设计建议。
• 实验流程与关键技术:
  • 参与者使用肩部外骨骼执行重复的搬箱任务。
  • 通知通过四种触觉模式传递，并测量其可察觉性、错误率、响应时间和用户体验。
  • 实验采用被试内设计，24名参与者在平衡条件下完成实验。
  • 分析定量数据（如响应时间、错误率）和定性反馈（如访谈）。

结果

• 具体发现:
  • 戳刺反馈的响应时间最快（0.83–0.86秒），但错误率高于本体感觉和热反馈。
  • 本体感觉和热通知的错误率最低（0–6%），且可察觉性评分最高。
  • 振动反馈的错误率最高（47–71%），尤其在驱动情况下最不易察觉。
  • 驱动水平显著影响错误率和可察觉性，但对响应时间无显著影响。
• 相较基线的优势:
  • 热反馈最为独特且舒适，避免了与外骨骼驱动的感官重叠。
  • 本体感觉反馈传递了最高的紧迫性，但对任务表现干扰最大。
  • 戳刺反馈适合快速警报，但偶尔会出现感知混淆。
• 实验/评估:
  • 24名参与者（平均年龄26.3岁）每人完成36次试验，涵盖四种触觉模式和三种驱动水平的所有组合。
  • 因变量包括响应时间、错误率和主观评分（如可察觉性、紧迫性、舒适度）。
• 局限性与未来工作:
  • 仅限于四种触觉模式和单一外骨骼设计。
  • 在受控实验室环境中进行，未测试现实因素如环境温度和衣物影响。
  • 未来工作可探索更多触觉模式、更丰富的通知编码，以及其他外骨骼设计和身体部位的适用性。

总结

本研究系统评估了肩部外骨骼中四种触觉通知通道（戳刺、本体感觉、热反馈、振动反馈）在不同驱动水平下的表现。结果显示，热反馈和本体感觉通知最为可察觉且准确，其中热反馈最舒适，本体感觉反馈传递了最高的紧迫性。戳刺反馈响应最快但偶尔出错，而振动反馈在驱动情况下效果最差。研究结果强调了选择与驱动引起的感官干扰区分明显的触觉通道的重要性。建议将热反馈和振动反馈用于非紧急通知，而将戳刺或本体感觉反馈用于紧急警报。这些洞察为设计有效的人体与外骨骼交互提供了基础。