19、新型触觉交互技术与阻尼感知掩蔽效应研究

新型触觉交互技术与阻尼感知掩蔽效应研究

在当今科技发展中，触觉交互技术和对阻尼感知的研究在多个领域有着重要意义。下面将为大家详细介绍两种不同但又都与触觉相关的研究内容，包括一种新的触觉交互技术——方向查询技术，以及关于阻尼感知掩蔽效应的实验研究。

方向查询：一种新的触觉交互技术

方向查询技术是一种为行人设计的触觉交互技术，它利用触觉反馈帮助用户在无法使用视觉反馈的情况下导航到目的地。

技术原理

该技术首先确定移动设备的初始方向，并以此为基准测量旋转角度。如果设备被判定为倒置，在计算方向时会反转坐标系，这使得该技术不受设备在用户手中实际方向的影响，更加稳健。

概念验证应用

此技术最初在运行Symbian^3操作系统的诺基亚手机（如诺基亚C7 - 00）上实现，也适用于任何Symbian Anna和Belle手机。它使用Qt框架和诺基亚地图进行编程。在测试应用中，方向信息可以通过方向查询和触觉图标两种方式呈现：
- 触觉图标 ：是一种振动模式，用于提示用户前进的方向，不同的振动模式代表不同的方向，具体如下表所示：
| 方向 | 振动模式 |
| — | — |
| 右转 | 100 ms短脉冲，接着100 ms间隔，再400 ms长脉冲 |
| 左转 | 300 ms脉冲，接着100 ms间隔，再200 ms脉冲 |
| 前进 | 250 ms短脉冲 |
| 后退 | 1000 ms长脉冲 |

当应用启动时，用户的位置会显示在地图上，用户可以通过键盘输入目的地，然后开始导航。两种技术都利用振动反馈，一是在接近十字路口时引起用户注意，二是引导用户朝正确方向前进。

试点实验

为了评估该系统的可行性，比较触觉图标和方向查询的精确性和愉悦性，研究人员在实验室环境中进行了试点实验。
- 实验过程 ：
1. 六名参与者（3名女性，3名男性）参与实验，其中一名参与者使用手机时更喜欢用左手，其余均为右撇子。实验前对两名参与者进行了预测试。
2. 参与者首先接受通用指导和第一种交互方法的简短培训，然后进行实际导航，完成后回答简短问卷。
3. 完成第一种方法后，重复上述过程，但不包括通用指导部分。使用九点量表（从 - 4 到 4）评估技术。
4. 实际测试中，两种方法都有两条相似的路线，一条有13个转弯，另一条有15个转弯。一半参与者先通过触觉图标导航，另一半先使用方向查询。路线也进行了平衡处理。参与者可以在十字路口多次重播触觉图标和重复方向查询。
- 实验结果 ：
- 精确性 ：所有参与者使用方向查询导航均无错误，一名参与者使用触觉图标时犯了四个错误。
- 重复次数 ：参与者使用触觉图标时每转弯的重复次数比使用方向查询时多（平均0.47次 vs 0.30次）。
- 主观评价 ：单独评估时，方向查询被描述为更简单（+3 vs +0.7）、更容易（+3.2 vs +1）、更清晰（+2.7 vs +0.7）。参与者还认为方向查询更好（+2.2 vs +1.3）、更成功（+3.3 vs +2.5）、更有创意（+3 vs +2.2）、更愉悦（+1.7 vs +1）和更实用（+1.7 vs +1.5）。不过，Wilcoxon符号秩检验显示，只有易用性的差异具有统计学意义（W = 0，p < 0.05），这主要是由于本次试点实验的用户数量较少。

以下是两种技术评估结果的流程图：

graph LR
    A[精确性] --> B(方向查询无错误)
    A --> C(触觉图标有错误)
    D[重复次数] --> E(触觉图标多)
    D --> F(方向查询少)
    G[主观评价] --> H(方向查询更优)
    G --> I(触觉图标较差)

阻尼感知掩蔽效应研究

在实际的触觉环境中，往往存在多种因素，如惯性、刚度和阻尼，而我们对人类在多种因素组合的情况下辨别特定触觉属性的能力还知之甚少。因此，研究人员进行了两项心理物理实验，以确定阻尼感知的掩蔽效应。

研究背景

一个简单的模型可以描述广泛的触觉环境，即惯性、刚度和阻尼的组合。虽然每个孤立组件的感知极限已得到充分研究，但在实际环境中，多种组件通常同时存在，例如阻尼惯性系统。在触觉感知中，掩蔽信号会影响其他信号的辨别能力，在触觉领域，无关刺激也可能影响辨别能力。了解这些相互作用和掩蔽效应对于设计触觉人机界面、远程呈现系统和触觉渲染算法具有重要意义。

实验设计

• 选择阻尼研究的原因 ：一方面，假设当两个刺激尽可能相似时，掩蔽效应最大，刚度和惯性的频率响应与阻尼的相位差仅为 ±90°，而刚度和惯性之间的相位差为180°；另一方面，阻尼对于控制器设计至关重要，更高的阻尼可以扩大稳定性范围。
• 试点研究 ：
  • 刺激选择 ：选择两个不同的阻尼水平d1 = 10 Ns/m和d2 = 20 Ns/m，它们高于绝对检测阈值且足够小以防止疲劳。在试点研究中，分别确定用于在主实验中掩蔽阻尼的刚度和惯性参数值。对于每个参数，区分两种情况：一是人类应将整体环境感知为阻尼和刚度或阻尼和惯性的组合，两者都不占主导地位，此时刚度和惯性的值分别记为k1和m1；二是人类应感知主要由刚度或惯性组成的环境，阻尼仍可感知但处于次要地位，此时刚度和惯性的值分别记为k2和m2。
  • 实验过程 ：参与者被要求修改由阻尼和最小惯性m0 = 0.5 kg组成的环境，通过旋钮添加刚度或惯性。在需要添加刚度的条件下，旋钮旋转一圈对应10 N/m；对于惯性，旋转一圈相当于变化1 kg。参与者被要求产生两种不同的条件：一种是刚度或惯性的印象略低于阻尼（ksub，msub），另一种是刚度或惯性是略占主导地位的刺激（kdom，mdom）。
  • 实验结果 ：通过优化算法，确定刚度k1 = 19.0 N/m和惯性m1 = 2.8 kg。k2和m2取参与者报告的刚度kdom和惯性mdom的最大值，排除一个异常值后，确定k2 = 42.4 N/m和m2 = 5.3 kg。
• 主实验 ：
  • 实验目的 ：确定在模拟阻尼与惯性或刚度一起的触觉环境中，阻尼的可辨别差异，以识别这些干扰刺激的潜在掩蔽特性。
  • 实验条件 ：共测试10种条件，包括阻尼参数d1、d2单独以及与m1、m2或k1、k2掩蔽刺激组合的JND。为确保低水平基于位置的导纳控制器的稳定性，始终存在最小惯性m0 = 0.5 kg。
  • 实验过程 ：
    1. 八名来自不同学科的付费受试者参与实验，平均年龄28.5岁。所有参与者在参与前均给予知情同意，其中两名有触觉设备使用经验，三名是女性，均为右撇子。
    2. 实验前，参与者熟悉刺激和程序，包括纯惯性、阻尼、刚度以及阻尼与惯性和刚度的组合，并了解每个环境的具体信息。
    3. 在每个实验试验中，控制条件和刺激条件各呈现4秒，顺序随机。两个条件之间有1秒的休息时间，设备返回初始位置，参与者通过耳机听到提示音。参与者需要判断哪个块的阻尼更大，也可以选择回答不知道。
    4. 根据参与者的回答，每次试验后使用自适应楼梯阈值估计程序修改刺激。一个控制条件的阻尼JND自适应估计需要20 - 30次试验。
    5. 所有10种条件呈现两次，一次从控制条件下方开始楼梯，一次从上方开始。控制条件的顺序完全混合。五个楼梯程序组合成一个实验会话，约30分钟完成。每进行三次JND估计程序后，插入5分钟的休息时间。总共进行四次实验会话，会话之间至少休息30分钟以避免疲劳。

整个实验过程的流程图如下：

graph LR
    A[试点研究] --> B(选择阻尼水平)
    B --> C(确定刚度和惯性参数)
    C --> D(优化算法确定值)
    E[主实验] --> F(受试者参与)
    F --> G(熟悉刺激和程序)
    G --> H(实验试验)
    H --> I(自适应修改刺激)
    I --> J(多次会话完成实验)

以上研究为触觉交互技术和阻尼感知提供了有价值的见解，未来有望在更多领域得到应用和发展。方向查询技术在移动设备导航方面具有很大潜力，而阻尼感知掩蔽效应的研究有助于改进触觉人机界面和远程呈现系统的设计。

新型触觉交互技术与阻尼感知掩蔽效应研究

实验结果分析

实验得到了关于不同掩蔽刺激下阻尼的百分比JND（相对于控制条件），具体分析如下：
- 不同掩蔽条件下的JND变化 ：从实验结果来看，随着附加掩蔽刺激幅度的增加，阻尼的刚刚可察觉差异（JND）增大。这一现象在由阻尼/刚度和阻尼/惯性组成的环境中均有体现。例如，当阻尼与较大的刚度或惯性组合时，人类更难辨别阻尼的变化。以下是不同条件下的大致对比情况：
| 条件 | 阻尼JND相对变化趋势 |
| — | — |
| 无掩蔽（仅阻尼） | 较低 |
| 较小掩蔽刺激（如 k1 或 m1） | 有所增加 |
| 较大掩蔽刺激（如 k2 或 m2） | 显著增加 |

这种变化说明在复杂的触觉环境中，其他因素对阻尼感知产生了明显的干扰。
- 对实际应用的影响 ：这一实验结果对于触觉人机界面、远程呈现系统和触觉渲染算法的设计和评估具有重要意义。在设计触觉人机界面时，如果要突出阻尼这一特性，就需要考虑如何减少其他因素的掩蔽效应。例如，在设计一个需要用户感知阻尼变化的操作界面时，可以尽量降低环境中的刚度和惯性干扰，或者采用特殊的反馈方式来增强阻尼的感知。对于远程呈现系统，了解阻尼的掩蔽效应可以帮助优化系统的参数设置，提高用户对远程环境的真实感知度。在触觉渲染算法中，可以根据这一结果调整算法，使得在模拟复杂环境时，能够更准确地呈现阻尼特性。

以下是不同条件与阻尼JND关系的流程图：

graph LR
    A[无掩蔽] --> B(低JND)
    C[小掩蔽刺激] --> D(中JND)
    E[大掩蔽刺激] --> F(高JND)

研究总结与展望

方向查询技术总结

方向查询技术是一种具有创新性的触觉交互技术，它利用移动设备的加速度计和触觉反馈，为行人在无法使用视觉的情况下提供导航帮助。通过试点实验发现，该技术在精确性、易用性和用户体验等方面都优于触觉图标技术。它不仅避免了连续反馈带来的认知负担，还能节省能源，提高电池性能。该技术具有广泛的应用前景，可用于各种包含触觉执行器和方向传感器的移动设备，如手持设备、穿戴设备甚至汽车导航系统。但目前的研究还处于初步阶段，仅进行了小规模的试点实验，未来需要更多的参与者和更广泛的测试场景来进一步验证其效果。

阻尼感知掩蔽效应研究总结

通过两项心理物理实验，明确了在复杂触觉环境中阻尼感知的掩蔽效应，即随着附加掩蔽刺激幅度的增加，阻尼的JND增大。这一发现为相关领域的设计和评估提供了重要的理论依据。但研究也存在一定的局限性，例如实验环境相对简化，可能与实际的复杂场景存在差异。未来的研究可以考虑更复杂的多因素组合环境，以及不同人群（如不同年龄、性别、触觉敏感度）对阻尼掩蔽效应的差异。

以下是两种研究的对比总结表格：
| 研究内容 | 优势 | 局限性 | 未来方向 |
| — | — | — | — |
| 方向查询技术 | 精确性高、易用、节能 | 试点实验规模小 | 扩大实验规模，拓展应用场景 |
| 阻尼感知掩蔽效应研究 | 明确掩蔽效应，指导设计 | 实验环境简化 | 研究更复杂环境，考虑人群差异 |

综上所述，这两项研究为触觉交互和感知领域带来了新的见解和方法，未来的研究有望进一步完善和拓展这些技术，使其在更多实际场景中发挥作用，为用户带来更好的体验。无论是在导航、人机交互还是远程操作等领域，这些技术都具有巨大的潜力，值得我们持续关注和深入研究。