表面觸覺再現(xiàn)技術(shù)現(xiàn)狀和評估方法

燕學(xué)智， 李瑞格， 武秋爽

(吉林大學(xué) 通信工程學(xué)院, 長春 130022)

近年來，智能手機、平板電腦等多媒體終端日益普及，成為應(yīng)用最為廣泛的人機交互媒介[1]，觸摸屏技術(shù)也成為當下最為普遍的交互方式之一。然而，絕大多數(shù)觸摸屏操作依賴于視覺和聽覺[2-3]，僅有大約15%的信息來自觸覺，相比于視聽交互技術(shù)的迅速發(fā)展，觸覺交互技術(shù)研究仍處于起步階段。觸覺反饋的缺失會降低操作效率和用戶體驗[4]，限制觸摸屏產(chǎn)品在嘈雜和視覺障礙環(huán)境中的應(yīng)用。

2001年，Robles-de-la-Torre和Hayward[5]在Nature上撰文證明人類對物體形狀的觸覺感知取決于手指受到的作用力，為觸覺再現(xiàn)技術(shù)的實現(xiàn)提供了重要的理論依據(jù)。早期的觸覺再現(xiàn)研究主要針對間接式力觸覺反饋技術(shù)，研究者主要通過鼠標、機械臂、指點桿等媒介間接控制力觸覺感知。典型應(yīng)用包括Rosenberg和Brave[6]的力反饋操作桿、Sensable公司的筆式觸覺再現(xiàn)設(shè)備(Phantom設(shè)備)和IBM公司[7]的trackpoint力反饋設(shè)備等。上述力觸覺再現(xiàn)設(shè)備能夠產(chǎn)生幾牛頓量級的觸覺感知，模擬多種觸覺感受，在機器人遙操作、軍事、醫(yī)學(xué)等方面發(fā)揮了重要作用[8]。然而，該類設(shè)備的觸覺接口與視覺接口分離，難以再現(xiàn)復(fù)雜精細的特性信息[9]，在多目標復(fù)雜任務(wù)中甚至?xí)蓴_目標選擇，且裝置體積較大，攜帶不便，難以與現(xiàn)有的多媒體終端產(chǎn)品結(jié)合應(yīng)用。相比之下，表面觸覺再現(xiàn)技術(shù)具有體積小、功耗低、集成性高等優(yōu)勢，易與現(xiàn)有觸摸屏產(chǎn)品集成應(yīng)用，成為多媒體終端觸覺再現(xiàn)的最佳選擇。

表面觸覺再現(xiàn)技術(shù)可通過裸指觸摸屏幕來感知視覺對象的形狀、紋理等觸覺特征，利用人類的觸覺感知通道提高人機交互操作的真實性和沉浸感，在生活、娛樂、教學(xué)、軍事等領(lǐng)域展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢[10]。現(xiàn)有的表面觸覺再現(xiàn)技術(shù)的現(xiàn)狀研究大多集中于兩方面：①對典型的原理樣機設(shè)備的具體介紹；②對觸覺再現(xiàn)技術(shù)的簡單比較和重難點分析。2006年，陳旭和宋愛國[11]對針式振動觸覺再現(xiàn)、空氣壓力觸覺再現(xiàn)、靜電陣列觸覺再現(xiàn)和鋸齒表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備進行具體介紹和簡單的性能比較。2007年，王愛民和戴金橋[12]分別對力覺再現(xiàn)技術(shù)和觸覺再現(xiàn)技術(shù)的研究進展進行介紹。2008年，陸熊和宋愛國[13]也從上述兩方面著手，分類介紹國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及相關(guān)應(yīng)用。2008年，Chouvardas等[14]對手指皮膚結(jié)構(gòu)和典型的觸覺再現(xiàn)設(shè)備進行介紹。2011年，郝飛等[15]對振動式、壓力式、電刺激式和溫度刺激式設(shè)備進行介紹，并簡單比較了4種方式的性能。然而，上述研究所提設(shè)備多為早期的穿戴式或體積較為龐大的非表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備，未對近年來的成果進行系統(tǒng)性的分析和總結(jié)。除此之外，由于表面觸覺再現(xiàn)原理多樣，設(shè)備性能受多種因素影響，導(dǎo)致該領(lǐng)域評價標準表述不一，難以得出有效的性能評價。現(xiàn)有研究對設(shè)備的各項性能評價均過于主觀，未給出客觀可信的評估標準，制約了表面觸覺再現(xiàn)技術(shù)的設(shè)計開發(fā)與實際應(yīng)用。

本文對近十年的表面觸覺再現(xiàn)技術(shù)進行了介紹。根據(jù)表面觸覺再現(xiàn)原理的不同，將現(xiàn)有技術(shù)分為振動式、壓力式、壓膜式、靜電力式和電刺激式，詳述5種技術(shù)的工作原理、性能指標和優(yōu)缺點，對該領(lǐng)域的最新進展進行梳理和完善。針對現(xiàn)有評價方式過于粗糙和主觀的問題，提出了一種表面觸覺再現(xiàn)技術(shù)的評估方法。通過制造難度、工作區(qū)間、可調(diào)范圍、感知強度、功率損耗、再現(xiàn)效果和用戶體驗7種性能指標來全面評價現(xiàn)有設(shè)備，采用專家打分法和層次分析法獲得4種設(shè)備在每種性能指標下的權(quán)重，為各領(lǐng)域選擇和評價所需設(shè)備提供參考，彌補了現(xiàn)有評價方式的缺陷。本文將所提方法應(yīng)用于多媒體終端領(lǐng)域，得到4種設(shè)備在該領(lǐng)域下的7種性能指標合成權(quán)重及性能排序，為設(shè)備的終端應(yīng)用提供參考。總結(jié)現(xiàn)有設(shè)備的不足，討論未來的研究和改進方向。

1 表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備

表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備通過在皮膚表面產(chǎn)生輕微刺激，使皮膚淺層感受器興奮進而引起各種感覺，增加交互過程中的沉浸感。現(xiàn)階段多媒體設(shè)備趨向小型化、智能化和便捷化，設(shè)計擴展性強和兼容性好的輕便型表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備成為研究重點。下面將具體介紹5種不同類型的設(shè)備，并總結(jié)設(shè)備的優(yōu)勢與不足。

1.1 振動式表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備

振動式表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備通過控制線性馬達、音圈電機等各種振動器使裝置部分或整體振動，刺激操作者手指產(chǎn)生振動觸感。按照振動方式的不同，可將振動式表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備分為形狀表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備和分布式振動表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備2類[16]。前者通過振動器控制插針陣列等皮膚接觸器的升降位移再現(xiàn)觸覺，后者則通過分布排列的振動器施加固定頻率振動使皮膚產(chǎn)生形變再現(xiàn)觸覺，2種設(shè)備的觸覺再現(xiàn)原理如圖1所示。雖然形狀表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備中并無明顯的振動環(huán)節(jié)，與現(xiàn)有對振動設(shè)備的認知不符，但早期的振動式表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備定義較為廣泛，所有依靠振動器直接產(chǎn)生振動或間接帶動接觸器產(chǎn)生振動的設(shè)備都可歸類為振動式表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備。

圖1 2類振動式表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備Fig.1 Two types of vibratory surface tactile representation device

1.1.1 形狀表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備

1997年，Ikei等[17]通過壓電致動器驅(qū)動50個半徑為0.5 mm的振動插針以250 Hz頻率振動，使插針產(chǎn)生5～57 μm位移，用以刺激手指皮膚，如圖2所示。該設(shè)備可產(chǎn)生10種可區(qū)分的感知量級，但裝置體積較大，且觸感微弱。

2000年，Hayward和Cruz-Hernandez[16]研制出一種形狀表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備，由皮膚接觸器、黃銅薄膜、壓電致動器和控制系統(tǒng)組成，在±200 V電壓下產(chǎn)生±5 mm位移，振感較強烈，但工作區(qū)間僅為12 mm×12 mm，且分辨率低，如圖3所示。2002年，Wagner等[18]研制出一種針式形狀表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備，36個RC伺服電機帶動6×6的插針陣列運動，可再現(xiàn)16種簡單形狀，如圖4所示，但插針轉(zhuǎn)換速率僅為38 mm/s，且整體再現(xiàn)范圍過小，觸覺再現(xiàn)效果受限。

圖2 Ikei表面觸覺再現(xiàn)裝置原理及結(jié)構(gòu)[17]Fig.2 Principle and structure of surface tactile representation device by Ikei[17]

圖3 Hayward表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備[16]Fig.3 Surface tactile representation device by Hayward[16]

圖4 觸覺顯示樣機[18]Fig.4 Tactile display prototype[18]

1.1.2 分布式振動表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備

2009年，Yatani和Truong[19]研發(fā)出SemFeel設(shè)備，將5個振動電機嵌入手機后端，通過調(diào)節(jié)電機振動強度再現(xiàn)定位、線性、循環(huán)等11種振動模式，如圖5所示。該設(shè)備可幫助用戶區(qū)分不同的按鈕操作，準確度可達90%，但設(shè)備體積較大。

圖5 SemFeel設(shè)備[19]Fig.5 SemFeel device[19]

2010年，韓國Yang等[20]研制出T-mobile設(shè)備，可為手機提供線性和循環(huán)2種方向信息，如圖6所示。該設(shè)備由12個振動嵌板組成，每個嵌板均可獨立控制，加載8種PWM信號，同一嵌板振動間隔需超過18 ms，不同嵌板振動間隔需超過24 ms，但設(shè)備的振動嵌板體積過大且與顯示器脫離，攜帶不便。

圖6 T-mobile設(shè)備[20]Fig.6 T-mobile device[20]

圖7 磁針式觸覺感知系統(tǒng)[22]Fig.7 Tactile perception system using magnet needles[22]

振動式表面觸覺再現(xiàn)是研究最早的表面觸覺再現(xiàn)技術(shù)，早期的形狀表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備存在制造難度大等一系列問題，難以應(yīng)用于實際，因此逐漸被淘汰。隨著制造工藝的發(fā)展，振動式表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備的集成化和便捷化程度有所提升，且工作區(qū)間可達整個屏幕，觸感強烈，有效提高了交互性能。但該類設(shè)備需帶動屏幕整體振動，過程中產(chǎn)生的機械形變難以控制，觸感粗糙，反饋形式單一，可調(diào)范圍小，且振動過程會產(chǎn)生較大的功率損耗，難以應(yīng)用于大尺寸觸摸屏設(shè)備。

1.2 壓力式表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備

壓力式表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備使用氣體、形狀記憶合金等對手指施加變化的壓力，模擬手指接觸物體時的形變，從而再現(xiàn)觸覺感知[21]。由于空氣具有良好的壓縮性，氣體的擠壓和膨脹不會造成用戶的不適感和不安全感，而形狀記憶合金具有恢復(fù)性強、延展性好、可實現(xiàn)多種變形形式等特點，因此基于氣體和形狀記憶合金材料的壓力式表面觸覺再現(xiàn)技術(shù)受到了廣泛關(guān)注。

1998年，Asamura等[22]研制出一種磁針式壓力表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備，如圖7所示。設(shè)備由安裝在用戶手掌下部的4個兩兩間距2 mm的磁針和4個垂直放置的通電線圈構(gòu)成，可產(chǎn)生正向和反向2種驅(qū)動模式。正向驅(qū)動模式可同時刺激皮膚淺層和深層觸覺感受器，再現(xiàn)輪廓信息；而反向驅(qū)動模式則只能刺激淺層觸覺感受器，再現(xiàn)紋理信息。但該設(shè)備存在感覺不真實、工作區(qū)間小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題。同年，Asamura等[23]研制出一種氣壓表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備，通過控制激勵信號參量選擇性刺激不同深度的皮膚感受器，1V/100 Hz的輸入信號可產(chǎn)生2.8 kPa氣壓，如圖8所示。

圖8 氣動和針型觸覺再現(xiàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)[23]Fig.8 Structure of tactile representation device using air and pin[23]

2004年，Makino和Shinoda[24]將吸入壓力刺激(SPS)和多基元觸覺刺激(MPTS)2種技術(shù)應(yīng)用于掌上表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備，使該設(shè)備選擇性刺激RAI和SAI 2種淺層皮膚感受器。SPS技術(shù)可產(chǎn)生較為穩(wěn)定的觸覺刺激，精確控制皮膚形變量；MPTS技術(shù)可組合多個觸覺產(chǎn)生單元，實現(xiàn)較大面積的觸覺再現(xiàn)。該裝置解決了刺激單元與皮膚接觸不穩(wěn)定、難以精確控制等問題，但仍存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造工藝高等問題。

2008年，Koo等[25]使用25 μm厚的電活化聚合物研制出一種柔軟的指套型表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備，可產(chǎn)生0～3.5 kV電壓，使4×5排列的電活化聚合物陣列在電場作用下改變凸起高度，刺激指尖皮膚，如圖9所示。該設(shè)備靈活性高，制造工藝簡單，但最大只能產(chǎn)生471 μm位移，總體有效區(qū)域僅為11 mm×14 mm，可調(diào)范圍小，感知強度較弱，所需電壓高，功率損耗大。

圖9 可穿戴觸覺顯示設(shè)備的3D結(jié)構(gòu)[25]Fig.9 3D structure of wearable tactile display device[25]

壓力式表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備安全性高，不會造成操作者的不適感和抵觸心理，用戶體驗良好，但氣壓表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備存在氣體外泄等不可控因素，控制過程中精度有限，且設(shè)備需要較為復(fù)雜和精細的制造工藝，加工難度大，難以實現(xiàn)大范圍連續(xù)細膩的觸覺再現(xiàn)效果。

1.3 基于壓膜效應(yīng)的表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備

空氣壓膜指當兩平板中的某一個作高頻振動時，氣體無法及時溢出而在兩板間形成的高壓空氣薄膜[26]。標準Reynolds方程[26]可描述空氣壓膜效應(yīng)：

(1)

式中：σ為壓膜系數(shù)，反映了空氣黏滯力與壓縮力間的量化關(guān)系；R為平板半徑；Pa為標準大氣壓；h0為兩平板間距；ω為平板振動頻率；μ為空氣黏滯系數(shù)。

圖10 空氣壓膜效應(yīng)原理Fig.10 Principle of air squeeze-film effect

圖11 T-PaD設(shè)備[28]Fig.11 T-PaD device[28]

2010年，Marchuk等[29]研制出LATPaD設(shè)備，工作區(qū)間約為83 mm×49 mm，適合與手機、小型平板電腦等結(jié)合使用，如圖12所示。該設(shè)備底層為LCD屏幕，上層為透明玻璃板和安裝于板上的壓電振動片，可產(chǎn)生0～1 N法向力和-0.5～0.5 N切向力。2011年，英國哥倫比亞大學(xué)Lévesque等[30]在LATPaD上驗證可變摩擦力對單指平移操作性能的影響，并將其應(yīng)用于時間/音量調(diào)節(jié)、文件拖拽等應(yīng)用中。2012年，Lévesque等[31]又將設(shè)備應(yīng)用于單指滾動交互，進一步研究設(shè)備的應(yīng)用場景。

2011年，Amberg等[32]研制出STIMTAC裝置，如圖13所示。第一代設(shè)備用USR60超聲電機和LVDT產(chǎn)生振動，工作區(qū)間僅為幾厘米，之后采用輕便的力傳感器代替笨重的光學(xué)傳感器，用USB實現(xiàn)供電和信息傳輸，耗電量降低90%，從體積和能耗方面提升了設(shè)備性能。

2012年，Dai等[33]研制出SlickFeel設(shè)備，使用30 kHz電信號和500 Hz電信號分時控制，可產(chǎn)生滑動和點擊2種觸覺反饋，如圖14所示。觸覺振動單元由1.7 mm厚的玻璃片和2個壓電片封裝而成，固定于Kindle Fire上，利用平板電腦的定位裝置判斷手指運動狀態(tài)并對運動信息進行處理，控制觸覺振動單元產(chǎn)生對應(yīng)反饋，原理如圖15所示。

近年來，除了對設(shè)備性能的不斷優(yōu)化，研究者還對空氣壓膜效應(yīng)原理性問題展開研究。2014年，馬露[34]推導(dǎo)得到氣膜可壓縮程度與裝置共振頻率間的關(guān)系和手指接觸位置處的空氣壓膜強度，證明氣膜壓強隨表皮凸起高度的增加而增加。2015年，Sednaoui等[35]研究發(fā)現(xiàn)表面摩擦系數(shù)隨超聲振動幅度的增加呈現(xiàn)指數(shù)減小，在振動幅度達到3 μm時減小到某一下限。2016年，Wiertlewski等[36]證明手指皮膚的動態(tài)性是造成摩擦減小的主要原因，也得到振動幅度與摩擦力間的對應(yīng)關(guān)系。研究者通過受抑全內(nèi)反射方法得到高頻振動情況皮膚向反向運動，但中間空氣不能及時溢出，阻礙皮膚反彈運動，造成手指與設(shè)備間出現(xiàn)空隙，使摩擦力減小。2017年，Gueorguiev等[37]通過E-ViTa設(shè)備獲得超聲脈沖信號過渡時間和持續(xù)時間的感知差異閾值僅為2.06 ms和2.4 ms，證明人體對脈沖信號敏感，為脈沖信號的應(yīng)用提供參考。

圖12 LATPaD設(shè)備[29]Fig.12 LATPaD device[29]

圖13 STIMTAC設(shè)備[32]Fig.13 STIMTAC device[32]

圖14 SlickFeel設(shè)備[33] Fig.14 SlickFeel device[33]

圖15 SlickFeel設(shè)備工作原理Fig.15 Principle of SlickFeel device

基于空氣壓膜效應(yīng)的表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備工作區(qū)間大，制造工藝較為簡單，且能夠產(chǎn)生較為強烈的觸感和連續(xù)細膩的再現(xiàn)效果，但設(shè)備需借助屏幕整體振動產(chǎn)生觸覺感知，功耗較大。

1.4 基于靜電力的表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備

1953年， Mallinckrodt等[38]發(fā)現(xiàn)金屬表面在通電時的觸感較未通電時粗糙，進而研究發(fā)現(xiàn)，當干燥手指在覆有絕緣物質(zhì)的通電金屬表面滑動時，手指會有“膠質(zhì)”觸感。該現(xiàn)象是由于手指內(nèi)部的導(dǎo)電流體和金屬層構(gòu)成的平行電容結(jié)構(gòu)充放電所致，手指表皮角質(zhì)層和金屬表面絕緣層則充當電容極板間的電介質(zhì)。

當在導(dǎo)電金屬層施加周期性變化的信號V(t)時，金屬層將交替分布正負電荷，如圖16所示。當V(t)為正電壓時，絕緣層上下表面分別分布正負電荷，皮膚角質(zhì)層則由于電荷感應(yīng)原理帶有負電荷；當V(t)在正負電壓轉(zhuǎn)換過程時，絕緣層的正電荷向下移動，負電荷向上移動，手指因此同時攜帶正負電荷；暫態(tài)結(jié)束后，金屬層將均勻分布負電荷，手指則攜帶正電荷。

綜上，隨V(t)周期性變化，皮膚和導(dǎo)電金屬間會產(chǎn)生周期性的靜電吸引力，該靜電吸引力不足以直接使手指產(chǎn)生彈性形變，因此靜止狀態(tài)的手指難以感知吸引力的存在。但當手指滑動時，靜電力的變化會使手指所受摩擦力變化，從而再現(xiàn)各類表面觸覺感知，其力學(xué)模型如圖17所示。圖中：fe為靜電吸引力，fr為滑動摩擦力，方向與手指運動方向相反。

圖16 手指電荷分布情況Fig.16 Charge distribution in fingers

圖17 基于靜電力的表面觸覺再現(xiàn)力學(xué)模型Fig.17 Surface tactile representation mechanical model based on electrostatic force

1970年，Strong和Troxel[39]應(yīng)用靜電力表面觸覺再現(xiàn)原理研制出一種陣列型設(shè)備，并深入研究影響fe(t)的因素，將fe(t)和fr(t)表示為

(2)

fr(t)=μ(Fn+fe(t))

(3)

式中：ε0為真空介電常數(shù)；A為手指接觸區(qū)域面積；V(t)為瞬態(tài)電壓；Ti和Tsc分別為設(shè)備絕緣層和皮膚角質(zhì)層的厚度；εi和εsc分別為設(shè)備絕緣層和皮膚角質(zhì)層的相對介電常數(shù)；Fn為手指壓力。2006年，Kaczmarek等[40]根據(jù)式(4)所示的平板電容結(jié)構(gòu)標準力學(xué)模型提出另一種靜電力模型，如式(5)所示。

(4)

(5)

上述模型符合平行電容結(jié)構(gòu)的標準力學(xué)模型，因此被廣泛應(yīng)用于靜電力表面觸覺再現(xiàn)領(lǐng)域[41-46]。由式(3)和式(5)可得，fr(t)的變化主要取決于fe(t)的變化，而fe(t)則取決于V(t)的變化情況，因此靜電力設(shè)備實際是通過控制激勵信號幅度等參量實現(xiàn)表面觸感再現(xiàn)。

2006年，Yamamoto等[41]將50個長為37 mm、寬為0.8 mm的電極兩兩相距2.54 mm排列成矩形電極陣列，在100～200 V電壓作用下可產(chǎn)生0～900 mN摩擦力，如圖18所示。設(shè)備的位置傳感器將手指位置輸入系統(tǒng)，控制導(dǎo)軌在紋理表面移動，并將表面受力信息反饋入系統(tǒng)，生成刺激信號產(chǎn)生對應(yīng)觸感。該設(shè)備的紋理再現(xiàn)信息取自于真實表面，可信度較高，且易與移動終端結(jié)合，但設(shè)備采用電極陣列形式，觸覺再現(xiàn)不連續(xù)，呈現(xiàn)的紋理模糊，感覺微弱。

2010年，Disney研究中心Bau等[42]使用3 M電容式觸摸屏研制出TeslaTouch設(shè)備，如圖19所示。設(shè)備使用投影儀將圖像投射到3M平板，使用紅外照相機捕捉手指位置并實時改變激勵信號，產(chǎn)生與視覺信息對應(yīng)的觸感，其再現(xiàn)原理如圖20所示。該設(shè)備靈活性和集成性均很高，且功耗較低，但對較為尖銳和突出的圖像紋理渲染效果較差。

2016年，吉林大學(xué)孫曉穎團隊[43-46]研制出基于Windows平臺和Android平臺的靜電力表面觸覺再現(xiàn)終端，實現(xiàn)了視覺對象形狀等特性的表面觸覺再現(xiàn)，如圖21所示。該設(shè)備包括表面觸覺再現(xiàn)面板、控制單元和定位單元3部分，再現(xiàn)流程如圖22所示。設(shè)備的觸覺分辨率為1 mm，觸覺刷新頻率為60 s，交互范圍為12寸，最大反饋力為1 N。

圖18 觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)原理[41]Fig.18 Principle of tactile representation system[41]

圖19 TeslaTouch設(shè)備[42]Fig.19 TeslaTouch device[42]

圖20 TeslaTouch設(shè)備原理[42]Fig.20 Principle of TeslaTouch device[42]

圖21 靜電力表面觸覺再現(xiàn)移動學(xué)習(xí)終端Fig.21 Electrostatic surface tactile display mobile learning terminal

圖22 靜電力表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備實現(xiàn)流程Fig.22 Implementation process of electrostatic surface tactile representation device

電極陣列形式的靜電力表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備可實現(xiàn)簡單圖形圖像的紋理渲染，但設(shè)備加工難度增加，屏幕透明性差，難以提供良好的視覺-觸覺-聽覺多通道交互體驗，因此研究重點轉(zhuǎn)為表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備與多媒體終端的融合優(yōu)化問題，融合設(shè)備也因制造方便、工作區(qū)間大等優(yōu)勢獲得廣泛重視。靜電力式表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備不依賴任何運動部件，也不會引發(fā)屏幕的物理變化，具有無噪聲、低功耗、質(zhì)量輕、使用便捷等特點，且易于應(yīng)用于現(xiàn)有多媒體終端，具有廣闊的市場前景。然而由于原理限制，靜電力表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備只能在手指滑動過程中獲取紋理信息，無法在靜態(tài)情況呈現(xiàn)觸覺，且觸感較微弱，對溫濕度等環(huán)境條件極為敏感[47]，再現(xiàn)效果因人而異。

1.5 電刺激式表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備

電刺激式表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備通過表面電極產(chǎn)生電流，直接刺激人體皮膚內(nèi)的感覺神經(jīng)，再現(xiàn)觸感[48]。2010年，劉捷等[49]研制出一種電觸覺替代視覺系統(tǒng)(Electrotactile Vision Substitution System，ETVSS)(見圖23)，通過圖像采集及處理單元將漢字轉(zhuǎn)換成二值圖像，使用電刺激器控制16×16的電極陣列對應(yīng)位置處的電機產(chǎn)生電流，刺激手指皮膚產(chǎn)生觸感。2012年，Kajimoto[50]使用SH-7144F實時監(jiān)測皮膚阻抗，并根據(jù)皮膚阻抗變化實時改變電刺激的脈沖寬度，從而改善電刺激式表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備觸感不唯一的問題，如圖24所示。

2015年，Kitamura等[51]針對現(xiàn)有電刺激式表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備所需電壓過高、體積龐大等問題，研制出一種包括中間1個主刺激電極和周圍6個接地電極的電刺激式表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備，如圖25所示。該設(shè)備通過刺激皮膚淺層感受器再現(xiàn)觸感，降低了設(shè)備所需的電壓。2016年，Tezuka等[52]針對上述設(shè)備觸感單一的問題對設(shè)備進行改進，將6個接地電極換成放置于指甲處的平板接地電極，可同時刺激皮膚淺層和深層感受器，從而再現(xiàn)多種觸感，如圖26所示。

2017年，F(xiàn)ranceschi等[53]針對現(xiàn)有假肢難以提供觸感特性的問題，將分布式傳感器和電極陣列相結(jié)合，研制出一種電刺激式表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備，可實現(xiàn)線型、幾何形狀、字母、軌跡和方向變化信息，為假肢用戶提供全面的觸覺體驗，如圖27所示。2017年，Kaczmarek等[54]在現(xiàn)有電刺激式表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備上探究驅(qū)動信號頻率和刺激電流在再現(xiàn)觸感時的相互作用，證明刺激電流越大信號頻率的感知范圍越大，信號頻率越高刺激電流的感知效果越好。此外，電刺激式表面觸覺再現(xiàn)觸感可通過兩維度的模型表示，其中感知頻率和信號頻率、感知強度和刺激電流之間存在強對應(yīng)關(guān)系。

圖23 電觸覺替代視覺系統(tǒng)[49]Fig.23 ETVSS[49]

圖24 Kajimoto表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)[50]Fig.24 Structure of surface tactile representation device by Kajimoto[50]

圖25 電刺激式表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備[51]Fig.25 Electrotactile surface tactile representation device[51]

圖26 改進的電刺激式表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備[52] Fig.26 Improved electrotactile device[52]

圖27 電子皮膚和電刺激陣列設(shè)備[53]Fig.27 E-skin and electrode array device[53]

1.6 組合表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備

Giraud等[55]提出，當振動底層是導(dǎo)電材料時，基于靜電力的表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備和基于壓膜效應(yīng)的表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備可以相結(jié)合，并以STIMTAC設(shè)備為載體研制出組合式表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備，如圖28所示。該設(shè)備利用空氣壓膜效應(yīng)減小摩擦系數(shù)，利用靜電吸引力增大摩擦力，合力效果如下：

Ft=(μ0-Δμ)(Fp+fe)

(6)

式中：Ft為手指感知到的合力；μ0為設(shè)備初始摩擦系數(shù)；Δμ為空氣壓膜效應(yīng)產(chǎn)生的摩擦系數(shù)的改變；Fp為手指壓力，fe為靜電吸引力。

組合式表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備利用2種原理拓寬觸覺再現(xiàn)力的調(diào)節(jié)范圍，可實現(xiàn)更為豐富的觸覺再現(xiàn)效果，但2種原理之間是否相互干擾尚不明確。2015年，Giraud團隊的Vezzoli等[56]針對上述問題，通過仿真和實驗2種方法證明2種技術(shù)間的干擾對操作者觸覺感知效果影響較小，肯定了組合式表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備的有效性。

Yang[57]將繩動表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備FingViewer-I與基于壓膜效應(yīng)的表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備STIMTAC相結(jié)合，利用FingViewer-I力反饋設(shè)備實現(xiàn)形狀再現(xiàn)，輸出力在0.3～1.2 N之間；利用STIMTAC觸覺反饋設(shè)備實現(xiàn)紋理再現(xiàn)，振動板以52.2 kHz高頻振動可產(chǎn)生0.2 N的反饋力。系統(tǒng)通過激勵信號控制繩動張力和表面摩擦力，再現(xiàn)觸覺感知，設(shè)備樣機及控制流程如圖29所示。力反饋設(shè)備的加入明顯改善了表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備感知強度微弱的問題，增加觸覺的調(diào)節(jié)范圍，有效增強觸覺真實性，拓寬了表面觸覺再現(xiàn)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，但設(shè)備存在一定程度的空間差異，影響感知精度，且繩動表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備需佩戴指環(huán)，限制了設(shè)備的自然交互，使用戶體驗下降。

圖28 組合表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備實驗裝置[55]Fig.28 Combination surface tactile representation devices[55]

圖29 集成表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備[57]Fig.29 Integrated surface tactile representation device[57]

2 表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備性能評估

由于表面觸覺再現(xiàn)原理多樣，性能受多種因素影響，導(dǎo)致表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備的評價指標層出不窮，很多評價指標無法直接量化，難以形成有效的量化評估標準。在上述研究基礎(chǔ)上，本文使用制造難度、工作區(qū)間、可調(diào)范圍、感知強度、功率損耗、再現(xiàn)效果和用戶體驗7種性能評價指標對表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備進行評價，綜合運用專家打分法和層次分析法獲得振動式、壓力式、壓膜式和靜電力式表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備在7種評價指標下的性能優(yōu)劣。此外，本文使用所提方法對4種設(shè)備在多媒體終端應(yīng)用中的性能優(yōu)劣進行排序，為其他領(lǐng)域提供參考范例。

2.1 綜合評價方法

專家打分法亦稱為德爾斐法[58]，需要通過匿名方式征詢有關(guān)專家的意見，對專家意見進行統(tǒng)計、處理、分析和歸納，從而做出合理的評價。該方法可將量化指標和非量化指標結(jié)合評價，根據(jù)具體評價對象確定恰當?shù)脑u價項目并制定評價等級和標準，每個等級標準以打分形式體現(xiàn)，具有原理清晰、計算簡單、評價準確等優(yōu)勢。層次分析法[59]將定性方法與定量方法有機結(jié)合，將人的思維過程數(shù)學(xué)化和系統(tǒng)化，將多目標、多準則、難以全部量化處理的決策問題化為多層次單目標問題，從而獲得科學(xué)有效的決策。2種方法均能有效評價表面觸覺再現(xiàn)技術(shù)中難以直接量化的各項指標，具有重要意義。該評價方法主要包括3個步驟：遞階層次結(jié)構(gòu)模型的建立、判斷矩陣的構(gòu)造、單一準則下相對權(quán)重的計算，下面將對這3個步驟進行具體介紹。

2.2 遞階層次結(jié)構(gòu)模型的建立

為綜合評價表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備在某領(lǐng)域的性能，需首先通過信息搜集和專家咨詢在該領(lǐng)域建立設(shè)備性能的遞階層次結(jié)構(gòu)模型，如圖30所示。A表示目標層，是表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備在某領(lǐng)域的性能；B表示準則層，Bk為影響A的性能指標評價因子；C表示方案層，是需要評價的設(shè)備種類。綜合現(xiàn)有設(shè)備的性能評價方式，本文提出7種性能指標評價因子，以期能夠全面評價4種設(shè)備在某領(lǐng)域的性能：制造難度、工作區(qū)間、可調(diào)范圍、感知強度、功率損耗、再現(xiàn)效果、用戶體驗。制造難度指設(shè)備制造工序的復(fù)雜程度，制造所需的時間和精準度，該指標主要為設(shè)備的實用性和商業(yè)化前景提供參考。工作區(qū)間指設(shè)備有效反饋觸覺的面積，即用戶在操作中能夠感知到觸覺的最大區(qū)域。可調(diào)范圍指設(shè)備可變參量的調(diào)節(jié)范圍，即設(shè)備觸感再現(xiàn)的豐富程度。感知強度指設(shè)備再現(xiàn)的觸感強弱，即用戶觸摸到設(shè)備后產(chǎn)生的皮膚形變程度。可調(diào)范圍與感知強度間并無聯(lián)系，某些設(shè)備雖然能再現(xiàn)多種觸感，但感知強度普遍較弱，某些設(shè)備雖然感知強度大，但再現(xiàn)的觸感單一。功率損耗為設(shè)備的觸覺再現(xiàn)效果提供客觀性評價，指電源轉(zhuǎn)化過程中損失的功耗。再現(xiàn)效果和用戶體驗為設(shè)備的觸覺感知效果提供主觀性評價。再現(xiàn)效果指設(shè)備再現(xiàn)真實感，即設(shè)備呈現(xiàn)的觸感是否真實自然。用戶體驗指用戶對于正在使用的設(shè)備的認知印象和回應(yīng)，通俗來講就是“該設(shè)備觸摸起來是否舒適”。

圖30 設(shè)備性能評價的遞階層次結(jié)構(gòu)模型Fig.30 Hierarchical structure model for device performance evaluation

2.3 判斷矩陣的構(gòu)造

為分析4種表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備的7種性能，構(gòu)造7×7的設(shè)備性能成對判斷矩陣X和4×4的指標評價因子判斷矩陣Yk(1≤k≤7)。

X=(Bij) 1≤i≤7,1≤j≤7

(7)

Yk=(Cij) 1≤i≤4,1≤j≤4

(8)

式中：Yk為指標Bk的評價因子判斷矩陣；Bij為評價因子Bi與Bj對設(shè)備性能的重要性之比；Cij為某指標評價因子對表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備Ci與Cj的重要性之比。

Saaty[60]提出用1～9這9個數(shù)字及其倒數(shù)作為標度來確定Bij和Cij的值，每個數(shù)字標度對應(yīng)的含義如表1所示。

為獲得4種設(shè)備在7種性能評價指標方面的性能優(yōu)劣，首先計算7種評價指標對4種設(shè)備性能的影響權(quán)重，為設(shè)備的客觀物理評價及應(yīng)用選擇提供參考。此外，將所提的評價方法應(yīng)用于多媒體終端領(lǐng)域，通過計算4種設(shè)備在7種評價指標下的合成權(quán)重，獲得4種設(shè)備在多媒體終端應(yīng)用中的性能優(yōu)劣。根據(jù)圖30所述的設(shè)備性能評價層次結(jié)構(gòu)模型和表1所述的Saaty法判斷矩陣標度，制作性能評價打分表，邀請3名表面觸覺再現(xiàn)領(lǐng)域的專家對本模型各評價因子進行打分，并根據(jù)專家從事表面觸覺再現(xiàn)領(lǐng)域的年限對其打分結(jié)果進行加權(quán)平均，最終可得到專家的設(shè)備性能成對判斷矩陣Xm=[X1,X2,X3]和指標評價因子判斷矩陣Ymk=[Y1k,Y2k,Y3k]，Xm和Ymk表示第m名專家的打分結(jié)果。為保證評價結(jié)果的準確性和可信性，本文所選專家均在表面觸覺再現(xiàn)領(lǐng)域具有較為深入的研究，參與或承擔(dān)過表面觸覺再現(xiàn)方向的重要科研項目。在專家打分前，筆者向?qū)＜页浞终f明該遞階層次結(jié)構(gòu)模型的建立方法和打分方式，并介紹Saaty法判斷矩陣標度的使用方法。

表1 判斷矩陣標度及其含義[60]

2.4 單一準則下相對權(quán)重的計算

通過計算專家的設(shè)備性能成對判斷矩陣Xm和指標評價因子判斷矩陣Ymk的最大特征根和特征向量，可得到設(shè)備的性能權(quán)重。所得判斷矩陣計算方法均相同，為簡化表述，令A(yù)代表任一判斷矩陣，則Aij為A的第i行第j列元素，表示因素i與因素j對A的重要性之比，由專家打分獲得，計算步驟如下[61]：

(9)

(10)

步驟3將A″正規(guī)化，得權(quán)重向量W，其中Wi為W的第i行元素：

(11)

步驟4計算判斷矩陣A的最大特征值λmax并進行一致性檢驗，計算方法如下：

(12)

(13)

式中：(AW)i為判斷矩陣和權(quán)重向量相乘后所得列向量的第i個分量；CI為一致性指標；RI為平均隨機一致性指標，由多次隨機判斷矩陣重復(fù)計算獲得，如表2所示[62]；CR為一致性判斷依據(jù)，當CR<0.1時,認為判斷矩陣的不一致程度在允許范圍，可使用W作為權(quán)向量進行后續(xù)計算。

步驟5將準則層和方案層的權(quán)重向量合成，計算目標層的合成權(quán)重，并對各權(quán)重進行排序和一致性檢驗，得到各種表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備的總體性能排序。

2.5 計算結(jié)果及綜合分析

根據(jù)2.4節(jié)所述方法對準則層和方案層的權(quán)重向量進行計算，并對目標層的權(quán)重向量進行合成，得到表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備的各項性能指標權(quán)重及在多媒體移動終端應(yīng)用中的總體性能評價，計算結(jié)果如表3～表10所示。

對目標層的總權(quán)重向量進行一致性檢驗，可得CR=0.057 9<0.1，滿足一致性條件。

表2 平均隨機一致性指標[62]

表3 表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備的制造難度權(quán)重

表4 表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備的工作區(qū)間權(quán)重

表5 表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備的可調(diào)范圍權(quán)重

表6 表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備的感知強度權(quán)重

表7 表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備的功率損耗權(quán)重

表8 表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備的再現(xiàn)效果權(quán)重

表9 表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備的用戶體驗權(quán)重

表10 準則層和方案層對目標層的合成權(quán)重

由表3～表9可得，4種表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備在7種性能評價指標方面各有利弊。振動式表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備在制造難度、工作區(qū)間和感知強度方面具有優(yōu)勢，但可調(diào)范圍和再現(xiàn)效果不佳；靜電力式表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備在可調(diào)范圍、功率損耗、再現(xiàn)效果和用戶體驗方面具有優(yōu)勢，但感知強度較弱；壓力式表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備的制造難度、工作區(qū)間和用戶體驗差；壓膜式表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備的功率損耗較大。由于不同應(yīng)用領(lǐng)域所需性能差異較大，得到的設(shè)備優(yōu)劣也各不相同，不宜采用統(tǒng)一的評價尺度進行判斷。本文所提的7種性能評價指標和評價方法能夠幫助各領(lǐng)域研究者整合所需參數(shù)，提高評價的有效性。

表10給出了準則層和方案層對目標層的合成權(quán)重，第一列1×7個權(quán)值為準則層權(quán)值，第2～5列4×7個權(quán)值為4種設(shè)備的方案層權(quán)值，合成權(quán)重為準則層權(quán)值分別對方案層權(quán)值進行加權(quán)求和而得。由表10可得，4種表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備在多媒體終端應(yīng)用中的性能優(yōu)劣排序由高到低為：靜電力式、壓膜式、壓力式、振動式，其中基于靜電力的表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備具有較高的研究意義和價值，而振動式表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備雖為目前最為常見的表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備，在多媒體終端上的集成化和市場化程度高，但因內(nèi)在物理結(jié)構(gòu)的限制，導(dǎo)致其只能產(chǎn)生離散化的觸覺感知，真實感較差，發(fā)展空間有限。

綜上所述，各種表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備在多媒體終端應(yīng)用上均存在自身優(yōu)勢和不足，在實際應(yīng)用中，操作者應(yīng)合理選擇表面觸覺再現(xiàn)方法，根據(jù)不同需求和環(huán)境選擇適合的表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備。總體而言，相比振動式表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備和壓力式表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備產(chǎn)生的離散化觸覺感知效果，基于壓膜效應(yīng)的表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備和基于靜電力的表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備可再現(xiàn)連續(xù)細膩的紋理觸覺，與人體皮膚的感知特性相符，具有較大的發(fā)展前景，是現(xiàn)階段國內(nèi)外研究重點和熱點。其中，基于壓膜效應(yīng)的表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備適合再現(xiàn)剛度信息和表面輪廓信息，而基于靜電力的表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備則適合產(chǎn)生較為柔軟和精細的紋理信息。

3 問題與展望

近年來，表面觸覺再現(xiàn)技術(shù)發(fā)展迅速，是電子產(chǎn)業(yè)變革和發(fā)展的重要推動力，但是目前絕大多數(shù)表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備仍停留在研究階段，難以應(yīng)用于實際，主要難點集中在以下4個方面：

1) 精確性。人體觸覺感知系統(tǒng)復(fù)雜，感知能力強，可以感知細微的表面變化，感知機理具有連續(xù)性和非局部性，而現(xiàn)有設(shè)備的觸覺分辨率和呈現(xiàn)維度低，無法做到精確渲染再現(xiàn)。

2) 實時性。由于多媒體移動終端的嵌入式系統(tǒng)內(nèi)部處理器計算性能及數(shù)據(jù)傳輸能力等方面的限制，現(xiàn)有表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備只能實現(xiàn)靜態(tài)圖片的觸覺特征提取，圖片紋理復(fù)雜時會產(chǎn)生延遲現(xiàn)象，更無法實現(xiàn)高清圖像、高清視頻和3D視頻的觸覺再現(xiàn)特征提取和渲染。

3) 便捷性。現(xiàn)有表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備體積過大，與多媒體移動終端的集成度較差，不能滿足終端應(yīng)用所必需的低成本、低功耗、小型化等要求，難以實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用。

4) 量化性。人體認知能力受情感、年齡等多種因素影響，個體差異程度較為明顯，難以對人體的觸覺感知進行準確測量、量化和評價。

綜上所述，未來表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備的研究應(yīng)從以下幾個方面著手：

1) 表面觸覺再現(xiàn)方式。研究多種觸覺虛擬替代技術(shù)的融合方法，以實現(xiàn)更加豐富和自然的觸覺反饋效果，提高表面觸覺再現(xiàn)精確性。

2) 觸覺渲染算法。研究復(fù)雜度低、計算量小的觸覺特征提取和渲染算法，實現(xiàn)多媒體內(nèi)容的快速精確提取和自然真實渲染，解決表面觸覺再現(xiàn)實時性問題。

3) 材料和加工。結(jié)合先進的加工技術(shù)，采用各種新型材料，設(shè)計集成化和小型化程度更高，觸覺質(zhì)感更真實的表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備，實現(xiàn)表面觸覺再現(xiàn)的便捷性。

4) 評價體系。從心理物理學(xué)定性評價和表面觸覺再現(xiàn)測量定量評價兩方面著手，設(shè)計精確合理的評測實驗，搭建完善的測量平臺，形成系統(tǒng)的觸覺真實感評測體系，解決表面觸覺再現(xiàn)的量化性問題。

4 結(jié) 論

1) 本文將表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備劃分為振動式、壓力式、壓膜式、靜電力式和電刺激式，重點介紹了5種設(shè)備的實現(xiàn)原理、關(guān)鍵技術(shù)和性能指標，并對設(shè)備的優(yōu)缺點進行分析和總結(jié)，主要如下：

① 振動式表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備再現(xiàn)區(qū)間大，觸感強烈，但振動過程會產(chǎn)生較大的功率損耗，且觸覺反饋形式較為單一，只能提供簡單的振動信息。

② 壓力式表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備安全性高，用戶體驗良好，但存在氣體外泄等不可控因素，制造工藝較為復(fù)雜，加工難度較大，難以實現(xiàn)大范圍連續(xù)細膩的觸感。

③ 基于壓膜效應(yīng)的表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備工作區(qū)間大，制造工藝簡單，可實現(xiàn)較為連續(xù)的再現(xiàn)效果，但設(shè)備功耗較大。

④ 基于靜電力的表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備無噪聲、低功耗、質(zhì)量輕、使用便捷，適合應(yīng)用于現(xiàn)有多媒體終端上，具有廣闊的應(yīng)用前景，但無法實現(xiàn)靜態(tài)條件下的觸覺呈現(xiàn)，對溫濕度等環(huán)境條件較為敏感。

2) 本文提出一種表面觸覺再現(xiàn)技術(shù)的評估方法，采用專家打分法和層次分析法，從制造難度等7個方面對4種再現(xiàn)技術(shù)進行綜合評價，有效提高了評價的可靠性，對設(shè)計和優(yōu)化表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備具有重要的意義。經(jīng)過評估，得到4種表面觸覺再現(xiàn)設(shè)備在多媒體終端應(yīng)用領(lǐng)域的性能排序由高到低為：靜電力式、壓膜式、壓力式、振動式。