机械振动对平面触觉感知特性的影响

陈立军

（大庆石化五龙实业有限公司，黑龙江 大庆 163714）

1 再现装置整体结构

触觉再现装置主要包含定位、处理、驱动、交互、四大模块，这四个模块都具有独立的功能，共同组成了触觉再现系统。定位模块主要负责准确的跟踪手指位置，在这一模块中采用红外定位技术，对手指的位置进行探测，并将详细信息以数据的形式传递给处理模块；处理模块既包含用于生成触觉驱动信号的逻辑单元，又包含多种视觉显示设备，可以说处理模块起到了复杂的运算作用，并将生成的驱动参数发送给驱动模块；驱动模块接收到驱动参数后，按照要求生成各种驱动信号，例如生成与驱动参数相匹配的静电力信号、压力信号与振动信号等能够被物理设备所使用的信号源，从而实现电容屏的触觉反馈；交互模块中包含各种机械设备，驱动模块生成驱动信号后发送给交互模块，交互模块中的静电力触摸屏、压电陶瓷片与振动源按照信号还原成各种能够引起触觉反应的动作，为使用者提供触觉反馈，当使用者的手指位置、力度、方向发生改变时，就会感受到相应的三维触觉。交互模块的主要设备见图1所示。

图1 融合机械振动、空气压膜与静电力的触觉再现装置实物图

实验采取多次测试的方法，以实验者的反馈信息作为检测条件，将刺激信号的驱动电压设置为160V，在3个区域中进行触觉反馈测试，其中一个区域采取机械振动与空气压膜相结合的触觉回馈，另两个区域采取单纯机械振动回馈，让试验者分别触摸3个区域，找出复合型触觉回馈的区域，假如实验者可以连续3次找出正确的复合型触觉回馈区域，说明这种复合型触觉回馈的强度能够清晰的传递给试验者，此时将驱动电压下调20V，然后重复上述实验过程，假如实验者依然可以连续3次找出正确的复合型触觉回馈区域，则再将电压下调20V，以此类推，直至试验者无法正确找出复合型触觉回馈区域为止。这时将电压以每次10V的量增加，重复上述实验，直至实验者能够连续3次正确找出复合型触觉回馈区域为止。再将电压以每次4V的量减小，直至试验者无法正确找出复合型触觉回馈区域为止。反复增加电压与减小电压进行测试的目的，是为了找到能够使试验者获得准确复合型触觉反馈的正确阀值，在本次实验中共进行了10次反复测试。

通过上述实验所获得的能够使试验者获得准确复合型触觉反馈的正确阀值见图2所示。从图2中可以看出，不考虑机械振动的干扰下，正确阀值的电压为34V，而在机械振动的干扰下，正确阀值的电压呈上升趋势，当机械振动的电压为100V时，复合型触觉反馈的正确阀值为46V，与无机械振动干扰相的情况相比上升了35%。

图2 机械振动刺激下空气压膜绝对阈值

2 机械振动对空气压膜分辨阈值的影响

实验采取多次测试的方法，以实验者的反馈信息作为检测条件，设置3个区域中进行触觉反馈测试，其中一个区域采取机械振动与空气压膜相结合的触觉回馈，空气压膜的起始值为160V，另两个区域采取机械振动与50V恒定空气压膜回馈，让试验者分别触摸3个区域，找出强空气压膜回馈的区域，假如实验者可以连续3次找出正确的强空气压膜回馈区域，说明这种强空气压膜回馈的强度能够清晰的传递给试验者，此时将驱动电压下调20V，然后重复上述实验过程，假如实验者依然可以连续三次找出正确的强空气压膜回馈区域，则再将电压下调20V，以此类推，直至试验者无法正确找出强空气压膜回馈区域为止。这时将电压以每次10V的量增加，重复上述实验，直至实验者能够连续三次正确找出强空气压膜回馈区域为止。再将电压以每次4伏的量减小，直至试验者无法正确找出强空气压膜回馈区域为止。反复增加电压与减小电压进行测试的目的，是为了找到能够使试验者获得准确强空气压膜回馈的分辨阀值，在本次实验中共进行了10次反复测试。

通过上述实验所获得的能够使试验者获得准确强空气压膜回馈的分辨阀值见图2所示。从图2中可以看出，不考虑机械振动的干扰下，分辨阀值的电压为15V，而在机械振动的干扰下，分辨阀值的电压无明显变化，当机械振动的电压为100V时，强空气压膜回馈的分辨阀值仍在15V左右，与无机械振动干扰相的情况相比没有明显区别。

图3 机械振动刺激下空气压膜分辨阈值

3 机械振动对不同目标刺激感知阈值的影响

液晶屏上常使用的触觉回馈有空气压膜与静电力两种。人的手指对静电力触觉的敏感频率为120Hz，静电力触觉反馈机制为电容屏与手指皮肤之间的静电吸力变化引起的摩擦，使人的手指能够感觉到反馈触觉。空气压膜触觉反馈需要达到41400Hz才能被人的皮肤神经清晰的捕捉到，是通过改变屏幕与皮肤间的气膜来改变摩擦，由于工作原理的不同导致机械振动可能对上述两种触觉回馈机制产生影响，但影响程度会有一定差异，下面依然采取实验法，探寻这种差异的原理。

实验依然采取多次测试的方法，以实验者的反馈信息作为检测条件，首先测量机械振动对静电力触觉反馈绝对阀值与分辨阀值的影响，参考上面的实验1进行，试验的开始电压为400V，但被测对象转换为静电力，实验过程与电压的增减方式完全参照实验1，实验结果如图4所示，从图中可以看出，不考虑机械振动的干扰下，正确阀值的电压为35V，而在机械振动的干扰下，正确阀值的电压呈上升趋势，当机械振动的电压为100V时，静电力触觉反馈的正确阀值为116V，与无机械振动干扰相的情况相比上升了228%。

图4 机械振动刺激下静电力绝对阈值

分辨阀值的测量参考上面的实验2进行，按照静电力绝对阀值设置电压，但被测对象转换为静电力，实验过程与电压的增减方式完全参照实验2，实验结果如图5所示，从图中可以看出，不考虑机械振动的干扰下，分辨阀值的电压为20.8V，而在机械振动的干扰下，分辨阀值的电压无明显变化，当机械振动的电压为100V时，静电力分辨阀值仍在20V左右，与无机械振动干扰相的情况相比没有明显区别。

图5 机械振动刺激下静电力分辨阈值

4 结语

（1）研究机械振动对空气压膜触觉回馈的影响，通过实验法进行实际测试发现，随着机械振动的加强，空气压膜的绝对阀值呈上升趋势，当机械振动的电压为100V时，空气压膜绝对阀值上升35%。

（2）研究机械振动对空气压膜触觉回馈的影响，通过实验法进行实际测试发现，随着机械振动的加强，空气压膜的分辨阀值无明显变化。

（3）研究机械振动对静电力触觉回馈的影响，通过实验法进行实际测试发现，随着机械振动的加强，静电力的绝对阀值提高3.28倍，而静电力分辨阀值无明显变化。

（4）对实验结果进行对比分析发现机械振动对低频目标的影响要远远高于高频目标。

（5）综合上述分析结果，当混合使用机械振动、空气压膜、静电力等多种触觉回馈方式时，机械振动对绝对阀值与分辨阀值的影响应作为考虑因素，这样才能获得最佳的平面触觉感知模型。