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        機(jī)械振動對平面觸覺感知特性的影響

        2022-10-12 03:41:16陳立軍
        中國設(shè)備工程 2022年19期
        關(guān)鍵詞:試驗(yàn)者壓膜靜電力

        陳立軍

        (大慶石化五龍實(shí)業(yè)有限公司,黑龍江 大慶 163714)

        1 再現(xiàn)裝置整體結(jié)構(gòu)

        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(dú)立的功能,共同組成了觸覺再現(xiàn)系統(tǒng)。定位模塊主要負(fù)責(zé)準(zhǔn)確的跟蹤手指位置,在這一模塊中采用紅外定位技術(shù),對手指的位置進(jìn)行探測,并將詳細(xì)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(shè)備,可以說處理模塊起到了復(fù)雜的運(yùn)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(shè)備所使用的信號源,從而實(shí)現(xiàn)電容屏的觸覺反饋;交互模塊中包含各種機(jī)械設(shè)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(yīng)的動作,為使用者提供觸覺反饋,當(dāng)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(yīng)的三維觸覺。交互模塊的主要設(shè)備見圖1所示。

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

        實(shí)驗(yàn)采取多次測試的方法,以實(shí)驗(yàn)者的反饋信息作為檢測條件,將刺激信號的驅(qū)動電壓設(shè)置為160V,在3個區(qū)域中進(jìn)行觸覺反饋測試,其中一個區(qū)域采取機(jī)械振動與空氣壓膜相結(jié)合的觸覺回饋,另兩個區(qū)域采取單純機(jī)械振動回饋,讓試驗(yàn)者分別觸摸3個區(qū)域,找出復(fù)合型觸覺回饋的區(qū)域,假如實(shí)驗(yàn)者可以連續(xù)3次找出正確的復(fù)合型觸覺回饋區(qū)域,說明這種復(fù)合型觸覺回饋的強(qiáng)度能夠清晰的傳遞給試驗(yàn)者,此時將驅(qū)動電壓下調(diào)20V,然后重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)過程,假如實(shí)驗(yàn)者依然可以連續(xù)3次找出正確的復(fù)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(yàn)者無法正確找出復(fù)合型觸覺回饋區(qū)域?yàn)橹?。這時將電壓以每次10V的量增加,重復(fù)上述實(shí)驗(yàn),直至實(shí)驗(yàn)者能夠連續(xù)3次正確找出復(fù)合型觸覺回饋區(qū)域?yàn)橹?。再將電壓以每?V的量減小,直至試驗(yàn)者無法正確找出復(fù)合型觸覺回饋區(qū)域?yàn)橹埂7磸?fù)增加電壓與減小電壓進(jìn)行測試的目的,是為了找到能夠使試驗(yàn)者獲得準(zhǔn)確復(fù)合型觸覺反饋的正確閥值,在本次實(shí)驗(yàn)中共進(jìn)行了10次反復(fù)測試。

        通過上述實(shí)驗(yàn)所獲得的能夠使試驗(yàn)者獲得準(zhǔn)確復(fù)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(jī)械振動的干擾下,正確閥值的電壓為34V,而在機(jī)械振動的干擾下,正確閥值的電壓呈上升趨勢,當(dāng)機(jī)械振動的電壓為100V時,復(fù)合型觸覺反饋的正確閥值為46V,與無機(jī)械振動干擾相的情況相比上升了35%。

        圖2 機(jī)械振動刺激下空氣壓膜絕對閾值

        2 機(jī)械振動對空氣壓膜分辨閾值的影響

        實(shí)驗(yàn)采取多次測試的方法,以實(shí)驗(yàn)者的反饋信息作為檢測條件,設(shè)置3個區(qū)域中進(jìn)行觸覺反饋測試,其中一個區(qū)域采取機(jī)械振動與空氣壓膜相結(jié)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(jī)械振動與50V恒定空氣壓膜回饋,讓試驗(yàn)者分別觸摸3個區(qū)域,找出強(qiáng)空氣壓膜回饋的區(qū)域,假如實(shí)驗(yàn)者可以連續(xù)3次找出正確的強(qiáng)空氣壓膜回饋區(qū)域,說明這種強(qiáng)空氣壓膜回饋的強(qiáng)度能夠清晰的傳遞給試驗(yàn)者,此時將驅(qū)動電壓下調(diào)20V,然后重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)過程,假如實(shí)驗(yàn)者依然可以連續(xù)三次找出正確的強(qiáng)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(yàn)者無法正確找出強(qiáng)空氣壓膜回饋區(qū)域?yàn)橹?。這時將電壓以每次10V的量增加,重復(fù)上述實(shí)驗(yàn),直至實(shí)驗(yàn)者能夠連續(xù)三次正確找出強(qiáng)空氣壓膜回饋區(qū)域?yàn)橹?。再將電壓以每?伏的量減小,直至試驗(yàn)者無法正確找出強(qiáng)空氣壓膜回饋區(qū)域?yàn)橹?。反?fù)增加電壓與減小電壓進(jìn)行測試的目的,是為了找到能夠使試驗(yàn)者獲得準(zhǔn)確強(qiáng)空氣壓膜回饋的分辨閥值,在本次實(shí)驗(yàn)中共進(jìn)行了10次反復(fù)測試。

        通過上述實(shí)驗(yàn)所獲得的能夠使試驗(yàn)者獲得準(zhǔn)確強(qiáng)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(jī)械振動的干擾下,分辨閥值的電壓為15V,而在機(jī)械振動的干擾下,分辨閥值的電壓無明顯變化,當(dāng)機(jī)械振動的電壓為100V時,強(qiáng)空氣壓膜回饋的分辨閥值仍在15V左右,與無機(jī)械振動干擾相的情況相比沒有明顯區(qū)別。

        圖3 機(jī)械振動刺激下空氣壓膜分辨閾值

        3 機(jī)械振動對不同目標(biāo)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(jī)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(dá)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(dǎo)致機(jī)械振動可能對上述兩種觸覺回饋機(jī)制產(chǎn)生影響,但影響程度會有一定差異,下面依然采取實(shí)驗(yàn)法,探尋這種差異的原理。

        實(shí)驗(yàn)依然采取多次測試的方法,以實(shí)驗(yàn)者的反饋信息作為檢測條件,首先測量機(jī)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(shí)驗(yàn)1進(jìn)行,試驗(yàn)的開始電壓為400V,但被測對象轉(zhuǎn)換為靜電力,實(shí)驗(yàn)過程與電壓的增減方式完全參照實(shí)驗(yàn)1,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示,從圖中可以看出,不考慮機(jī)械振動的干擾下,正確閥值的電壓為35V,而在機(jī)械振動的干擾下,正確閥值的電壓呈上升趨勢,當(dāng)機(jī)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(jī)械振動干擾相的情況相比上升了228%。

        圖4 機(jī)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(shí)驗(yàn)2進(jìn)行,按照靜電力絕對閥值設(shè)置電壓,但被測對象轉(zhuǎn)換為靜電力,實(shí)驗(yàn)過程與電壓的增減方式完全參照實(shí)驗(yàn)2,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示,從圖中可以看出,不考慮機(jī)械振動的干擾下,分辨閥值的電壓為20.8V,而在機(jī)械振動的干擾下,分辨閥值的電壓無明顯變化,當(dāng)機(jī)械振動的電壓為100V時,靜電力分辨閥值仍在20V左右,與無機(jī)械振動干擾相的情況相比沒有明顯區(qū)別。

        圖5 機(jī)械振動刺激下靜電力分辨閾值

        4 結(jié)語

        (1)研究機(jī)械振動對空氣壓膜觸覺回饋的影響,通過實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行實(shí)際測試發(fā)現(xiàn),隨著機(jī)械振動的加強(qiáng),空氣壓膜的絕對閥值呈上升趨勢,當(dāng)機(jī)械振動的電壓為100V時,空氣壓膜絕對閥值上升35%。

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

        (3)研究機(jī)械振動對靜電力觸覺回饋的影響,通過實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行實(shí)際測試發(fā)現(xiàn),隨著機(jī)械振動的加強(qiáng),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(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)機(jī)械振動對低頻目標(biāo)的影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高頻目標(biāo)。

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

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