宋瑞，孫曉穎，劉國紅

（吉林大學(xué) 通信工程學(xué)院，長春130022）

觸摸屏上的觸覺再現(xiàn)技術(shù)是人工智能與人機(jī)交互的前沿技術(shù)，可以廣泛應(yīng)用于輔助醫(yī)療、網(wǎng)絡(luò)娛樂、教育教學(xué)、軍事仿真等重要領(lǐng)域。通過平面觸覺再現(xiàn)技術(shù)，人們裸指觸摸智能手機(jī)、平板電腦時(shí)能夠感受到虛擬物體的形狀、輪廓、紋理等物理屬性，增強(qiáng)了交互過程的真實(shí)感和沉浸感。目前應(yīng)用于觸摸屏上的觸覺再現(xiàn)方式主要有空氣壓膜式［1-4］、靜電力式［5-6］、機(jī)械振動(dòng)式［7-9］以及融合空氣壓膜與靜電力式［10-11］、融合機(jī)械振動(dòng)與靜電力式［12］。

掩 蔽 效 應(yīng) 存 在 于 視 覺［13］、聽 覺［14-15］和 觸覺［16-17］等不同的感覺模式中。在觸覺再現(xiàn)中，掩蔽效應(yīng)可以定義為當(dāng)一種或者多種觸覺反饋同時(shí)工作時(shí)，一種觸覺反饋（掩蔽刺激）效果對(duì)另一種觸覺反饋（目標(biāo)刺激）效果的影響。掩蔽刺激影響觸覺反饋感知特性（絕對(duì)閾值與分辨閾值）變化［18］。觸覺反饋感知特性的變化會(huì)影響觸覺再現(xiàn)渲染方法中驅(qū)動(dòng)信號(hào)的選擇方式和加載方式，進(jìn)而影響觸覺渲染模型建立的準(zhǔn)確性和觸覺再現(xiàn)效果的真實(shí)性。

在觸覺再現(xiàn)中，關(guān)于掩蔽效應(yīng)的研究可以分為兩類。一類為掩蔽刺激和目標(biāo)刺激為同一種觸覺反饋方式時(shí)，掩蔽效應(yīng)對(duì)觸覺感知特性的影響。Craig［19］以機(jī)械振動(dòng)為掩蔽刺激，以同頻的機(jī)械振動(dòng)為目標(biāo)刺激，研究沒有掩蔽刺激和存在3種不同幅度的掩蔽刺激情況下，機(jī)械振動(dòng)分辨閾值的變化，提出了一種能夠解釋韋伯函數(shù)隨著掩蔽強(qiáng)度的變化而增加并預(yù)測掩蔽閾值的模型。Vardar等［20］研究了靜電力掩蔽刺激對(duì)觸摸屏上顯示的靜電力觸覺感知的影響，發(fā)現(xiàn)感知閾值隨著掩蔽刺激水平的增加以線性函數(shù)形式增加；并探究了掩蔽刺激效應(yīng)對(duì)邊緣銳度感知的影響，探究得出銳度感知取決于背景和前景刺激之間的局部對(duì)比度，可以逐漸降低背景邊緣附近的電振動(dòng)幅度，使邊緣感覺更加清晰，或者可以使用高頻電振動(dòng)信號(hào)作為邊緣，低頻信號(hào)作為背景來增強(qiáng)邊緣的清晰度。

另一類關(guān)于掩蔽效應(yīng)的研究為掩蔽刺激和目標(biāo)刺激為不同種觸覺反饋方式。目前這一方面研究仍處于起步階段。Ryu等［21］研究了以機(jī)械振動(dòng)作為掩蔽刺激，靜電力作為目標(biāo)刺激時(shí)，機(jī)械振動(dòng)對(duì)靜電力感知閾值的影響，其研究結(jié)果表明隨著機(jī)械振動(dòng)刺激強(qiáng)度的增加，靜電力絕對(duì)閾值以斜坡函數(shù)形式增加，分辨閾值沒有顯著變化。靜電力觸覺再現(xiàn)方式通過指尖與加有電信號(hào)的電容屏之間產(chǎn)生靜電吸引力改變手指與電容屏之間的摩擦，達(dá)到增大切向觸覺反饋力的效果?？諝鈮耗ぷ鳛榱硗庖环N平面終端觸覺反饋方式，其通過指尖與貼有壓電陶瓷片的電容屏之間產(chǎn)生擠壓氣膜來改變電容屏表面的摩擦，達(dá)到減小切向觸覺反饋力的效果?？諝鈮耗ず挽o電力觸覺反饋均改變切向反饋力，但由于其工作原理及觸覺反饋效果的差異，機(jī)械振動(dòng)作為掩蔽刺激時(shí)對(duì)靜電力感知閾值影響的結(jié)論可能并不適用于空氣壓膜。

本文基于融合機(jī)械振動(dòng)、空氣壓膜與靜電力的多媒體觸覺再現(xiàn)裝置，研究機(jī)械振動(dòng)作為掩蔽刺激時(shí)對(duì)空氣壓膜絕對(duì)閾值和分辨閾值的影響。創(chuàng)新性研究工作概括如下：首先，采用“三下一上”的實(shí)驗(yàn)方法，研究了5種不同幅度的機(jī)械振動(dòng)作為掩蔽刺激時(shí)，空氣壓膜感知閾值的變化。研究發(fā)現(xiàn)，隨著機(jī)械振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電壓幅度的增加，空氣壓膜絕對(duì)閾值由34.30 V增加到46.41 V，增加了35.31%，分辨閾值無明顯變化。其次探究了機(jī)械振動(dòng)掩蔽刺激對(duì)靜電力和空氣壓膜感知閾值影響的差異性。隨著機(jī)械振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電壓幅度的增加，靜電力絕對(duì)閾值由35.5 V增加到116.5 V，比空氣壓膜絕對(duì)閾值變化的更為顯著，分辨閾值無明顯變化。絕對(duì)閾值以及分辨閾值的變化會(huì)對(duì)觸覺渲染方法建模參數(shù)產(chǎn)生影響，感知特性的研究對(duì)在融合裝置上探究真實(shí)性更高的觸覺渲染方法有參考價(jià)值。

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

1.1 再現(xiàn)原理

機(jī)械振動(dòng)的原理如圖1所示，圖中：Fn為單個(gè)機(jī)械振動(dòng)源產(chǎn)生的法向力，振動(dòng)源工作在低頻，其產(chǎn)生的機(jī)械波在觸摸屏表面?zhèn)鞑?，從而使手指受到相?yīng)的法向力F′n，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的大小，即可改變手指受到法向力的大小。

空氣壓膜的原理如圖2所示，不激勵(lì)壓電陶瓷時(shí)，手指所受到的屏幕的支持力為FN，受到的摩擦力為Ff；激勵(lì)壓電陶瓷時(shí)，壓電陶瓷帶動(dòng)單點(diǎn)電容屏高頻振動(dòng)，在手指尖和單點(diǎn)電容屏之間形成了擠壓氣膜，導(dǎo)致手指受到的支持力F′N變小，所受到的摩擦力變小，達(dá)到了減小切向力的效果。調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號(hào)幅度的大小，即可改變手指受到切向力的大小。

靜電力的原理如圖3所示，單點(diǎn)電容屏通過產(chǎn)生靜電力改變手指受到的切向力，主要起到增大摩擦力的作用。不施加驅(qū)動(dòng)信號(hào)V（t）時(shí)手指所受到的屏幕的支持力為FN，受到的摩擦力為Ff；施加驅(qū)動(dòng)信號(hào)V（t）時(shí)，指尖內(nèi)的組織液和導(dǎo)電極板形成一個(gè)電容結(jié)構(gòu)，當(dāng)手指在屏幕上滑動(dòng)時(shí)，手指受到一個(gè)靜電吸引力Fe，導(dǎo)致屏幕對(duì)手指的支持力增大F′N=FN+Fe，手指所受的摩擦力也增大，達(dá)到了改變手指受到的切向力的效果；改變施加在導(dǎo)電極板上的驅(qū)動(dòng)信號(hào)V（t），就會(huì)導(dǎo)致手指受到的吸引力發(fā)生變化，進(jìn)而控制切向力的變化程度。

圖1 機(jī)械振動(dòng)觸覺反饋原理Fig.1 Princip le of tactile feedback ofmechanical vibration

圖2 空氣壓膜觸覺反饋原理Fig.2 Principle of tactile feedback of squeeze film effect

圖3 靜電力觸覺反饋原理Fig.3 Principle of tactile feedback of electrostatic force

融合機(jī)械振動(dòng)、空氣壓膜與靜電力觸覺再現(xiàn)裝置將反饋力從一個(gè)維度擴(kuò)展到兩個(gè)維度，手指靜止時(shí)可以通過振動(dòng)源的振動(dòng)來產(chǎn)生觸覺感受，手指運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以結(jié)合靜電力與機(jī)械振動(dòng)、空氣壓膜與機(jī)械振動(dòng)來改變手指受到的切向力與法向力，突破了靜電力只在運(yùn)動(dòng)過程中有反饋?zhàn)饔玫南拗疲瑢?shí)現(xiàn)了切向力既可以增大又可以減小的雙向調(diào)節(jié)。

1.2 再現(xiàn)裝置整體結(jié)構(gòu)

融合機(jī)械振動(dòng)、空氣壓膜與靜電力觸覺再現(xiàn)裝置主要結(jié)構(gòu)包括定位單元、處理單元、驅(qū)動(dòng)單元和交互單元4個(gè)部分，裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。定位單元采用紅外定位，可以實(shí)時(shí)獲取手指位置坐標(biāo)，然后將獲取的手指位置坐標(biāo)發(fā)送給處理單元。處理單元，包括各種多媒體終端，用于輸出視覺信息，同時(shí)對(duì)手指位置處的圖像進(jìn)行渲染得到觸覺驅(qū)動(dòng)信號(hào)參數(shù)，并將該參數(shù)發(fā)送到驅(qū)動(dòng)單元。驅(qū)動(dòng)單元，根據(jù)接收的驅(qū)動(dòng)信號(hào)參數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)的靜電力、空氣壓膜與機(jī)械振動(dòng)3種觸覺反饋的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)電容屏的觸覺反饋功能與手指定位功能的分時(shí)復(fù)用。交互單元，包括靜電力觸摸屏、壓電陶瓷片與振動(dòng)源，接收驅(qū)動(dòng)單元的驅(qū)動(dòng)信號(hào)并呈現(xiàn)相應(yīng)的觸覺反饋，改變手指受到的切向力和法向力，從而實(shí)現(xiàn)三維的觸覺再現(xiàn)感受。

融合機(jī)械振動(dòng)、空氣壓膜與靜電力的觸覺再現(xiàn)裝置的實(shí)物圖如圖5所示。

圖4 融合機(jī)械振動(dòng)、空氣壓膜與靜電力的觸覺再現(xiàn)裝置結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Structure block diagram of tactile reproduction device with mechanical vibration，squeeze film effect and electrostatic force

圖5 融合機(jī)械振動(dòng)、空氣壓膜與靜電力的觸覺再現(xiàn)裝置實(shí)物圖Fig.5 Photo of tactile reproduction device with mechanical vibration，squeeze film effect and electrostatic force

裝置最底層是Microsoft Surface Pro 3，作為處理單元。粘貼在Surface上面的是3M觸摸屏，3M觸摸屏產(chǎn)生切向的靜電力觸覺反饋，起到增大摩擦的效果。粘貼在3M觸摸屏短邊兩側(cè)的是壓電陶瓷片，壓電陶瓷產(chǎn)生切向的空氣壓膜觸覺反饋，起到減小摩擦的效果。粘貼在3M觸摸屏長邊兩側(cè)的是振動(dòng)源，振動(dòng)源產(chǎn)生法向的機(jī)械振動(dòng)觸覺反饋。粘貼在3M 觸摸屏一周的是紅外定位框，紅外定位框作為定位單元。

2 機(jī)械振動(dòng)對(duì)空氣壓膜感知閾值的影響

觸覺感知閾值包括觸覺感知的絕對(duì)閾值以及分辨閾值，絕對(duì)閾值是指剛能引起觸覺感覺的最小刺激信號(hào)幅度，分辨閾值是指在刺激引起觸覺感覺之后人體能感覺到刺激強(qiáng)度變化的最小幅度間隔。本節(jié)以機(jī)械振動(dòng)為掩蔽刺激，空氣壓膜為目標(biāo)刺激，研究5種不同幅度的機(jī)械振動(dòng)掩蔽刺激下空氣壓膜感知閾值的變化。

2.1 機(jī)械振動(dòng)對(duì)空氣壓膜絕對(duì)閾值的影響

對(duì)于所有實(shí)驗(yàn)，使用相同的實(shí)驗(yàn)界面，如圖6所示。實(shí)驗(yàn)界面劃分為3個(gè)區(qū)域，隨機(jī)選擇其中1個(gè)區(qū)域提供測試刺激（空氣壓膜和機(jī)械振動(dòng)觸覺反饋），另外2個(gè)區(qū)域提供參考刺激（機(jī)械振動(dòng)觸覺反饋）。

采用“三下一上”的方法，獲取機(jī)械振動(dòng)觸覺反饋的絕對(duì)閾值為20.46V，機(jī)械振動(dòng)觸覺反饋的分辨閾值為11.61 V。因此選取大于機(jī)械振動(dòng)觸覺反饋分辨閾值的驅(qū)動(dòng)電壓幅度20 V為間隔，在20、40、60、80、100 V 5種不同機(jī)械振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電壓幅度下探究機(jī)械振動(dòng)觸覺反饋對(duì)空氣壓膜和靜電力感知閾值的影響。

圖6 實(shí)驗(yàn)界面Fig.6 Experimental interface

實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)者同時(shí)受到測試刺激和參考刺激，如圖7所示，空氣壓膜觸覺反饋僅在測試刺激中提供，機(jī)械振動(dòng)觸覺反饋則在測試刺激和參考刺激中都提供。空氣壓膜刺激波形選用正弦波，測試頻率為41 400 Hz，此頻率為諧振頻率；機(jī)械振動(dòng)刺激測試頻率選用220 Hz，此頻率為實(shí)驗(yàn)者的敏感頻率，波形選用正弦波，其振幅在0～100 V的范圍內(nèi)以20 V為間隔變化。每一種刺激都持續(xù)1.8 s，相鄰刺激間隔0.6 s。

圖7 機(jī)械振動(dòng)刺激下空氣壓膜絕對(duì)閾值測試刺激和參考刺激加載方式Fig.7 Loading method of test stimulus and reference stimulus for absolute thresholds of squeeze film effect undermechanical vibration

實(shí)驗(yàn)過程采用“三下一上”的實(shí)驗(yàn)方法，具體方法如下：實(shí)驗(yàn)過程中測試刺激信號(hào)電壓值從空氣壓膜觸覺反饋?zhàn)畲篁?qū)動(dòng)電壓值160 V開始，在3個(gè)區(qū)域中任選1個(gè)區(qū)域施加測試刺激（機(jī)械振動(dòng)和空氣壓膜觸覺反饋），其他2個(gè)區(qū)域施加參考刺激（機(jī)械振動(dòng)觸覺反饋）。實(shí)驗(yàn)者通過反復(fù)觸摸3個(gè)區(qū)域?qū)Ρ扔|覺感受，作答哪個(gè)區(qū)域?yàn)闇y試刺激區(qū)域。若實(shí)驗(yàn)者作答的測試信號(hào)存在區(qū)域?yàn)榇碳ば盘?hào)施加區(qū)域即為答對(duì)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)者連續(xù)給出3個(gè)正確的響應(yīng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓以20 V的幅度逐次遞減；直到參與者提交一個(gè)不正確的響應(yīng)后，電壓幅值停止減小，轉(zhuǎn)變?yōu)閺脑撾妷洪_始以10 V的幅度逐次增加；當(dāng)實(shí)驗(yàn)者連續(xù)給出3個(gè)正確的響應(yīng)時(shí)，電壓幅值停止增加，從該電壓值處開始以4 V的幅度逐次遞減。電壓由下降轉(zhuǎn)為上升或者由上升轉(zhuǎn)為下降都稱為是一次“反轉(zhuǎn)”，實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行了10次反轉(zhuǎn)，以獲得盡可能準(zhǔn)確的絕對(duì)閾值。

利用一個(gè)實(shí)驗(yàn)者的一組數(shù)據(jù)對(duì)“三下一上”實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行說明，如圖8所示。空氣壓膜觸覺反饋起始驅(qū)動(dòng)電壓為160 V，以20 V為間隔變化，該實(shí)驗(yàn)者在60 V和40 V之間經(jīng)歷3次反轉(zhuǎn)后變成以10 V為間隔變化，該實(shí)驗(yàn)者在50 V和40 V之間經(jīng)歷3次反轉(zhuǎn)后變成以4 V為間隔變化，實(shí)驗(yàn)者在50 V與46 V之間經(jīng)歷10次反轉(zhuǎn)后確定絕對(duì)閾值為48 V。

實(shí)驗(yàn)過程中邀請(qǐng)12名實(shí)驗(yàn)者，平均年齡為26歲。所有的實(shí)驗(yàn)者都經(jīng)過預(yù)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，并且實(shí)驗(yàn)過程中均用右手操作。室內(nèi)溫度和濕度分別保持在23 ～28℃和35% ～55%。為了減少外界環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，采用異丙醇清潔顯示屏和受試者的手指。

采用“三下一上”的方法，獲取機(jī)械振動(dòng)觸覺反饋刺激下空氣壓膜的絕對(duì)閾值，如圖9所示。結(jié)果表明，在無機(jī)械振動(dòng)刺激的情況下，空氣壓膜的絕對(duì)閾值是34.30V，隨著機(jī)械振動(dòng)刺激驅(qū)動(dòng)電壓幅度的增加空氣壓膜的絕對(duì)閾值小幅度增加。當(dāng)機(jī)械振動(dòng)刺激的驅(qū)動(dòng)電壓幅度達(dá)到100 V時(shí)，空氣壓膜的絕對(duì)閾值增加到46.41V，相對(duì)于沒有機(jī)械振動(dòng)作為掩蔽刺激時(shí)的絕對(duì)閾值增加了35.31%。

12名實(shí)驗(yàn)者在不同幅度機(jī)械振動(dòng)刺激下空氣壓膜絕對(duì)閾值感知結(jié)果如圖10所示。從圖中可以看出，第3名實(shí)驗(yàn)者的觸覺感知能力最強(qiáng)，在不同幅度機(jī)械振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電壓刺激下都表現(xiàn)出較低的絕對(duì)閾值；第4名實(shí)驗(yàn)者的觸覺感知能力較弱，在不同幅度機(jī)械振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電壓刺激下都表現(xiàn)出較高的絕對(duì)閾值；第1名和第5名實(shí)驗(yàn)者不同幅度機(jī)械振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電壓刺激下絕對(duì)感知閾值差異較大；第2名、第6名和第8～12名實(shí)驗(yàn)者均表現(xiàn)出隨著機(jī)械振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電壓幅度增大絕對(duì)閾值逐漸增加的趨勢。

圖8 “三下一上”實(shí)驗(yàn)方法實(shí)例說明Fig.8 Example of“three-down-one-up”experimentalmethod

圖9 機(jī)械振動(dòng)刺激下空氣壓膜絕對(duì)閾值Fig.9 Influence ofmechanical vibration on absolute thresholds of squeeze film effect

2.2 機(jī)械振動(dòng)對(duì)空氣壓膜分辨閾值的影響

實(shí)驗(yàn)環(huán)境及實(shí)驗(yàn)者同2.1節(jié)所述，在分辨閾值測量中，預(yù)先設(shè)計(jì)好參考刺激，參考刺激的電壓值依賴于機(jī)械振動(dòng)刺激下空氣壓膜觸覺反饋絕對(duì)閾值的最大值。由絕對(duì)閾值實(shí)驗(yàn)結(jié)果得：空氣壓膜觸覺反饋參考刺激電壓值選為50 V。實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)者同時(shí)受到測試刺激和參考刺激。

如圖11所示，每一種刺激都持續(xù)1.8 s，相鄰刺激間間隔0.6 s，與絕對(duì)閾值測量實(shí)驗(yàn)不同的是不僅在測試刺激中提供空氣壓膜觸覺反饋，也在參考刺激中提供電壓值恒定為50 V的空氣壓膜觸覺反饋，該電壓高于機(jī)械振動(dòng)掩蔽刺激下空氣壓膜絕對(duì)閾值的最大值?？諝鈮耗ご碳げㄐ芜x用正弦波，測試頻率為41 400 Hz，此頻率為諧振頻率；機(jī)械振動(dòng)刺激測試頻率選用220Hz，此頻率為實(shí)驗(yàn)者的敏感頻率，波形選用正弦波，機(jī)械振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電壓幅度在0～100 V的范圍內(nèi)以20 V為間隔變化。

圖10 每名實(shí)驗(yàn)者在不同幅度機(jī)械振動(dòng)刺激下空氣壓膜絕對(duì)閾值Fig.10 Absolute threshold of squeeze film effect of each subject under mechanical vibration stimulation with different amplitudes

實(shí)驗(yàn)采用“三下一上”的實(shí)驗(yàn)方法，具體方法如下：實(shí)驗(yàn)過程中測試刺激信號(hào)電壓值從空氣壓膜觸覺反饋?zhàn)畲箅妷褐?60 V開始，在3個(gè)區(qū)域中任選1個(gè)區(qū)域施加測試刺激（機(jī)械振動(dòng)和160 V的空氣壓膜觸覺反饋），其他2個(gè)區(qū)域施加參考刺激（機(jī)械振動(dòng)和恒定為50 V的空氣壓膜觸覺反饋）。實(shí)驗(yàn)者通過反復(fù)觸摸3個(gè)區(qū)域?qū)Ρ饶膫€(gè)區(qū)域的空氣壓膜觸覺反饋更強(qiáng)一些，作答哪個(gè)區(qū)域?yàn)闇y試刺激區(qū)域。若實(shí)驗(yàn)者作答的測試信號(hào)存在區(qū)域?yàn)閷?shí)際測試刺激信號(hào)施加區(qū)域即為答對(duì)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)者連續(xù)給出3個(gè)正確的響應(yīng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓以20 V的幅度逐次遞減；直到參與者提交一個(gè)不正確的響應(yīng)后，電壓幅值停止減小，轉(zhuǎn)變?yōu)閺脑撾妷洪_始以10 V的幅度逐次增加；當(dāng)實(shí)驗(yàn)者連續(xù)給出3個(gè)正確的響應(yīng)時(shí)，電壓幅值停止增加，從該電壓值處開始以4 V的幅度逐次遞減。電壓由下降轉(zhuǎn)為上升或者由上升轉(zhuǎn)為下降都稱為是一次“反轉(zhuǎn)”，實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行了10次反轉(zhuǎn)，對(duì)10次反轉(zhuǎn)電壓數(shù)據(jù)求平均，再減去空氣壓膜參考刺激50 V即獲得盡可能準(zhǔn)確的分辨閾值。

采用“三下一上”的實(shí)驗(yàn)方法，獲取機(jī)械振動(dòng)掩蔽刺激下空氣壓膜的分辨閾值，如圖12所示。結(jié)果表明，無機(jī)械振動(dòng)刺激時(shí)空氣壓膜的分辨閾值是15.10V，隨著機(jī)械振動(dòng)刺激驅(qū)動(dòng)電壓幅度的增大，空氣壓膜分辨閾值在（15.21±0.67）V范圍內(nèi)浮動(dòng)，總體趨勢無明顯變化。

12名實(shí)驗(yàn)者在不同幅度機(jī)械振動(dòng)刺激下空氣壓膜分辨閾值感知結(jié)果如圖13所示。從圖中可以看出，第11名實(shí)驗(yàn)者對(duì)空氣壓膜觸覺反饋的感知能力較強(qiáng)，表現(xiàn)出較低的分辨閾值水平。第6～8名實(shí)驗(yàn)者對(duì)空氣壓膜觸覺反饋的感知能力較弱，表現(xiàn)出較高的分辨閾值水平。第3名實(shí)驗(yàn)者在40、60、80、100 V機(jī)械振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電壓刺激下空氣壓膜分辨閾值變化不明顯，第7名實(shí)驗(yàn)者在不同機(jī)械振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電壓刺激下只表現(xiàn)出2種相近水平的分辨閾值，其他實(shí)驗(yàn)者均在不同幅度機(jī)械振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電壓刺激下表現(xiàn)出一定差異性空氣壓膜分辨閾值。

圖12 機(jī)械振動(dòng)刺激下空氣壓膜分辨閾值Fig.12 Influence ofmechanical vibration on differential thresholds of squeeze film effect

圖13 每名實(shí)驗(yàn)者在不同幅度機(jī)械振動(dòng)刺激下空氣壓膜分辨閾值Fig.13 Differential threshold of squeeze film effect of each subject undermechanical vibration stimulation with different amplitudes

3 機(jī)械振動(dòng)對(duì)不同目標(biāo)刺激感知閾值的影響

空氣壓膜觸覺反饋與靜電力觸覺反饋同為觸摸屏上重要的切向觸覺反饋方式。靜電力觸覺再現(xiàn)方式敏感頻率為120 Hz，其通過指尖與加有電信號(hào)的電容屏之間產(chǎn)生靜電吸引力改變手指與電容屏之間的摩擦，達(dá)到增大切向觸覺反饋力的效果?？諝鈮耗び|覺反饋方式，諧振頻率為41 400Hz，其通過指尖與貼有壓電陶瓷片的電容屏之間產(chǎn)生擠壓氣膜改變電容屏表面的摩擦，達(dá)到減小切向觸覺反饋的效果。由于其工作原理及頻率的差異，機(jī)械振動(dòng)作為掩蔽刺激對(duì)空氣壓膜和靜電力感知閾值的影響可能存在差異性，下面將探究這種差異性，并對(duì)差異性原理進(jìn)行分析。

3.1 機(jī)械振動(dòng)對(duì)靜電力感知閾值的影響

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與步驟與2.1節(jié)相似，采用“三下一上”的實(shí)驗(yàn)方法，測量機(jī)械振動(dòng)掩蔽刺激對(duì)靜電力絕對(duì)閾值與分辨閾值的影響。在絕對(duì)閾值測量中，將靜電力觸覺反饋的初始電壓幅值設(shè)為最大幅度400 V。除測試刺激用靜電力代替空氣壓膜之外，其他條件與實(shí)驗(yàn)2.1節(jié)相同。采用“三下一上”的實(shí)驗(yàn)方法，獲取不同幅度機(jī)械振動(dòng)刺激時(shí)靜電力的絕對(duì)閾值，如圖14所示。結(jié)果表明無機(jī)械振動(dòng)刺激時(shí)靜電力絕對(duì)閾值為35.50V，隨著機(jī)械振動(dòng)刺激驅(qū)動(dòng)電壓幅度的增加靜電力絕對(duì)閾值趨于斜坡式增加，當(dāng)機(jī)械振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電壓幅度增加到100 V時(shí)，對(duì)應(yīng)靜電力的絕對(duì)閾值增加到116.5 V，是無機(jī)械振動(dòng)作為掩蔽刺激時(shí)靜電力絕對(duì)閾值的3.28倍。

采用與2.2節(jié)相同的實(shí)驗(yàn)方法，研究了機(jī)械振動(dòng)掩蔽刺激對(duì)靜電力分辨閾值的影響。分辨閾值測量中，預(yù)先設(shè)計(jì)好參考刺激，參考刺激的電壓值依賴于機(jī)械振動(dòng)刺激下靜電力觸覺反饋絕對(duì)閾值的最大值。由絕對(duì)閾值實(shí)驗(yàn)結(jié)果得靜電力觸覺反饋參考刺激電壓值為120 V。采用“三下一上”的實(shí)驗(yàn)方法，獲取不同幅度機(jī)械振動(dòng)刺激下靜電力的分辨閾值，如圖15所示。結(jié)果表明，沒有機(jī)械振動(dòng)刺激時(shí)靜電力的分辨閾值是20.83V，在不同幅度機(jī)械振動(dòng)刺激下靜電力分辨閾值在（20.58±1.25）V范圍內(nèi)浮動(dòng)。隨著機(jī)械振動(dòng)刺激電壓幅度的增加靜電力分辨閾值基本趨于穩(wěn)定。驗(yàn)證了Ryu等［21］關(guān)于靜電力觸覺反饋的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，絕對(duì)閾值與分辨閾值的變化趨勢與文獻(xiàn)［21］中一致。

圖15 機(jī)械振動(dòng)刺激下靜電力分辨閾值Fig.15 Influence ofmechanical vibration on differential thresholds of electrostatic force

3.2 機(jī)械振動(dòng)對(duì)空氣壓膜及靜電力感知閾值影響的對(duì)比

本文研究了機(jī)械振動(dòng)對(duì)空氣壓膜及靜電力觸覺反饋絕對(duì)閾值的影響，如圖16所示。在無機(jī)械振動(dòng)刺激的情況下，空氣壓膜和靜電力觸覺反饋絕對(duì)閾值分別是34.30 V和35.50 V，隨著機(jī)械振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電壓幅度的增加空氣壓膜絕對(duì)閾值小幅度增加，當(dāng)機(jī)械振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電壓幅度增加到100 V時(shí)，空氣壓膜的絕對(duì)閾值增加到46.41 V，相對(duì)于沒有機(jī)械振動(dòng)作為掩蔽刺激時(shí)的絕對(duì)閾值增加了35.31%。對(duì)于靜電力觸覺反饋，其絕對(duì)閾值隨著機(jī)械振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電壓幅度的增加趨于斜坡式增加，當(dāng)機(jī)械振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電壓幅度增加到100 V時(shí)，對(duì)應(yīng)靜電力觸覺反饋的絕對(duì)閾值增加到116.5 V，是無機(jī)械振動(dòng)作為掩蔽刺激時(shí)靜電力絕對(duì)閾值的3.28倍。

圖16 機(jī)械振動(dòng)對(duì)空氣壓膜及靜電力絕對(duì)閾值的影響Fig.16 Effect ofmechanical vibration on absolute threshold of squeeze film effect and electrostatic force

采用兩因素重復(fù)測量方差分析法，判斷不同目標(biāo)刺激（空氣壓膜和靜電力）隨著掩蔽刺激（機(jī)械振動(dòng)）電壓變化對(duì)實(shí)驗(yàn)者絕對(duì)閾值的影響。方差分析的數(shù)據(jù)為不同觸覺反饋模式下絕對(duì)閾值的變化值，即每種情況下相對(duì)于沒有掩蔽刺激（機(jī)械振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電壓幅度為0 V）的差值。經(jīng)過Mauchiy’s球形檢驗(yàn)，對(duì)于交互項(xiàng)目標(biāo)刺激類型×掩蔽刺激電壓，因變量不滿足球形假設(shè)（P＜0.05），使用Greenhouse-Geisser方法校正。目標(biāo)刺激類型和掩蔽刺激電壓的交互作用對(duì)絕對(duì)閾值的影響具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，F(xiàn)（1.668，18.347）=19.582，P＜0.001。因此，對(duì)2個(gè)受試者內(nèi)因素目標(biāo)刺激類型和掩蔽刺激電壓進(jìn)行單獨(dú)效應(yīng)的檢驗(yàn)。在掩蔽刺激電壓為20、40、60、80、100 V時(shí)，空氣壓膜作為目標(biāo)刺激與靜電力作為目標(biāo)刺激的絕對(duì)閾值均具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。在空氣壓膜觸覺反饋?zhàn)鳛槟繕?biāo)刺激中，對(duì)于受試者內(nèi)因素掩蔽刺激電壓，因變量不符合球形假設(shè)（P＜0.05），使用Greenhouse-Geisser方法校正。掩蔽刺激電壓對(duì)絕對(duì)閾值變化的單獨(dú)效應(yīng)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，F(xiàn)（1.910，21.013）=11.422，P＜0.05。在靜電力觸覺反饋?zhàn)鳛槟繕?biāo)刺激中，對(duì)于受試者內(nèi)因素掩蔽刺激電壓，因變量不符合球形假設(shè)（P＜0.05），使用Greenhouse-Geisser方法校正。掩蔽刺激電壓對(duì)絕對(duì)閾值變化的單獨(dú)效應(yīng)具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，F(xiàn)（1.532，16.852）=23.489，P＜0.001。

本文研究了機(jī)械振動(dòng)對(duì)空氣壓膜及靜電力觸覺反饋分辨閾值的影響，如圖17所示。對(duì)于空氣壓膜觸覺反饋，無機(jī)械振動(dòng)刺激時(shí)其分辨閾值是15.10 V，隨著機(jī)械振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電壓幅度的增大，空氣壓膜分辨閾值在（15.21±0.67）V范圍內(nèi)浮動(dòng)，總體趨勢無明顯變化。對(duì)于靜電力觸覺反饋，不同幅度機(jī)械振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電壓下靜電力分辨閾值在（20.58±1.25）V范圍內(nèi)浮動(dòng)，相比空氣壓膜的分辨閾值變化范圍稍大一些。

圖17 機(jī)械振動(dòng)對(duì)空氣壓膜及靜電力分辨閾值的影響Fig.17 Effect ofmechanical vibration on differential threshold of squeeze film effect and electrostatic force

采用兩因素重復(fù)測量方差分析法，判斷不同掩蔽刺激電壓下目標(biāo)刺激（空氣壓膜和靜電力）對(duì)實(shí)驗(yàn)者分辨閾值的影響。目標(biāo)刺激類型和掩蔽刺激電壓的交互作用對(duì)分辨閾值的影響沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，F(xiàn)（2.773，30.508）=1.829，P＞0.05。因此需解讀2個(gè)受試者內(nèi)因素（目標(biāo)刺激類型和掩蔽刺激電壓）的主效應(yīng)。目標(biāo)刺激類型對(duì)分辨閾值的主效應(yīng)不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，F(xiàn)（1，11）=0.196，P＞0.05。掩蔽刺激電壓對(duì)分辨閾值的主效應(yīng)不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，F(xiàn)（2.511，27.623）=0.732，P＞0.05。

空氣壓膜觸覺反饋和靜電力觸覺反饋都是觸摸屏上重要的切向觸覺反饋方式，同為機(jī)械振動(dòng)作為掩蔽刺激時(shí)其感知閾值的變化卻不相同，分析其原因，認(rèn)為工作頻率引起了感知特性的差異。在研究過程中所使用的觸覺反饋工作頻率分別為：機(jī)械振動(dòng)敏感頻率220Hz，空氣壓膜諧振頻率41 400 Hz，靜電力敏感頻率120 Hz。從數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以看出，機(jī)械振動(dòng)掩蔽刺激對(duì)低頻目標(biāo)刺激感知特性的影響比對(duì)高頻目標(biāo)刺激感知特性的影響更大些。

4 結(jié) 論

1）研究不同幅度機(jī)械振動(dòng)作為掩蔽刺激對(duì)空氣壓膜絕對(duì)閾值的影響。結(jié)果表明，隨著機(jī)械振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電壓幅度的增加空氣壓膜絕對(duì)閾值由34.30 V增加到46.41 V，增加了35.31%。

2）研究不同幅度機(jī)械振動(dòng)作為掩蔽刺激對(duì)空氣壓膜分辨閾值的影響。結(jié)果表明，隨著機(jī)械振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電壓幅度的增加空氣壓膜分辨閾值在（15.21±0.67）V范圍內(nèi)浮動(dòng)，總體趨勢無明顯變化。

3）研究機(jī)械振動(dòng)對(duì)靜電力感知閾值的影響，隨著機(jī)械振動(dòng)驅(qū)動(dòng)電壓幅度的增加靜電力絕對(duì)閾值由35.50 V 增加到116.5 V，擴(kuò)大為原來的3.28倍，比空氣壓膜絕對(duì)閾值變化顯著。靜電力分辨閾值在（20.58±1.25）V范圍內(nèi)浮動(dòng)，與空氣壓膜分辨閾值變化趨勢基本相同。

4）對(duì)比機(jī)械振動(dòng)對(duì)空氣壓膜及靜電力觸覺感知特性影響的差異性，發(fā)現(xiàn)掩蔽刺激對(duì)低頻目標(biāo)刺激感知特性的影響比高頻目標(biāo)刺激更明顯。

5）掩蔽效應(yīng)會(huì)對(duì)目標(biāo)刺激的絕對(duì)閾值以及分辨閾值產(chǎn)生相應(yīng)影響。在采用聯(lián)合機(jī)械振動(dòng)與空氣壓膜、聯(lián)合機(jī)械振動(dòng)與靜電力的觸覺渲染方法時(shí)，要考慮由掩蔽效應(yīng)帶來的絕對(duì)閾值與分辨閾值變化，重新考量驅(qū)動(dòng)信號(hào)的起始電壓和分布間隔，建立聯(lián)合渲染方法下的觸覺反饋心理物理模型及渲染算法映射關(guān)系。本文對(duì)在融合裝置上探究真實(shí)性更高的觸覺渲染方法具有重要的參考意義。