文|时梦嫣
编辑|时梦嫣
1.简介
过去二十年的技术进步使得可佩戴振动触觉显示器成为各种触觉呈现设备的非常有吸引力的选择。在科学论文和商业产品中已经引入了这种设备的几种变体，并且可以在同一显示器中传达各种振动触觉刺激.音圈致动器因其众多优点而广泛用于这种显示器中，包括它们被结合到基于织物的显示器中的能力，使它们便于携带和方便使用。
这些致动器阵列的使用，例如在触觉套筒中使用的那些，允许对用户的大量信息进行编码。振动触觉模式可以通过操纵致动器上振动的顺序来呈现，从而能够向用户呈现大范围的感觉。音圈致动器在可佩戴振动触觉显示器中的使用为新颖和复杂的触觉技术的发展开辟了令人兴奋的可能性.
一些研究人员研究了刺激持续时间对触觉识别准确性的影响，并发现了显著的可变性，揭示了振动触觉刺激的持续时间可以显著影响定位准确性，持续时间较长的刺激通常会导致更好的表现。
刺激频率和位置，能对前臂音圈致动器振动触觉辨别性能产生影响吗？
2.实验
2.1.一般实验设置
这项实验是在冰岛大学的消声室中进行的。参与者坐在笔记本电脑前的椅子上。可佩戴的振动触觉套筒放置在左前臂上，触觉致动器在背侧。参与者将他们的前臂放在一个泡沫垫上(桌子上),手掌朝下。
通过在视线中放置泡沫来阻止他们对左臂的观察，以防止任何潜在的视觉偏差(例如来自可见振动的视觉偏差)。
为了防止触觉致动器发出听觉提示，通过耳挂式耳机播放白噪声来掩盖致动器发出的任何声音。振动触觉刺激通过三个音圈致动器(型号:Lofelt L5，参见图2a)传递到前臂。
在记录每个参与者的数据之前，加速度测量用于校准振动触觉信号的强度。三轴加速度计(brüEl & kjr Type 4520)用于测量振动的加速度并校准其强度。
为了保证一致性并消除任何偏差来源，在开始辨别测试之前，对每个参与者单独执行该校准过程。校准每个参与者前臂上的振动触觉套筒，使我们能够确保在整个实验过程中，皮肤感受到相同的信号强度。
还使用FSR03系列(Ohmite Manufacturing Company，Warrenville，IL，USA)的力敏电阻器(FSR)在外壳和前臂皮肤的接触表面进行力测量，并在1.64 N下获得表1提供实验中使用的不同频率下信号的加速度幅度。
表1。研究中所有频率的振幅和加速度幅度。
我们测量了每位参与者(四名男性和四名女性)的前臂长度，这些信息显示在表2。
表二。左前臂长度测量。
研究参与者在前臂长度上没有显著差异，因此平均前臂长度被用作获取生物特征信息的参数。研究参与者的平均前臂长度为23.3厘米。图1显示了沿前臂放置的致动器的生物特征尺寸。
图一。用于确定三个致动器(×)沿前臂的位置的生物统计学测量值是从实验中八个参与者的平均前臂长度得出的。致动器的中心点用于精确测量。致动器之间的距离为20 mm，而音圈宽度为17 mm。
第一个致动器的中心点到手腕的距离为41.4 mm，这说明了33 mm的拉伸带宽度和距第一个致动器中心的额外的8.5 mm尺寸。
音圈致动器由连接到笔记本电脑的音频硬件供电和控制，定制的Python代码控制刺激呈现。致动器通过有线接口连接到音频硬件。
音频硬件包括数字音频接口(RME马迪法斯XT) 数模转换器(铁鱼A32)、多通道放大器和平行振动音圈致动器(Lofelt L5) .使用这种设置，可以独立控制多达32个触觉通道。触觉致动器沿纵向放置在前臂背侧，引起垂直于前臂长度的来回振动。在主要实验开始之前，参与者完成了一些训练试验，以熟悉设置、仪器和触觉刺激。
2.2.执行器
触觉刺激是使用音圈致动器产生的，特别是Lofelt L5型号(如所示图2a，b)。L5致动器是一种扩展频带类型的致动器，能够独立操纵刺激频率和振幅，并广泛用于实现用于科学目的的触觉刺激.
图二。（a)本研究中使用的音圈致动器(型号:lo felt L5)；（b)关于L5音圈致动器的空间尺寸的技术细节和信息.
L5致动器具有高加速度和高效率、轻质设计和高成本效益的特点，适合各种振动触觉显示器，如所示表3。此外，Lofelt L5音圈致动器可以产生平行于皮肤的振动，包括切向振动.
表3。Lofelt L5执行器的触觉、电气和声学特性.
L5致动器被放置在专门为触觉套筒设计的外壳中。外壳设计测试了几个版本，最终设计是直接3D打印到织物上的(图3a，b)。外壳/外罩的目的是防止致动器与其他物体接触，从而抑制振动。L5致动器的物理尺寸为W: 17.0 × D: 20.5 × H: 6.2 mm，在最大位移振动时，其尺寸为W: 17.0 × D: 25.5 × H: 6.2 mm(致动器可能不会振动到最大，但可以做到)。外壳的尺寸为宽:17.0 ×深:28 ×高:6.2毫米(参见图3a)。
图3。（a2)用于沿着前臂应用Lofelt L5致动器的套筒设计的概述；（b)可佩戴振动触觉套筒和致动器配置的示例。
2.3.振动触觉套筒
一个柔软而薄的基于织物的振动触觉套筒是专门为这个实验制作的。触觉套筒由强力网眼织物(强力网眼织物材料:90%尼龙和10%氨纶)制成，这使得可穿戴套筒舒适且用户友好。带有Velcro的弹性带用于将触觉套筒固定到前臂上，并使其易于根据用户前臂的厚度进行调节(参见图3b)。
外壳以垂直于前臂长度的3 × 1阵列(纵向)沿前臂背侧放置(图3a，b)。致动器之间的间距为20 mm。使用该距离的决定是基于我们之前的研究，当考虑到L5致动器的设计便利性时，其用于确定提供最高定位精度的音圈致动器之间的间距。
2.4.参与者
八名参与者(四名女性和四名男性，年龄在23至37岁之间)参加了这项研究。所有参与者都是右利手，自我报告有正常的触觉感知。他们是健康的成年人，没有报告任何可能影响他们完成任务能力的认知或感觉障碍。在参与研究之前，每个参与者都签署了一份书面同意书。该研究是根据当地伦理委员会和赫尔辛基宣言的要求进行的。
2.5.程序
该研究旨在调查前臂上触觉刺激的频率是否对参与者的定位灵敏度有任何影响。每位参与者都有96对触觉配对。每个触觉对包括由致动器提供的两个连续的触觉刺激。每个触觉刺激的持续时间为250毫秒，刺激间隔为100毫秒。确保刺激持续时间的准确调整需要考虑系统的上升和停止时间。
在每一对触觉呈现后，参与者被要求报告该对触觉是由同一个致动器提供的还是来自两个不同的致动器(2AFC范式)。观察者的反应是在指定的反应时间内(在每个触觉对出现的间歇时间内，最长2000毫秒)按下他们面前桌子上数字键盘上的两个键中的一个。一旦他们提供了反馈，或者如果从呈现该对触觉刺激起已经过了超过2000 ms，则呈现新的一对振动触觉刺激(图4).
图4。一名参与者戴着振动触觉套，手放在垫子上，使用耳机(播放白噪声)屏蔽外部听觉提示。另一个垫子阻止观察者看到他们的左手。观察者通过按下无线键盘上相应的键来响应振动触觉刺激是在相同还是不同的位置。
3.结果
我们使用2AFC范式来研究每个刺激的振动频率及其刺激位置如何影响振动触觉刺激对的定位精度。观察者的任务是指出两次刺激是否发生在同一位置，感兴趣的主要变量是这项任务的准确性。
总的发现(在这种情况下，不管刺激是否是S一还是S2)显示在图5甲，乙。图6显示了按第一刺激(面板中的第一刺激(S1 ))和第二刺激(S)的频率细分的结果2)由不同的点表示)。进行三向ANOVA分析以检验三个独立变量的影响:(1)第一刺激的频率(S1)，(2)第二刺激的频率(S2)，和(3)刺激的位置对定位准确性的影响。
图5。（a)作为前臂上刺激的函数的辨别准确度。三个致动器放置在沿前臂的三个位置:一个靠近手腕，一个靠近肘部，一个在中间(见方法)。刺激以五种不同的方式呈现，包括(1)两种刺激都呈现在手腕上，(2)两种刺激都呈现在肘部附近，(3)两种刺激都呈现在中间致动器(中间)，(4)第一刺激(S1)呈现在中间，第二刺激(S2)呈现在手腕上，反之亦然(手腕和中间之间的位移)，(5)第一刺激(S1)呈现在中间，第二刺激(S2)呈现在肘部，反之亦然(肘部和中间之间的位移)。（b)S的精度分布一和S2作为频率的函数。
图6。不同频率组合的平均正确率一在不同的面板中表示(a–d)并且每个面板中的不同点表示S的频率2。
方差分析揭示了位置的主效应(F (2，18)= 20.58；p= 0.00002).频率的影响(无论是对S1还是S2)都不显著，任何交互作用也不显著(所有p值%3E为0.54)。这些发现清楚地表明，刺激的位置对判断序列中是否刺激了一个或两个不同位点的准确性有显著影响，正如ANOVA清楚地表明的位置的大影响。具体来说，当两种刺激都出现在靠近手腕和肘部的致动器上时，准确度明显更高(参见图5a)。
事后分析，带Bonferroni校正(p-调整到0.005的值；看见表4)，揭示了不同刺激位置的定位精度和辨别精度的统计显著差异，特别是显示了手腕和肘部的性能最佳。
表4。这p-事后测试的值。
4.讨论
用于增强感知或用于感官替代的振动触觉显示器的发展使得理解人类触觉感知的机制变得非常重要。为了优化皮肤刺激参数的吞吐量，重要的是研究在它们的轨迹变得不可区分之前在特定区域内可以放置多少致动器，以及各种参数如何影响准确性和信息的有效传递。
为了应对这些挑战，我们进行了一项实验，比较了一系列触觉刺激在前臂背侧不同部位的定位:手腕、手腕和肘部之间的前臂长度以及肘部附近。我们的目的是探索3 × 1音圈致动器阵列的尺寸对振动触觉定位的影响。我们的数据，使用相对点定位，证明了刺激沿着前臂的位置显著影响辨别的准确性。
我们以前的结果表明，当同时考虑性能精度和设计便利性(具有L5个致动器)时，致动器之间的最佳距离约为20 mm。然而，进一步的研究是必要的，以测试这样的假设，即在腕部和肘部附近使用更密集的致动器放置或者对于沿着前臂放置的致动器使用更高的振动幅度将提高精确度。
未来测试的一个有趣的建议是，前臂上的振动触觉定位是否存在各向异性，即靠近假定的锚点准确性更高。
5.结论
虽然实现高于概率水平的识别精度不一定保证有效的信息传输，但是所需的精度水平最终取决于给定应用的具体目标。我们的实验为前臂振动触觉显示器的设计参数提供了有价值的见解，特别是关于致动器的配置和放置。沿着前臂的刺激位
此外，该实验提高了研究前臂振动触觉定位各向异性的可能性。需要进一步探索，以确定在手腕和肘部附近使用更密集的致动器放置，或者对沿前臂放置的致动器使用更高的振动幅度是否可以进一步提高精度。
总之，我们的研究有助于我们理解人类触觉感知的机制，并为前臂安装式振动触觉显示器的设计提供了有价值的建议。通过将这些见解整合到开发过程中，创建更有效和高效的系统变得可行，这些系统可以增强用户的体验和与触觉反馈的交互，最终提高性能和可用性。
因此，这项研究促进了我们对影响振动触觉信息有效传输的因素的理解，并可能为创建用于前臂安装显示器的更复杂的触觉反馈技术铺平道路。这种发展只有在清楚地理解所讨论的知觉机制的心理物理学特性的情况下才会成功。
参考
- 瓦尔松，E.At .Á·斯盖尔斯多蒂尔；平德，女；Á克里斯蒂安松。；使用平行振动致动器在腕部进行振动触觉阈值测量。ACM Trans应用感知。 2022,19, 1–11.
- 谭，何鸿志；新泽西州杜拉赫；里德，C.M多指触觉显示器的信息传输。感知。心理生理。 1999,61, 993–1008.
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