手掌上对两个连续矩形刺激的辨别阈值 小岛真由香（Mayuka Kojima） 山本昭夫（Akio Yamamoto）

《Multimodal Technologies and Interaction》：The Discrimination Threshold on the Palm for Two Successive Rectangular Stimuli Mayuka Kojima and Akio Yamamoto

　　**摘要**
本研究通过使用两个连续的矩形刺激物来探究手掌的触觉空间分辨能力。虽然经典的触觉分辨能力研究主要集中在点状或圆形刺激上，但对于矩形刺激物的放置方式和几何形状如何影响空间分辨能力却知之甚少。我们使用了三个矩形刺激物，在沿着近端-远端轴对齐的五个手掌区域测量了连续两个刺激物的辨别阈值。参与者将一个固定的参考刺激物与一个可变的比较刺激物进行比较，记录下两个刺激物被感知为位于不同位置时的最小分离距离作为阈值。所有实验条件下的平均阈值约为5.2毫米。该阈值在手掌不同区域存在系统性的差异，手掌数字皱褶和手指基部附近的阈值最小。在手掌中央区域，刺激物宽度的变化对阈值的影响比长度变化更为明显。这些结果将触觉空间分辨能力的研究范围扩展到了点状刺激之外，并为基于手掌的触觉设备的设计提供了参考。

**1. 引言**
触觉反馈在虚拟现实（VR）、远程操作、感官替代和交互系统中越来越受到重视，它可以补充或替代视觉和听觉通道[1,2,3]。特别是在感官替代方面，当视觉不可用或受限时，触觉刺激长期以来一直被研究作为通过皮肤传递空间信息的方式[1]。在工程应用中，触觉反馈也被用来支持手持式和可穿戴系统中的交互[2,3]。设计这类界面需要基于感知的知识，了解用户能够多准确地区分皮肤上的触觉事件，因为可用的空间分辨能力取决于身体位置和接口处的接触力学[4,5,6]。Lederman和Klatzky强调，触觉感知强烈依赖于感官信号与探索性接触条件之间的相互作用[5]。因此，触觉界面的空间性能不能仅通过执行器的间距或设备几何形状来确定，还必须从用户感知的角度进行评估[3]。在作为触觉界面候选的部位中，手掌尤为重要，因为它在手持交互中起着核心作用。然而，尽管手掌在实际交互中具有重要意义[7,8]，但在基础的心理物理学研究中却较少受到关注。与指尖刺激不同，实际设备中的手掌刺激通常是通过区域刺激物而非点状接触实现的。在这种情况下，触觉空间分辨能力不能仅从感受器分布来推断，因为它还受到刺激物大小、形状和手-设备交互过程中接触条件的影响[5,6]。因此，在真实的接触条件下测量不同大小和形状的刺激物的手掌触觉空间分辨能力是重要的。
在这项研究中，我们使用两个连续的矩形刺激物来量化手掌的触觉空间分辨能力。具体来说，我们测量了手掌不同位置的连续两个刺激物的辨别阈值。这一测量方法与经典的点定位相似，即判断两个连续的接触是否发生在不同的位置[4,5]，但在这里是为更适合基于手掌的触觉接口的矩形刺激物量身定制的[7,8,9]。矩形刺激物特别有趣，因为它们非常适合于设计用于稳定抓握的圆柱形设备的外表面。它们也代表了实际基于手掌的接口中使用的区域刺激物，其中接触通常是通过平坦或延长的表面而不是理想化的点接触实现的。因此，研究这类刺激物的空间分辨能力对于连接经典的触觉心理物理学和现实握持型触觉设备的设计非常重要。

尽管具有这种重要性，大多数经典的阈值研究都集中在点状或圆形刺激物上。相比之下，许多实际的手掌界面使用的是矩形或其他区域刺激物[7,8,9]。此外，这种矩形刺激物在手掌上的连续空间分辨阈值尚未在一个共同的协议下系统地量化，跨越多个手掌区域。因此，经典的触觉空间分辨能力心理物理学知识与当代基于手掌的触觉接口的设计要求之间存在差距。
本研究有三个主要贡献：首先，我们定义并量化了手掌上矩形刺激物的连续两个刺激物的辨别阈值；其次，我们比较了沿着近端/远端轴对齐的五个手掌区域的这一阈值，并确定了与刺激物放置相关的区域差异；第三，我们研究了刺激物几何形状的影响，发现手掌中央区域的刺激物宽度会影响辨别能力，而刺激物长度则没有明显的影响。

**2. 触觉刺激设备**
为了测量手掌的触觉空间分辨能力，本研究使用了之前开发的圆柱形握持型触觉设备[9]。本节重点介绍了与该阈值评估直接相关的设备性能特性。该握持型设备具有阶梯状的圆柱形状，如图1所示。较窄的圆柱部分（即握持部分）内装有由电机驱动的刺激物，该电机安装在一侧较宽的圆柱体内。握持部分的直径为50毫米，其表面覆盖着1毫米厚的黑色橡胶片。在橡胶片下方，握持部分有一个大约180°的开口，通过这个开口，可更换的矩形刺激物可以径向伸出以实现触觉刺激。伸出的行程约为10毫米，最大力为15牛顿。刺激物还可以沿周向移动，从而刺激手掌的不同区域。旋转行程大约为150°。

**2.1. 对人体手的力响应**
在后续的辨别测试中，使用步进力指令来控制刺激物的径向运动以刺激手掌。因此，了解刺激物对力指令的响应非常重要。如图2a所示，测量了当人类实验者握住设备时，从0牛顿上升到5牛顿的上升步骤和从5牛顿下降到0牛顿的下降步骤的响应。输出力是通过安装在刺激物下方的光电中断器来估计的[9]。刺激物由一个弹簧支撑，弹簧的位移被认为与输出力成正比，并通过光电中断器进行监测。

**2.2. 定位精度**
刺激物设计为可以使用RC伺服电机（KRS-3204R2 ICS，Kondo Kagaku Co., Ltd.，东京，日本）沿周向旋转。定位精度在辨别测试中非常重要，因此在本研究中进行了研究。图3展示了测量设置。设备固定在一个平板上，橡胶盖被移除，刺激物的位置被初始化在开口的中心。然后，伺服电机被赋予一个往返步进指令，使刺激物从中心向外旋转，然后再旋转回到初始中心位置。使用激光位移传感器（LK-G85 + LK-G3000V，KEYENCE Corporation，大阪，日本）测量了往返运动开始和结束时的刺激物垂直位置，该传感器的测量范围为±1毫米。从测得的垂直位移可以评估旋转定位精度，假设在测试的有限范围内垂直位移能够很好地近似旋转位移。

**3. 实验**
使用握持型触觉设备，我们测量了两个连续矩形刺激物的辨别阈值。具体来说，我们测量了手掌不同位置的连续两个刺激物的辨别阈值。这一测量方法与经典的点定位类似，即判断两个连续的接触是否发生在不同的位置[4,5]，但在这里是为了更适合基于手掌的触觉接口而调整的[7,8,9]。矩形刺激物特别有趣，因为它们非常适合于设计用于稳定抓握的圆柱形设备的外表面。它们也代表了实际基于手掌的接口中使用的区域刺激物，其中接触通常是通过平坦或延长的表面实现的，而不是理想的点接触。因此，研究这类刺激物的空间分辨能力对于连接经典的触觉心理物理学和设计真实的握持型触觉设备非常重要。

尽管如此，大多数经典的阈值研究都集中在点状或圆形刺激物上。相比之下，许多实际的手掌界面使用的是矩形或其他区域刺激物[7,8,9]。此外，尚未在一个统一的协议下系统地量化过手掌上这类矩形刺激物的连续空间分辨阈值，跨越多个手掌区域。因此，经典的触觉空间分辨能力心理物理学知识与当代基于手掌的触觉接口的设计需求之间存在差距。

**3.1. 设置和条件**
测量在手掌的五个区域进行，如图5所示，使用了三种不同大小的刺激物，如表1所示。区域1至区域5分别位于手掌中央的拇指球部（靠近掌纹的近端和远端）、掌指关节（MCP关节）、掌纹以及近端指骨周围。图5展示了本实验中用于测量辨别阈值的靶区域。区域1位于拇指球部周围，区域2位于手掌中央，区域3位于掌指关节（MCP关节）周围，区域4位于掌纹周围，区域5位于近端指骨周围。箭头表示近端方向（朝向手腕）和远端方向（朝向指尖）。表1列出了本实验中使用的刺激器。刺激器S1被用作标准刺激器；刺激器S2和S3的面积是S1的一半，通过将长度或宽度减半来实现。每个刺激器的边缘都被圆角处理到2毫米的半径，以避免在边缘处产生压力集中。其中，S1的宽度为12毫米，长度为35毫米，被用作本研究的标准。刺激器S2的宽度减半，S3的长度也减半。由于S2和S3的接触面积约为S1的一半，在施加相同力量时，它们的平均压力大约是S1的两倍。

实验招募了12名参与者（11名男性和1名女性），他们来自东京大学的学生群体，且与作者的实验室无关。所有参与者都身体健康、为右撇子，年龄在23至49岁之间（平均年龄=26.5岁，标准差=7.3岁）。他们之前没有使用过本研究中使用的触觉设备的经验，尽管也没有评估他们使用其他触觉设备的经验。参与者的数量是根据之前涉及类似样本量的触觉心理物理学研究预先确定的[11,19,20,21,22]。所有测量都在普通的室内实验室环境中进行。

在实验中，参与者如图6所示采取坐姿。他们用右手握住设备的橡胶覆盖部分，肘部放在桌上，并用左手操作鼠标进行回答。在刺激呈现期间，他们被要求闭上眼睛或注视电脑屏幕。为了减少疲劳，设备在水平平面内被调整到每个参与者都感到舒适的位置。

对于每位受试者，分别测量了结合不同靶区域和刺激器的八种条件下的辨别阈值，如表2所示。在测量过程中，矩形刺激物依次在固定的参考位置和每次都变化的比较位置呈现。然后，受试者比较这些刺激物并回答它们的位置关系。

在每种条件下开始时，参与者调整设备角度，使位于开口中心的刺激器与手掌上的目标测量区域对齐。无论测量区域如何，握持姿势保持不变。接下来的程序重复进行以下步骤：
- 刺激器收回，并将旋转位置重置到中心位置。
- 通过施加5牛顿的力步长命令，将参考刺激物伸出1.5秒后收回。
- 刺激器在收回状态下移动到随机位置。
- 刺激器在收回状态下移动到比较位置。
- 通过施加5牛顿的力步长命令，将比较刺激物伸出1.5秒后收回。
- 刺激器在收回状态下移动到随机位置。
- 受试者比较参考刺激物和比较刺激物的位置，并用鼠标回答问题。

在步骤2和步骤5中，考虑到力的上升时间约为0.5秒，1.5秒的刺激周期被设定为允许1秒的恒定力刺激时间。1秒的刺激时间借鉴了之前测量两点辨别阈值的研究[11,13]。

我们指导参与者不要紧握设备，以便在步骤3、4和6中无法感觉到刺激器的旋转运动。然而，如果参与者通过橡胶片感觉到刺激器的移动，则在步骤3和6中加入随机移动。由于没有定量监测握力，因此这可能导致个体间的差异。

问题是一个有多个选项的选择题，询问比较刺激物的位置是（1）在手腕侧感觉到，（2）在同一位置感觉到，还是（3）在手指侧感觉到，与参考刺激物相比。如果他们对答案不确定，可以随意多次体验刺激物。此外，为了使比较操作更加顺畅，参与者在开始实验前多次练习了比较过程。上述程序通过改变比较位置重复进行，直到确定阈值。对于每种条件，阈值在近端和远端两个方向上分别进行测量。完成一个条件的实验后，参与者休息1分钟；前四个条件完成后，休息5分钟。八种条件的顺序对每位受试者都是随机设定的。

为了确定每种条件下的阈值，使用双楼梯方法改变比较位置，通过交替呈现两个逐步序列来防止参与者预测下一个刺激物的位置[23]。这两个序列分别称为序列A和B，如图7所示。对于每位受试者，首先测量近端侧，然后测量远端侧。近端侧和远端侧的设置相对于参考位置是对称的。

在每种条件下，阈值在两个方向上分别测量，图示说明了两种测量的协议。绿色轨迹代表序列A，蓝色轨迹代表序列B。带圈的数字表示用于阈值计算的数值顺序，未带圈的数字表示未用于阈值计算的呈现数值顺序。图例中的箭头符号表示升序和降序序列。“远端阈值”和“近端阈值”阴影带示意性地表示确定了相应阈值的区域。以下以近端侧为例详细说明程序：在序列A中，比较位置从远离参考位置的位置开始（大约距离参考位置8.8毫米至10.3毫米），然后以约0.74毫米的步长逐渐靠近参考位置。当受试者的回答变为“在同一位置感觉到”或“在手指侧感觉到”时，记录该位置，并将楼梯方向反转。在修改后的序列中，如果回答变为“在手腕侧感觉到”，则再次记录位置并改变方向。在序列B中，比较位置从参考位置开始，然后移动到序列A的起始位置。其余协议与序列A相同。这两个序列中的刺激物交替呈现。当序列A和B都发生了12次反转时，实验结束。计算A序列和B序列的十二个阈值的平均值，最后将A序列和B序列的阈值平均值记录为该条件的阈值。每个实验条件的总试验次数（比较次数）在56次到99次之间。

测量阈值的平均值和标准误差（SE）总结在图8中。所有实验条件下两种连续刺激物的总体平均辨别阈值约为5.2毫米。图8显示了每种实验条件下两种连续刺激物的平均辨别阈值及其标准误差（SE）。蓝色条形和线条代表近端侧，绿色条形和线条代表远端侧，红色条形和线条代表两者的平均值。测量阈值分别对固定刺激器条件（C1至C5）和固定区域条件（C6至C8）进行了分析。由于Shapiro-Wilk检验拒绝了正态性假设（p<0.05），在进行5%显著性水平的双因素重复测量方差分析（ANOVA）之前，我们应用了对齐秩变换（ART）[24,25]。

ANOVA的结果显示在表3中。对于固定刺激器形状条件（C1至C5），ANOVA的因素是测量区域和参考位置的近端/远端侧。对于固定测量区域条件（C6至C8），ANOVA的因素是刺激器形状和参考位置的近端/远端侧。表3展示了分为固定刺激器形状条件（C1至C5）和固定测量区域条件（C6至C8）的两因素ANOVA结果。使用了测量区域、刺激器形状和参考位置的近端/远端侧作为因素。事后多重比较使用Holm的逐步下降法进行。多重比较的结果显示在图8中。对于固定刺激器形状条件，除了区域2和3之间的比较外，所有测量区域的组合都观察到了显著差异。此外，区域2和3的近端/远端侧也观察到了显著差异。对于固定测量区域条件，除了S2外，近端/远端侧也观察到了显著差异。

在五个测量区域和三种矩形刺激器形状中，连续空间分辨率的总体平均阈值约为5.2毫米。这个数值接近Weinstein报告的男性手掌的经典点定位阈值5.5毫米[4]。这一结果表明，在这里测试的范围内，手掌的触觉空间分辨率即使在对于矩形刺激物时也保持在相似的尺度上。从设计角度来看，这个共同的尺度意味着大约5毫米的空间分离可以作为一个有用的初始参考值，然后可以根据手掌区域和刺激器几何形状进行细化。之前对该设备的评估也支持了在该研究相关操作条件下的触觉输出的稳定性和可感知性[9]。在那项评估中，该设备在设计的0毫米至10毫米行程范围内产生了超过10牛顿的最大推力，显示出在多个刺激器位置上的大致线性稳态力控制，并且在0牛顿至10牛顿步长输入下的平均上升时间为0.090秒。此外，在使用相同设备的人体实验中，参与者在同时对手掌施加正常压力的情况下，以94.5%的准确率正确识别了切向皮肤拉伸刺激物的预期方向[9]。这些结果表明，在测试范围内，设备输出足够稳定，触觉信号在实际握持条件下仍然可以清晰感知。在重复条件C2和C6中获得的相似阈值与这种解释一致，尽管它们并不构成正式的可靠性分析。除了整体阈值大小之外，还观察到了不同手掌区域的系统差异。当刺激器形状固定为S1时，阈值从小到大的顺序为4区、5区、2区、3区和1区。4区的较低阈值可能反映了手掌数字皱褶在连续位置判断过程中提供了一个显著的解剖学标志。5区也表现出较低的阈值，这与先前的研究结果一致，即手指基部附近的触觉敏锐度高于手掌中央[12]。这些模式可能反映了局部触觉敏感性的差异，尽管当前的实验并未设计来直接测试这些机制[26,27]。当综合考虑条件C1至C5时，近端侧刺激和远端侧刺激的测量阈值之间没有显著差异，但测量区域与近端/远端侧之间的交互作用是显著的。这一结果表明，哪一侧产生较低的阈值取决于测量区域。换句话说，手掌上的空间分辨率似乎是局部结构的，因此在考虑刺激器放置时应考虑这种局部结构。

刺激器几何形状的影响较为有限，但仍具有一定的信息价值。在固定区域条件C6至C8中，S2的近端阈值与S1和S3的阈值有显著差异，而改变刺激器长度并未产生明显的效果。此外，C6至C8中的近端阈值倾向于小于远端阈值，这表明手掌中央的敏感度模式是不对称的。这种模式表明，手掌中央的辨别能力不仅受接触面积影响，还受矩形刺激相对于判断方向延伸方式的影响。因此，在当前的实验范围内，对于手掌中央的连续空间分辨率而言，刺激器宽度似乎比长度更重要。

需要指出几个局限性。首先，参与者样本规模相对较小且人口统计学分布不均衡，样本由12名右利手成年人组成，其中大多数为男性，并来自同一所大学。因此，目前的结果应被视为在当前实验条件下的初步特征描述，而不是普遍人群的规范值。其次，尽管测量是在实际握持条件下进行的，但并未定量控制握力。第三，温度、湿度、电磁干扰和长期漂移的影响没有系统地进行评估。未来的工作应在更大和更多样化的样本中探讨这些因素，并测试环境和机械因素如何影响这里报告的感知阈值。

除了这些局限性之外，矩形手掌刺激的一个重要潜在应用是伪力呈现，即手掌刺激能够诱发类似力的感知[17]。本研究仅关注了皮肤刺激本身的空间分辨率，并未评估这种刺激所诱导的伪力的感知属性。因此，未来一个有趣的研究方向将是探究使用矩形刺激器在手掌上时，能够多准确地辨别出诱导伪力的方向。这样的研究有助于将关于手掌触觉空间分辨率的基本知识与基于手掌的伪力界面设计联系起来。

6. 结论

在这项研究中，我们使用圆柱形握持式触觉设备量化了手掌上矩形刺激的连续双刺激辨别阈值。在五个测量区域和三种刺激器形状下，整体平均阈值约为5.2毫米，这表明大约5毫米的空间分离可以作为使用矩形刺激器的基于手掌的触觉界面的初始设计参考。然而，阈值在空间上并不均匀。4区（靠近手掌数字皱褶）和5区（靠近手指基部）的阈值较低，而虎掌区域的阈值较高。此外，在手掌中央，刺激器宽度影响了辨别能力，而刺激器长度则没有显示出明显的影响。总的来说，这些发现表明，手掌触觉界面的设计应同时考虑通用阈值范围以及区域和几何形状依赖的优化。未来的工作还应研究使用矩形手掌刺激的应用-oriented感知任务，特别是能够多准确地辨别出诱导伪力的方向。