機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)裝置整體結構

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立的功能，共同組成了觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)。定位模塊主要負責準確的跟蹤手指位置，在這一模塊中采用紅外定位技術，對手指的位置進行探測，并將詳細信息以數(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備，可以說處理模塊起到了復雜的運算作用，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械設備，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的動作，為使用者提供觸覺反饋，當使用者的手指位置、力度、方向發(fā)生改變時，就會感受到相應的三維觸覺。交互模塊的主要設備見圖1所示。

圖1 融合機械振動、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)動電壓設置為160V，在3個區(qū)域中進行觸覺反饋測試，其中一個區(qū)域采取機械振動與空氣壓膜相結合的觸覺回饋，另兩個區(qū)域采取單純機械振動回饋，讓試驗者分別觸摸3個區(qū)域，找出復合型觸覺回饋的區(qū)域，假如實驗者可以連續(xù)3次找出正確的復合型觸覺回饋區(qū)域，說明這種復合型觸覺回饋的強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，重復上述實驗，直至實驗者能夠連續(xù)3次正確找出復合型觸覺回饋區(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合型觸覺回饋區(qū)域為止。反復增加電壓與減小電壓進行測試的目的，是為了找到能夠使試驗者獲得準確復合型觸覺反饋的正確閥值，在本次實驗中共進行了10次反復測試。

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

圖2 機械振動刺激下空氣壓膜絕對閾值

2 機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，設置3個區(qū)域中進行觸覺反饋測試，其中一個區(qū)域采取機械振動與空氣壓膜相結合的觸覺回饋，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次找出正確的強空氣壓膜回饋區(qū)域，說明這種強空氣壓膜回饋的強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，重復上述實驗，直至實驗者能夠連續(xù)三次正確找出強空氣壓膜回饋區(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空氣壓膜回饋區(qū)域為止。反復增加電壓與減小電壓進行測試的目的，是為了找到能夠使試驗者獲得準確強空氣壓膜回饋的分辨閥值，在本次實驗中共進行了10次反復測試。

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

圖3 機械振動刺激下空氣壓膜分辨閾值

3 機械振動對不同目標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致機械振動可能對上述兩種觸覺回饋機制產(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，實驗結果如圖4所示，從圖中可以看出，不考慮機械振動的干擾下，正確閥值的電壓為35V，而在機械振動的干擾下，正確閥值的電壓呈上升趨勢，當機械振動的電壓為100V時，靜電力觸覺反饋的正確閥值為116V，與無機械振動干擾相的情況相比上升了228%。

圖4 機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進行，按照靜電力絕對閥值設置電壓，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，實驗結果如圖5所示，從圖中可以看出，不考慮機械振動的干擾下，分辨閥值的電壓為20.8V，而在機械振動的干擾下，分辨閥值的電壓無明顯變化，當機械振動的電壓為100V時，靜電力分辨閥值仍在20V左右，與無機械振動干擾相的情況相比沒有明顯區(qū)別。

圖5 機械振動刺激下靜電力分辨閾值

4 結語

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

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

（3）研究機械振動對靜電力觸覺回饋的影響，通過實驗法進行實際測試發(fā)現(xiàn)，隨著機械振動的加強，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）對實驗結果進行對比分析發(fā)現(xiàn)機械振動對低頻目標的影響要遠遠高于高頻目標。

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