機(jī)械振動對平面觸覺感知特性的影響

陳立軍

（大慶石化五龍實業(yè)有限公司，黑龍江 大慶 163714）

1 再現(xiàn)裝置整體結(jié)構(gòu)

觸覺再現(xiàn)裝置主要包含定位、處理、驅(qū)動、交互、四大模塊，這四個模塊都具有獨(dú)立的功能，共同組成了觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)。定位模塊主要負(fù)責(zé)準(zhǔn)確的跟蹤手指位置，在這一模塊中采用紅外定位技術(shù)，對手指的位置進(jìn)行探測，并將詳細(xì)信息以數(shù)據(jù)的形式傳遞給處理模塊；處理模塊既包含用于生成觸覺驅(qū)動信號的邏輯單元，又包含多種視覺顯示設(shè)備，可以說處理模塊起到了復(fù)雜的運(yùn)算作用，并將生成的驅(qū)動參數(shù)發(fā)送給驅(qū)動模塊；驅(qū)動模塊接收到驅(qū)動參數(shù)后，按照要求生成各種驅(qū)動信號，例如生成與驅(qū)動參數(shù)相匹配的靜電力信號、壓力信號與振動信號等能夠被物理設(shè)備所使用的信號源，從而實現(xiàn)電容屏的觸覺反饋；交互模塊中包含各種機(jī)械設(shè)備，驅(qū)動模塊生成驅(qū)動信號后發(fā)送給交互模塊，交互模塊中的靜電力觸摸屏、壓電陶瓷片與振動源按照信號還原成各種能夠引起觸覺反應(yīng)的動作，為使用者提供觸覺反饋，當(dāng)使用者的手指位置、力度、方向發(fā)生改變時，就會感受到相應(yīng)的三維觸覺。交互模塊的主要設(shè)備見圖1所示。

圖1 融合機(jī)械振動、空氣壓膜與靜電力的觸覺再現(xiàn)裝置實物圖

實驗采取多次測試的方法，以實驗者的反饋信息作為檢測條件，將刺激信號的驅(qū)動電壓設(shè)置為160V，在3個區(qū)域中進(jìn)行觸覺反饋測試，其中一個區(qū)域采取機(jī)械振動與空氣壓膜相結(jié)合的觸覺回饋，另兩個區(qū)域采取單純機(jī)械振動回饋，讓試驗者分別觸摸3個區(qū)域，找出復(fù)合型觸覺回饋的區(qū)域，假如實驗者可以連續(xù)3次找出正確的復(fù)合型觸覺回饋區(qū)域，說明這種復(fù)合型觸覺回饋的強(qiáng)度能夠清晰的傳遞給試驗者，此時將驅(qū)動電壓下調(diào)20V，然后重復(fù)上述實驗過程，假如實驗者依然可以連續(xù)3次找出正確的復(fù)合型觸覺回饋區(qū)域，則再將電壓下調(diào)20V，以此類推，直至試驗者無法正確找出復(fù)合型觸覺回饋區(qū)域為止。這時將電壓以每次10V的量增加，重復(fù)上述實驗，直至實驗者能夠連續(xù)3次正確找出復(fù)合型觸覺回饋區(qū)域為止。再將電壓以每次4V的量減小，直至試驗者無法正確找出復(fù)合型觸覺回饋區(qū)域為止。反復(fù)增加電壓與減小電壓進(jìn)行測試的目的，是為了找到能夠使試驗者獲得準(zhǔn)確復(fù)合型觸覺反饋的正確閥值，在本次實驗中共進(jìn)行了10次反復(fù)測試。

通過上述實驗所獲得的能夠使試驗者獲得準(zhǔn)確復(fù)合型觸覺反饋的正確閥值見圖2所示。從圖2中可以看出，不考慮機(jī)械振動的干擾下，正確閥值的電壓為34V，而在機(jī)械振動的干擾下，正確閥值的電壓呈上升趨勢，當(dāng)機(jī)械振動的電壓為100V時，復(fù)合型觸覺反饋的正確閥值為46V，與無機(jī)械振動干擾相的情況相比上升了35%。

圖2 機(jī)械振動刺激下空氣壓膜絕對閾值

2 機(jī)械振動對空氣壓膜分辨閾值的影響

實驗采取多次測試的方法，以實驗者的反饋信息作為檢測條件，設(shè)置3個區(qū)域中進(jìn)行觸覺反饋測試，其中一個區(qū)域采取機(jī)械振動與空氣壓膜相結(jié)合的觸覺回饋，空氣壓膜的起始值為160V，另兩個區(qū)域采取機(jī)械振動與50V恒定空氣壓膜回饋，讓試驗者分別觸摸3個區(qū)域，找出強(qiáng)空氣壓膜回饋的區(qū)域，假如實驗者可以連續(xù)3次找出正確的強(qiáng)空氣壓膜回饋區(qū)域，說明這種強(qiáng)空氣壓膜回饋的強(qiáng)度能夠清晰的傳遞給試驗者，此時將驅(qū)動電壓下調(diào)20V，然后重復(fù)上述實驗過程，假如實驗者依然可以連續(xù)三次找出正確的強(qiáng)空氣壓膜回饋區(qū)域，則再將電壓下調(diào)20V，以此類推，直至試驗者無法正確找出強(qiáng)空氣壓膜回饋區(qū)域為止。這時將電壓以每次10V的量增加，重復(fù)上述實驗，直至實驗者能夠連續(xù)三次正確找出強(qiáng)空氣壓膜回饋區(qū)域為止。再將電壓以每次4伏的量減小，直至試驗者無法正確找出強(qiáng)空氣壓膜回饋區(qū)域為止。反復(fù)增加電壓與減小電壓進(jìn)行測試的目的，是為了找到能夠使試驗者獲得準(zhǔn)確強(qiáng)空氣壓膜回饋的分辨閥值，在本次實驗中共進(jìn)行了10次反復(fù)測試。

通過上述實驗所獲得的能夠使試驗者獲得準(zhǔn)確強(qiáng)空氣壓膜回饋的分辨閥值見圖2所示。從圖2中可以看出，不考慮機(jī)械振動的干擾下，分辨閥值的電壓為15V，而在機(jī)械振動的干擾下，分辨閥值的電壓無明顯變化，當(dāng)機(jī)械振動的電壓為100V時，強(qiáng)空氣壓膜回饋的分辨閥值仍在15V左右，與無機(jī)械振動干擾相的情況相比沒有明顯區(qū)別。

圖3 機(jī)械振動刺激下空氣壓膜分辨閾值

3 機(jī)械振動對不同目標(biāo)刺激感知閾值的影響

液晶屏上常使用的觸覺回饋有空氣壓膜與靜電力兩種。人的手指對靜電力觸覺的敏感頻率為120Hz，靜電力觸覺反饋機(jī)制為電容屏與手指皮膚之間的靜電吸力變化引起的摩擦，使人的手指能夠感覺到反饋觸覺。空氣壓膜觸覺反饋需要達(dá)到41400Hz才能被人的皮膚神經(jīng)清晰的捕捉到，是通過改變屏幕與皮膚間的氣膜來改變摩擦，由于工作原理的不同導(dǎo)致機(jī)械振動可能對上述兩種觸覺回饋機(jī)制產(chǎn)生影響，但影響程度會有一定差異，下面依然采取實驗法，探尋這種差異的原理。

實驗依然采取多次測試的方法，以實驗者的反饋信息作為檢測條件，首先測量機(jī)械振動對靜電力觸覺反饋絕對閥值與分辨閥值的影響，參考上面的實驗1進(jìn)行，試驗的開始電壓為400V，但被測對象轉(zhuǎn)換為靜電力，實驗過程與電壓的增減方式完全參照實驗1，實驗結(jié)果如圖4所示，從圖中可以看出，不考慮機(jī)械振動的干擾下，正確閥值的電壓為35V，而在機(jī)械振動的干擾下，正確閥值的電壓呈上升趨勢，當(dāng)機(jī)械振動的電壓為100V時，靜電力觸覺反饋的正確閥值為116V，與無機(jī)械振動干擾相的情況相比上升了228%。

圖4 機(jī)械振動刺激下靜電力絕對閾值

分辨閥值的測量參考上面的實驗2進(jìn)行，按照靜電力絕對閥值設(shè)置電壓，但被測對象轉(zhuǎn)換為靜電力，實驗過程與電壓的增減方式完全參照實驗2，實驗結(jié)果如圖5所示，從圖中可以看出，不考慮機(jī)械振動的干擾下，分辨閥值的電壓為20.8V，而在機(jī)械振動的干擾下，分辨閥值的電壓無明顯變化，當(dāng)機(jī)械振動的電壓為100V時，靜電力分辨閥值仍在20V左右，與無機(jī)械振動干擾相的情況相比沒有明顯區(qū)別。

圖5 機(jī)械振動刺激下靜電力分辨閾值

4 結(jié)語

（1）研究機(jī)械振動對空氣壓膜觸覺回饋的影響，通過實驗法進(jìn)行實際測試發(fā)現(xiàn)，隨著機(jī)械振動的加強(qiáng)，空氣壓膜的絕對閥值呈上升趨勢，當(dāng)機(jī)械振動的電壓為100V時，空氣壓膜絕對閥值上升35%。

（2）研究機(jī)械振動對空氣壓膜觸覺回饋的影響，通過實驗法進(jìn)行實際測試發(fā)現(xiàn)，隨著機(jī)械振動的加強(qiáng)，空氣壓膜的分辨閥值無明顯變化。

（3）研究機(jī)械振動對靜電力觸覺回饋的影響，通過實驗法進(jìn)行實際測試發(fā)現(xiàn)，隨著機(jī)械振動的加強(qiáng)，靜電力的絕對閥值提高3.28倍，而靜電力分辨閥值無明顯變化。

（4）對實驗結(jié)果進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)機(jī)械振動對低頻目標(biāo)的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高頻目標(biāo)。

（5）綜合上述分析結(jié)果，當(dāng)混合使用機(jī)械振動、空氣壓膜、靜電力等多種觸覺回饋方式時，機(jī)械振動對絕對閥值與分辨閥值的影響應(yīng)作為考慮因素，這樣才能獲得最佳的平面觸覺感知模型。