振动触觉编码的研究现状

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 振动触觉编码的研究现状 杜静宜黄志奇陈东义雷涛玮 Current situation of vibration tactile coding DU Jing-yi,HUANG Zhi-qi.CHEN Dong-yi,LEI Tao-wei 引用本文： 杜静宜，黄志奇，陈东义，雷涛玮.振动触觉编码的研究现状[J.工程科学学报，2021,43(9)：1261-1268.doi: 10.13374j.issn2095-9389.2021.01.12.007 DU Jing-yi,HUANG Zhi-qi,CHEN Dong-yi,LEI Tao-wei.Current situation of vibration tactile coding[J].Chinese Journal of Engineering,2021,439y:1261-1268.doi:10.13374.issn2095-9389.2021.01.12.007 在线阅读View online::https:/ldoi.org/10.13374.issn2095-9389.2021.01.12.007 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 视线追踪中一种新的由粗及精的瞳孔定位方法 A new pupil localization method from rough to precise in gaze tracking 工程科学学报.2019.41(11)：1484htps:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.09.06.005 基于最大池化稀疏编码的煤岩识别方法 A coal-rock recognition method based on max-pooling sparse coding 工程科学学报.2017,39(7)：981 https:/doi.org10.13374.issn2095-9389.2017.07.002 电子皮肤新型材料与性能研究进展 Research progress on new materials and properties of electronic skin 工程科学学报.2020,42(6：704 https::/1doi.org/10.13374.issn2095-9389.2019.07.18.001 SI-FLAT板形仪检测原理的流固耦合振动分析 Analysis of fluid-structure interaction vibration based on the detection principle of SI-FLAT flatness measurement systems 工程科学学报.2017,394：593 https:oi.org10.13374j.issn2095-9389.2017.04.015 热轧过程中摩擦系数非对称性对轧机振动及稳定性的影响 Influence of friction coefficient asymmetry on vibration and stability of rolling mills during hot rolling 工程科学学报.2019.41(11：1465 https::/doi.org10.13374.issn2095-9389.2019.03.06.002 镁碳砖的研究现状与发展趋势 Current research and developing trend of MgO-C bricks 工程科学学报.2018.40(3：253htps:/doi.org/10.13374issn2095-9389.2018.03.001

振动触觉编码的研究现状 杜静宜 黄志奇 陈东义 雷涛玮 Current situation of vibration tactile coding DU Jing-yi, HUANG Zhi-qi, CHEN Dong-yi, LEI Tao-wei 引用本文: 杜静宜, 黄志奇, 陈东义, 雷涛玮. 振动触觉编码的研究现状[J]. 工程科学学报, 2021, 43(9): 1261-1268. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.12.007 DU Jing-yi, HUANG Zhi-qi, CHEN Dong-yi, LEI Tao-wei. Current situation of vibration tactile coding[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(9): 1261-1268. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.12.007 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.12.007 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 视线追踪中一种新的由粗及精的瞳孔定位方法 A new pupil localization method from rough to precise in gaze tracking 工程科学学报. 2019, 41(11): 1484 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.09.06.005 基于最大池化稀疏编码的煤岩识别方法 A coal-rock recognition method based on max-pooling sparse coding 工程科学学报. 2017, 39(7): 981 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.002 电子皮肤新型材料与性能研究进展 Research progress on new materials and properties of electronic skin 工程科学学报. 2020, 42(6): 704 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.18.001 SI-FLAT板形仪检测原理的流固耦合振动分析 Analysis of fluid-structure interaction vibration based on the detection principle of SI-FLAT flatness measurement systems 工程科学学报. 2017, 39(4): 593 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.04.015 热轧过程中摩擦系数非对称性对轧机振动及稳定性的影响 Influence of friction coefficient asymmetry on vibration and stability of rolling mills during hot rolling 工程科学学报. 2019, 41(11): 1465 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.03.06.002 镁碳砖的研究现状与发展趋势 Current research and developing trend of MgO-C bricks 工程科学学报. 2018, 40(3): 253 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.001

工程科学学报.第43卷，第9期：1261-1268.2021年9月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.9:1261-1268,September 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.12.007;http://cje.ustb.edu.cn 振动触觉编码的研究现状 杜静宜，黄志奇区，陈东义，雷涛玮 电子科技大学自动化工程学院.成都610000 ☒通信作者，Email:zhigih@uestc..edu.cn 摘要触觉作为人的一种独特的感官通道具有独特的优势，它不仅能最大限度的贴合人体的生理构造，传递硬度、大小、 纹理、形状、温度等视听觉无法传递的信息，而且拥有快速准确的特性，触觉不仅可以实现全方位的感知，而且能够有效感知 一些很难被视觉或听觉形式表达的更真实复杂的信息，和外界环境进行一系列的交互.振动触觉编码的设计是开发触觉的 一个重要途径，也是未来人机交互的一种重要手段.本文从振动触觉感知机理入手，讨论了不同振动参数的振动触觉分辨率 和振动信息编码理论，并按照方向导航和文字交互的应用对振动信息编码进行归纳总结，介绍了振动信息编码的实验手段和 结论，最后展望了振动信息编码领域未来的发展前景. 关键词人体感知特性：触觉语言：人机交互：振动触觉：触觉编码 分类号TP242.61 Current situation of vibration tactile coding DU Jing-yi,HUANG Zhi-q,CHEN Dong-yi,LEI Tao-wei School of Automation Engineering,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 610000,China Corresponding author,Email:zhigih@uestc.edu.cn ABSTRACT In recent years,with the progress and development of science and technology,the research on artificial intelligence and wearable devices continues to develop,and researchers increasingly find ways to provide a kind of more comfortable and comprehensive user experience.Auditory and visual technologies have been fully developed and utilized,while as an emerging field,tactile sense is a research direction with great potential.As a type of unique human sensory channel,tactile sense has unique advantages.It can convey information about maximum joints in physiological structure of human body,such as hardness,texture,shape,size,and temperature, which cannot be transmitted by visual and auditory senses.Additionally,the tactile sense is fast and accurate,thus,it performs well in some special situations,such as supergravity scenarios,high-speed rotating scenarios,or very noisy environments.The design of vibrational tactile coding is an important way to develop tactile devices and achieve a better human computer interaction.Haptic coding has several defects.It is used in narrow application scenes and conveys unclear meaning.Compared with the mature development of vision and hearing,it is necessary to further design the vibration haptic coding patterns to overcome these defects.Research on information transmission of tactile sense is very meaningful,for example,it offers convenience for special groups such as people with visual impairment or workers engaged in their education.It provides a navigation service for visually impaired people by changing the vibration frequency and vibration intensity of a blind vest.When hearing or vision is impaired,the tactile sense is a considerate way to provide timely and accurate information assistance to the special groups.Besides,tactile sense can help express the flight attitude information in virtue of combined vibration tactile coding.However,these studies aimed at providing a set of specific coding for a specific scenario in which relatively vague pieces of information were conveyed,such as emotion and direction Based on these studies, designing a set of universal coding patterns for most usage scenarios to deliver exact and accessible information is essential.This paper 收稿日期：2021-01-12 基金项目：国家重点研发计划资助项目(2017YFB1002803)

振动触觉编码的研究现状 杜静宜，黄志奇苣，陈东义，雷涛玮 电子科技大学自动化工程学院，成都 610000 苣通信作者，Email：zhiqih@uestc.edu.cn 摘    要    触觉作为人的一种独特的感官通道具有独特的优势，它不仅能最大限度的贴合人体的生理构造，传递硬度、大小、 纹理、形状、温度等视听觉无法传递的信息，而且拥有快速准确的特性，触觉不仅可以实现全方位的感知，而且能够有效感知 一些很难被视觉或听觉形式表达的更真实复杂的信息，和外界环境进行一系列的交互. 振动触觉编码的设计是开发触觉的 一个重要途径，也是未来人机交互的一种重要手段. 本文从振动触觉感知机理入手，讨论了不同振动参数的振动触觉分辨率 和振动信息编码理论，并按照方向导航和文字交互的应用对振动信息编码进行归纳总结，介绍了振动信息编码的实验手段和 结论，最后展望了振动信息编码领域未来的发展前景. 关键词    人体感知特性；触觉语言；人机交互；振动触觉；触觉编码 分类号    TP242.61 Current situation of vibration tactile coding DU Jing-yi，HUANG Zhi-qi苣 ，CHEN Dong-yi，LEI Tao-wei School of Automation Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610000, China 苣 Corresponding author, Email: zhiqih@uestc.edu.cn ABSTRACT    In recent years, with the progress and development of science and technology, the research on artificial intelligence and wearable devices continues to develop, and researchers increasingly find ways to provide a kind of more comfortable and comprehensive user experience. Auditory and visual technologies have been fully developed and utilized, while as an emerging field, tactile sense is a research direction with great potential. As a type of unique human sensory channel, tactile sense has unique advantages. It can convey information about maximum joints in physiological structure of human body, such as hardness, texture, shape, size, and temperature, which cannot be transmitted by visual and auditory senses. Additionally, the tactile sense is fast and accurate, thus, it performs well in some special situations, such as supergravity scenarios, high-speed rotating scenarios, or very noisy environments. The design of vibrational tactile coding is an important way to develop tactile devices and achieve a better human computer interaction. Haptic coding has several defects. It is used in narrow application scenes and conveys unclear meaning. Compared with the mature development of vision and hearing, it is necessary to further design the vibration haptic coding patterns to overcome these defects. Research on information transmission of tactile sense is very meaningful, for example, it offers convenience for special groups such as people with visual impairment or workers engaged in their education. It provides a navigation service for visually impaired people by changing the vibration frequency and vibration intensity of a blind vest. When hearing or vision is impaired, the tactile sense is a considerate way to provide timely and accurate information assistance to the special groups. Besides, tactile sense can help express the flight attitude information in virtue of combined vibration tactile coding. However, these studies aimed at providing a set of specific coding for a specific scenario in which relatively vague pieces of information were conveyed, such as emotion and direction Based on these studies, designing a set of universal coding patterns for most usage scenarios to deliver exact and accessible information is essential. This paper 收稿日期: 2021−01−12 基金项目: 国家重点研发计划资助项目（2017YFB1002803） 工程科学学报，第 43 卷，第 9 期：1261−1268，2021 年 9 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 9: 1261−1268, September 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.12.007; http://cje.ustb.edu.cn

·1262 工程科学学报，第43卷.第9期 discussed the resolution of tactile vibration based on the mechanism of tactile vibration perception.According to the application of directional navigation and text interaction,the vibration information coding was summarized and the experimental methods and conclusions of vibration information coding were introduced.Moreover,the prospect of the vibration information coding field was proposed. KEY WORDS human perception property;tactile language;human-computer interaction;vibration tactile;tactile coding 人体表面（如皮肤）是一个巨大的触觉感受 的紧急救火等，基于振动触觉对信息进行编码及 器，我们依靠它与外界进行形形色色的沟通.尽管 合理表达的研究与应用应运而生.本文从触觉感 视觉在我们的日常生活中占据着不可撼动的位 受机理入手，探讨不同参数的振动触觉的分辨率 置，但皮肤才是我们最大且最古老的感知器官，一 以及触觉信息编码手段，并对主流的振动触觉编 直以来，科学研究都低估了借助触觉传递丰富信 码方案及应用进行归类研究 息的能力，这与触觉的一些特殊的属性有关.例如 1 振动触觉感知的基础研究 触觉很少独立于其他的感觉通道（如听觉、视觉或 嗅觉)而存在，因此触觉常被作为其他感官的补 1.1触觉感知机理 充，但是触觉相比于其他感官而言优势也相当显 通常认为，人体的触觉感知如湿、压、痛、痒、 著，触觉不仅可以实现全方位的感知，减轻试听负 关节位置、肌肉感知、运动等是由多种触觉感受 担，而且能够有效感知一些很难被视觉或听觉形 器综合作用的结果)，即特定种类的感受器对作用 式表达的更真实复杂的信息，和外界环境进行一 物体的特定属性进行分析时会受到该作用物体其 系列的交互互动.触觉指一种或多种接触感觉，包 他干扰属性的影响，这些干扰属性会接收来自其 括本体感受的反馈、人体主动接触触觉以及基于 他皮肤感受器的编码.例如，对特定条件下特定时 各种驱动技术产生的被动接触感知.触觉感受器 间内的持续刺激，慢适应受体如鲁菲尼小体和麦 遍布人体皮肤，覆盖率超过98%山 克尔氏盘会配合做出反馈：对于刺激的开合和关 人们日常生活中的一个微小的动作如走路、 闭（如皮肤变形），快适应受体如麦斯纳氏小体和 吃饭等可能蕴含皮肤感受器和大脑神经网络复杂 帕西尼氏小体会配合做出反馈.人体的触觉感受 海量的触觉信息加工，基于人体各部位感知分辨 器主要包括四种，分别是鲁菲尼(Ruffini)小体感受 率的差异，由此催生了针对不同落点的可穿戴触 器、麦克尔氏(Merkel)盘感受器、麦斯纳氏小体 觉表达和再现装置，这些装置为不同场景的触觉 (Meissner)感受器和帕西尼氏(Pacinian)小体感受 再现提供了丰富的实现手段.触觉包括皮肤触摸 器.它们各自分工又互相协作，这四种感受器的特 觉和肌肉运动力觉.按照刺激模块的工作原理，将 性如下表l所示.其中，Ruffini小体对皮肤变形做 触觉刺激分为振动触觉、气动触觉、电触觉和功 出反应，变形程度和诱发的电位成正比，因此 能性肌肉神经刺激等类别，其中振动触觉是触觉 Ruffini小体对高频振动十分敏感，Meissner小体集 感知的最有效手段，因为振动触觉的装置简单小 中在四肢末端无毛发区域，特别是在手指尖等部 巧、响应速度快、舒适度好，安全性高，可作用于 位，它主要负责身体周围的高敏感性侦察.上述两 人体各个部位的皮肤， 种感受器属于快适应受体，即对短时间的刺激拥 触觉信息利用触觉硬件系统和触觉编码向用 有敏锐的反应.与之相对的Merkel盘和Pacinian 户传递单个振动器的振动或者刺激脉冲的组合 小体属于慢适应受体，它们对于持续性刺激反应 这些信息是由触觉特征或参数组成，包括振动频 良好，给人们提供形状感和粗糙感.按照触觉刺激 率、振动幅度、波形和持续时间，应用于身体的不 方式的不同，可将触觉刺激分为振动刺激)、压力 同部位.这些参数的组合可以用来创建节奏或者 刺激、电刺激、热刺激、喷射刺激等.其中， 模式，并产生明显不同的触觉的“词语”，称为触觉 振动触觉表达方法因其简单实用、一致性好、结 语言.借助于触觉交互设备，将触觉语言编码后呈 构紧凑、安装灵活等优点被认为是最有前途的一 现给使用者是触觉表达技术研究的热点.针对一 种触觉表达方法 些特殊场景的需求，如盲人的方向导航、飞行员的 要想设计良好的振动触觉编码，实现高效实 高空方向信息提示、潜水员的水下作业、消防员 用的触觉表达装置，就要充分了解振动触觉的感

discussed the resolution of tactile vibration based on the mechanism of tactile vibration perception. According to the application of directional navigation and text interaction, the vibration information coding was summarized and the experimental methods and conclusions of vibration information coding were introduced. Moreover, the prospect of the vibration information coding field was proposed. KEY WORDS    human perception property；tactile language；human-computer interaction；vibration tactile；tactile coding 人体表面（如皮肤）是一个巨大的触觉感受 器，我们依靠它与外界进行形形色色的沟通. 尽管 视觉在我们的日常生活中占据着不可撼动的位 置，但皮肤才是我们最大且最古老的感知器官. 一 直以来，科学研究都低估了借助触觉传递丰富信 息的能力，这与触觉的一些特殊的属性有关. 例如 触觉很少独立于其他的感觉通道（如听觉、视觉或 嗅觉）而存在，因此触觉常被作为其他感官的补 充，但是触觉相比于其他感官而言优势也相当显 著，触觉不仅可以实现全方位的感知，减轻试听负 担，而且能够有效感知一些很难被视觉或听觉形 式表达的更真实复杂的信息，和外界环境进行一 系列的交互互动. 触觉指一种或多种接触感觉，包 括本体感受的反馈、人体主动接触触觉以及基于 各种驱动技术产生的被动接触感知. 触觉感受器 遍布人体皮肤，覆盖率超过 98% [1] . 人们日常生活中的一个微小的动作如走路、 吃饭等可能蕴含皮肤感受器和大脑神经网络复杂 海量的触觉信息加工，基于人体各部位感知分辨 率的差异，由此催生了针对不同落点的可穿戴触 觉表达和再现装置，这些装置为不同场景的触觉 再现提供了丰富的实现手段. 触觉包括皮肤触摸 觉和肌肉运动力觉. 按照刺激模块的工作原理，将 触觉刺激分为振动触觉、气动触觉、电触觉和功 能性肌肉神经刺激等类别，其中振动触觉是触觉 感知的最有效手段，因为振动触觉的装置简单小 巧、响应速度快、舒适度好，安全性高，可作用于 人体各个部位的皮肤. 触觉信息利用触觉硬件系统和触觉编码向用 户传递单个振动器的振动或者刺激脉冲的组合. 这些信息是由触觉特征或参数组成，包括振动频 率、振动幅度、波形和持续时间，应用于身体的不 同部位. 这些参数的组合可以用来创建节奏或者 模式，并产生明显不同的触觉的“词语”，称为触觉 语言. 借助于触觉交互设备，将触觉语言编码后呈 现给使用者是触觉表达技术研究的热点. 针对一 些特殊场景的需求，如盲人的方向导航、飞行员的 高空方向信息提示、潜水员的水下作业、消防员 的紧急救火等，基于振动触觉对信息进行编码及 合理表达的研究与应用应运而生. 本文从触觉感 受机理入手，探讨不同参数的振动触觉的分辨率 以及触觉信息编码手段，并对主流的振动触觉编 码方案及应用进行归类研究. 1    振动触觉感知的基础研究 1.1    触觉感知机理 通常认为，人体的触觉感知如湿、压、痛、痒、 关节位置、肌肉感知、运动等是由多种触觉感受 器综合作用的结果[2] ，即特定种类的感受器对作用 物体的特定属性进行分析时会受到该作用物体其 他干扰属性的影响，这些干扰属性会接收来自其 他皮肤感受器的编码. 例如，对特定条件下特定时 间内的持续刺激，慢适应受体如鲁菲尼小体和麦 克尔氏盘会配合做出反馈；对于刺激的开合和关 闭（如皮肤变形），快适应受体如麦斯纳氏小体和 帕西尼氏小体会配合做出反馈. 人体的触觉感受 器主要包括四种，分别是鲁菲尼 (Ruffini) 小体感受 器、麦克尔氏 (Merkel) 盘感受器、麦斯纳氏小体 (Meissner) 感受器和帕西尼氏 (Pacinian) 小体感受 器. 它们各自分工又互相协作，这四种感受器的特 性如下表 1 所示. 其中，Ruffini 小体对皮肤变形做 出反应 ，变形程度和诱发的电位成正比 ，因 此 Ruffini 小体对高频振动十分敏感，Meissner 小体集 中在四肢末端无毛发区域，特别是在手指尖等部 位，它主要负责身体周围的高敏感性侦察. 上述两 种感受器属于快适应受体，即对短时间的刺激拥 有敏锐的反应. 与之相对的 Merkel 盘和 Pacinian 小体属于慢适应受体，它们对于持续性刺激反应 良好，给人们提供形状感和粗糙感. 按照触觉刺激 方式的不同，可将触觉刺激分为振动刺激[3]、压力 刺激[4]、电刺激[5]、热刺激[6]、喷射刺激[7] 等. 其中， 振动触觉表达方法因其简单实用、一致性好、结 构紧凑、安装灵活等优点被认为是最有前途的一 种触觉表达方法. 要想设计良好的振动触觉编码，实现高效实 用的触觉表达装置，就要充分了解振动触觉的感 · 1262 · 工程科学学报，第 43 卷，第 9 期

杜静宜等：振动触觉编码的研究现状 1263· 表1四种触觉感受器的特性 Table 1 Characteristics of four tactile receptors Receptor Signal type Perceived frequency/Hz Perceived distance/mm Pattem Acception field size Ruffini Deep skin 0-30 3-4 Fast Large Merkel Continuous touch and pressure 0-15 >10 Low Small Meissner Texture change 50 3-4 Fast Small Pacinian High-frequency vibration 200-300 >20 Low Large 知特性.人体的振动触觉感知不仅受到主观、客 率0，每个触觉感知通道都有不同的与频率相关 观特征因素的影响，还受到环境、心理等多重因素 的绝对阈值，阈值最小的通道决定该频率的绝对 的影响，例如触觉后效应、触觉错觉、触觉跃迁等 阈值.当某个刺激足够强，强到可以刺激多个通 Kapper和Bergmann Tiest!图认为人所接触的一 道，所有这些通道都会做出反应，并对感知做出贡 切均会影响如何感知下一个物体，触觉后效应指 献差别阈值亦称最小可视差，指的是引起人差别 的是由于视听触或其他感知先前刺激的方式而引 感觉刺激的最小变化量.前者是一个恒定值，不受 起的知觉变化.他们采用大小等分任务的方法测 外界因素的影响而有所改变，后者受振动强度影 量触觉大小后效，球体的体积范围为2~14cm3,实 响显著，会随振动强度的增大而有所增加.针对不 验结果表明，触摸完较大的适应球体之后的手认 同的感知阈值参数，感知阈值的主要研究集中在 为随后触摸的普通测试球体比实际情况更小，触 空间两点阈值、时间阈值和强度阈值三个方面 摸完较小的适应球体之后的手认为随后触摸的普 德国物理学家心理物理学家费希纳提出三种方法 通测试球体比实际情况更大，这两种触觉差异均 来量化测量感知阈值，分别是最小变化法、恒定刺 为测试球体体积大小的24%，这一结论表明人手 激法和平均误差法.最小变化法指的是按照适当 的触觉大小后效是相当大的，同时在习惯了适应 的变化量递增或者递减刺激序列，随机选择起点， 球体的大小之后，触觉大小后效明显强于未适应 直到被试感受到刺激为止，这一方法常用于测量 球体大小的对照组实验.人体的触觉感知是多维 差别阈值.恒定刺激法是以相同的次数呈现少数 度的，故除了触觉大小尺寸后效以外，还有触觉温 几个恒定的刺激，一般向被试呈现成对刺激，一个 度后效和触觉曲率后效.目前国内外针对触觉后 标准刺激，一个比较刺激，让被试判断能否区分两 效的研究大多集中于大小尺寸研究，因为大小尺 次刺激.目前针对人体振动触觉感知阈值的研究 寸的研究更容易被量化，且更容易在生产实践中 中，相关参数主要包括空间落点、振动频率、振动 得到验证，例如医生在手术中利用触觉感知囊肿 强度和振动时间. 或者肿瘤的大小.关于触觉大小后效的产生原因， (1)空间落点：身体不同部位的振动触觉敏感 有研究表明触觉大小后效与形状密切相关网，测试 性各不相同，触觉振动实验的选择原则是在保证 物体和适应物体的形状越相近，触觉大小后效越 敏感度和操作可行性的前提下，尽可能地提高舒 显著，因此可将触觉大小后效称为触觉大小-形状 适度.针对触觉振动空间落点的研究大多集中在 后效.影响触觉感知的具体因素多样，且引起人体 敏感部位如手指、手腕处，或者次敏感部位如腰 触觉感知的机制十分复杂，目前也没有探究出影 部、背部或脚踝处.不同的空间落点位置各有优 响因素和触觉感知特性有明确的映射关系，触觉 劣，手指、手腕处的振动识别精度更高，但面积较 感知和神经生理学相关的理论还需进一步的研究 小，背部、腰部的振动面积更大，可以提供更大的 和探索 阵列，却具有较差的触觉灵敏度.因此，针对性地 1.2振动触觉感知阈值 选择空间落点的位置可以有效提高振动触觉编码 感知阈值指的是人体能感受到物体的刺激或 信息的传递效率.人体不同空间落点的触觉差别 刺激强度/数量变化的最小量，例如指尖的两点阈 阈限差异很大山 值约为2.5mm.感知阈值的研究包括绝对阈值和 (2)振动频率：尽管人类可以听到的频率范围 差别阈值两方面.绝对阈值指的是能恰好引起人 为20~20000Hz,但是人类的皮肤可以感受到的 心理感受的最小刺激量或者恰好引起人心理感觉 频率范围只在10Hz到400Hz之间，其中人体 消失的最大刺激量，绝对阈值强烈依赖于振动频 最为敏感的频率为250Hz]研究表明，振动强度

知特性. 人体的振动触觉感知不仅受到主观、客 观特征因素的影响，还受到环境、心理等多重因素 的影响，例如触觉后效应、触觉错觉、触觉跃迁等. Kapper 和 Bergmann Tiest[8] 认为人所接触的一 切均会影响如何感知下一个物体. 触觉后效应指 的是由于视听触或其他感知先前刺激的方式而引 起的知觉变化. 他们采用大小等分任务的方法测 量触觉大小后效，球体的体积范围为 2～14 cm3 ，实 验结果表明，触摸完较大的适应球体之后的手认 为随后触摸的普通测试球体比实际情况更小，触 摸完较小的适应球体之后的手认为随后触摸的普 通测试球体比实际情况更大，这两种触觉差异均 为测试球体体积大小的 24%，这一结论表明人手 的触觉大小后效是相当大的，同时在习惯了适应 球体的大小之后，触觉大小后效明显强于未适应 球体大小的对照组实验. 人体的触觉感知是多维 度的，故除了触觉大小尺寸后效以外，还有触觉温 度后效和触觉曲率后效. 目前国内外针对触觉后 效的研究大多集中于大小尺寸研究，因为大小尺 寸的研究更容易被量化，且更容易在生产实践中 得到验证，例如医生在手术中利用触觉感知囊肿 或者肿瘤的大小. 关于触觉大小后效的产生原因， 有研究表明触觉大小后效与形状密切相关[9] ，测试 物体和适应物体的形状越相近，触觉大小后效越 显著，因此可将触觉大小后效称为触觉大小−形状 后效. 影响触觉感知的具体因素多样，且引起人体 触觉感知的机制十分复杂，目前也没有探究出影 响因素和触觉感知特性有明确的映射关系，触觉 感知和神经生理学相关的理论还需进一步的研究 和探索. 1.2    振动触觉感知阈值 感知阈值指的是人体能感受到物体的刺激或 刺激强度/数量变化的最小量，例如指尖的两点阈 值约为 2.5 mm. 感知阈值的研究包括绝对阈值和 差别阈值两方面. 绝对阈值指的是能恰好引起人 心理感受的最小刺激量或者恰好引起人心理感觉 消失的最大刺激量，绝对阈值强烈依赖于振动频 率[10] ，每个触觉感知通道都有不同的与频率相关 的绝对阈值，阈值最小的通道决定该频率的绝对 阈值. 当某个刺激足够强，强到可以刺激多个通 道，所有这些通道都会做出反应，并对感知做出贡 献. 差别阈值亦称最小可视差，指的是引起人差别 感觉刺激的最小变化量. 前者是一个恒定值，不受 外界因素的影响而有所改变，后者受振动强度影 响显著，会随振动强度的增大而有所增加. 针对不 同的感知阈值参数，感知阈值的主要研究集中在 空间两点阈值、时间阈值和强度阈值三个方面. 德国物理学家心理物理学家费希纳提出三种方法 来量化测量感知阈值，分别是最小变化法、恒定刺 激法和平均误差法. 最小变化法指的是按照适当 的变化量递增或者递减刺激序列，随机选择起点， 直到被试感受到刺激为止，这一方法常用于测量 差别阈值. 恒定刺激法是以相同的次数呈现少数 几个恒定的刺激，一般向被试呈现成对刺激，一个 标准刺激，一个比较刺激，让被试判断能否区分两 次刺激. 目前针对人体振动触觉感知阈值的研究 中，相关参数主要包括空间落点、振动频率、振动 强度和振动时间. （1）空间落点：身体不同部位的振动触觉敏感 性各不相同，触觉振动实验的选择原则是在保证 敏感度和操作可行性的前提下，尽可能地提高舒 适度. 针对触觉振动空间落点的研究大多集中在 敏感部位如手指、手腕处，或者次敏感部位如腰 部、背部或脚踝处. 不同的空间落点位置各有优 劣，手指、手腕处的振动识别精度更高，但面积较 小，背部、腰部的振动面积更大，可以提供更大的 阵列，却具有较差的触觉灵敏度. 因此，针对性地 选择空间落点的位置可以有效提高振动触觉编码 信息的传递效率. 人体不同空间落点的触觉差别 阈限差异很大[11] . （2）振动频率：尽管人类可以听到的频率范围 为 20～20000 Hz，但是人类的皮肤可以感受到的 频率范围只在 10 Hz 到 400 Hz 之间[12] ，其中人体 最为敏感的频率为 250 Hz[13] . 研究表明，振动强度 表 1 四种触觉感受器的特性 Table 1 Characteristics of four tactile receptors Receptor Signal type Perceived frequency/Hz Perceived distance/mm Pattern Acception field size Ruffini Deep skin 0−30 3−4 Fast Large Merkel Continuous touch and pressure 0−15 >10 Low Small Meissner Texture change 50 3−4 Fast Small Pacinian High-frequency vibration 200−300 >20 Low Large 杜静宜等： 振动触觉编码的研究现状 · 1263 ·

·1264 工程科学学报，第43卷.第9期 和振动频率之间有着密不可分的关联性，即使在 动信息编码方案，之后根据实验数据优化编码方 振动强度未发生变化的情况下，当振动频率改变 案，实现人和触觉表达装置之间的高效便捷交互 时，人体可以感知到的主观振动强度也会随之改 振动信息编码的数字、字母表达常用的借鉴编码 变]尽管存在这种令人头疼的关联性，对振动频 是布莱叶盲文和莫尔斯电码，在文献[17刀中，东南 率的研究仍是有意义的，因为人体对振动频率的 大学的郝飞提出了一种三角码的方案来表达字母 变化十分敏锐，所以常常使用振动频率的变化来 a~z,三角码本质是一种三进制码，三角码的三个 表达一些更细腻精密的触觉信息 落点分别排列在三角形的三个顶点处，感知定位 (3)振动强度：皮肤可以感知的振动强度，即 清晰准确，通过三次单点振动（即3个三进制数） 振动的力量，是振动触觉的重要参数.关于振动强 表征字母a~z和数字0，通过两次单点振动（即 度的设置，过低的振动强度会导致人体的感受器 2个三进制数)表征数字1~9.这种编码方式简单 无法感知到具体的振动，过高的振动强度会让人 且识别率高，识别准确率和识别时间均优于类布 产生疼痛.人手腕部能感知的适宜振动强度范 莱叶盲文和类莫尔斯编码 围为0.80~2.00N除此以外，影响振动强度的 根据对三种编码方案的横纵向比较，可得振 因素不仅仅是单个振子的振动强度，还与同时振 动触觉编码设计的几个原则：相容性原则、可靠辨 动的振子数量有着显著的相关性.在对作用在大 识原则、简单易记原则、适当训练原则以及表达 腿上的振动触觉装置的实验中，Cholewiak!s发 排序原则.在设计振动强度编码时应尽量保证振 现，即使在每个振子振动强度保持不变的前提下， 感一致，尽可能使用先弱后强模式，慎用“弱- 随着振动振子的数量的递增，被试感受到的振动 强-中”模式，在设计振动持续时间编码时应尽量 强度也会随之递增，这与人体皮肤上某些特殊的 压缩时间，方波间隔振动优先和方波数量优先原 感知特性有关 则，在设计空间落点编码时应尽量集中在同一部 (4)振动时间：振动时间包括两个关键的时间 位或相邻部位，先部分再整体，按照笔顺次序依次 参数，即振动持续时间和振动间隔时间.不同振动 振动 间隔时间和振动持续时间的组合反映了振动的节 2振动信息编码的应用 奏快慢，而振动的节奏极大地影响了人们接收振 动触觉信息的效率，此外，不同振动节奏的组合能 本节主要讨论使用振动触觉对不同振动信息 传递更为丰富的语义信息.Gunther1的研究表 的编码方式.按照振动信息的种类，信息可分为方 明，刺激作用时间小于01s时会产生刺痛感，而随 向方位信息，表情和图案信息以及数字和字母信 着强度与时间的增加，振动的刺痛感会减轻并产 息.针对方向方位的振动编码研究众多，这是源于 生平滑的触觉感知.在大多数的触觉表达装置中， 盲人导航领域对振动触觉的强烈需求.因此，本节 振动持续时间的范围在80ms到500ms之间.人 按照方向信息和其他语义信息分别讨论其特征及 识别触觉图案的能力与振动时间相关，研究表明， 具体应用 振动持续时间从80ms增加到320ms时，人的触 2.1面向方向导航的振动信息编码 觉识别能力逐渐增强，若高于这一范围，将会使被 使用振动信息编码传递环境感知信息是目前 试者产生不适 最广泛和流行的手段，因为环境感知信息简单明 1.3振动信息编码理论 确，区分度大，而振动触觉适于传递语义集小但语 振动信息编码是振动触觉表达装置的理论基 义间区分度大的信息 础，振动触觉信息表达包括触觉信息编码和辨识 振动信息编码在盲人导航领域有着广泛的应 两个过程，人首先根据感知到的振动强度、振动时 用.中国是全世界盲人最多的国家之一，眼部疾病 间和空间落点形成触觉短时记忆，再将短时记忆 在中国也是一个主要的公共卫生问题.由国家统 整理成触觉编码，其次进行触觉表达的辨识过程， 计局网站2014年公布的数据可知，截止2014年， 在大脑中比对固有的振动信息编码方案，将编码 中国约有盲人600万~700万，占世界盲人总数的 解释成可理解的信息，如字母、数字、文字等.因 18%,另有双眼低视力患者1200万.基于数量庞大 此振动信息编码包括两方面的内容，一方面是根 的盲人群体，为盲人提供一定程度的方向导航信 据短时记忆容量和阈值实验探究合适的参数范 息，是研究者迫切想解决的难题.目前，为盲人提 围，另一方面在探究到的参数范围内合理设置振 供类似于视觉信息的主要方式有听觉和触觉两方

和振动频率之间有着密不可分的关联性，即使在 振动强度未发生变化的情况下，当振动频率改变 时，人体可以感知到的主观振动强度也会随之改 变[13] . 尽管存在这种令人头疼的关联性，对振动频 率的研究仍是有意义的，因为人体对振动频率的 变化十分敏锐，所以常常使用振动频率的变化来 表达一些更细腻精密的触觉信息. （3）振动强度：皮肤可以感知的振动强度，即 振动的力量，是振动触觉的重要参数. 关于振动强 度的设置，过低的振动强度会导致人体的感受器 无法感知到具体的振动，过高的振动强度会让人 产生疼痛[12] . 人手腕部能感知的适宜振动强度范 围为 0.80～2.00 N[14] . 除此以外，影响振动强度的 因素不仅仅是单个振子的振动强度，还与同时振 动的振子数量有着显著的相关性. 在对作用在大 腿上的振动触觉装置的实验中 ，Cholewiak[15] 发 现，即使在每个振子振动强度保持不变的前提下， 随着振动振子的数量的递增，被试感受到的振动 强度也会随之递增，这与人体皮肤上某些特殊的 感知特性有关. （4）振动时间：振动时间包括两个关键的时间 参数，即振动持续时间和振动间隔时间. 不同振动 间隔时间和振动持续时间的组合反映了振动的节 奏快慢，而振动的节奏极大地影响了人们接收振 动触觉信息的效率，此外，不同振动节奏的组合能 传递更为丰富的语义信息. Gunther[16] 的研究表 明，刺激作用时间小于 0.1 s 时会产生刺痛感，而随 着强度与时间的增加，振动的刺痛感会减轻并产 生平滑的触觉感知. 在大多数的触觉表达装置中， 振动持续时间的范围在 80 ms 到 500 ms 之间. 人 识别触觉图案的能力与振动时间相关，研究表明， 振动持续时间从 80 ms 增加到 320 ms 时，人的触 觉识别能力逐渐增强，若高于这一范围，将会使被 试者产生不适. 1.3    振动信息编码理论 振动信息编码是振动触觉表达装置的理论基 础，振动触觉信息表达包括触觉信息编码和辨识 两个过程，人首先根据感知到的振动强度、振动时 间和空间落点形成触觉短时记忆，再将短时记忆 整理成触觉编码，其次进行触觉表达的辨识过程， 在大脑中比对固有的振动信息编码方案，将编码 解释成可理解的信息，如字母、数字、文字等. 因 此振动信息编码包括两方面的内容，一方面是根 据短时记忆容量和阈值实验探究合适的参数范 围，另一方面在探究到的参数范围内合理设置振 动信息编码方案，之后根据实验数据优化编码方 案，实现人和触觉表达装置之间的高效便捷交互. 振动信息编码的数字、字母表达常用的借鉴编码 是布莱叶盲文和莫尔斯电码，在文献 [17] 中，东南 大学的郝飞提出了一种三角码的方案来表达字母 a～z，三角码本质是一种三进制码，三角码的三个 落点分别排列在三角形的三个顶点处，感知定位 清晰准确，通过三次单点振动（即 3 个三进制数） 表征字母 a～z 和数字 0，通过两次单点振动 (即 2 个三进制数) 表征数字 1～9. 这种编码方式简单 且识别率高，识别准确率和识别时间均优于类布 莱叶盲文和类莫尔斯编码. 根据对三种编码方案的横纵向比较，可得振 动触觉编码设计的几个原则：相容性原则、可靠辨 识原则、简单易记原则、适当训练原则以及表达 排序原则. 在设计振动强度编码时应尽量保证振 感一致 ，尽可能使用先弱后强模式 ，慎用“弱− 强−中”模式，在设计振动持续时间编码时应尽量 压缩时间，方波间隔振动优先和方波数量优先原 则，在设计空间落点编码时应尽量集中在同一部 位或相邻部位，先部分再整体，按照笔顺次序依次 振动. 2    振动信息编码的应用 本节主要讨论使用振动触觉对不同振动信息 的编码方式. 按照振动信息的种类，信息可分为方 向方位信息，表情和图案信息以及数字和字母信 息. 针对方向方位的振动编码研究众多，这是源于 盲人导航领域对振动触觉的强烈需求. 因此，本节 按照方向信息和其他语义信息分别讨论其特征及 具体应用. 2.1    面向方向导航的振动信息编码 使用振动信息编码传递环境感知信息是目前 最广泛和流行的手段，因为环境感知信息简单明 确，区分度大，而振动触觉适于传递语义集小但语 义间区分度大的信息. 振动信息编码在盲人导航领域有着广泛的应 用. 中国是全世界盲人最多的国家之一，眼部疾病 在中国也是一个主要的公共卫生问题. 由国家统 计局网站 2014 年公布的数据可知，截止 2014 年 ， 中国约有盲人 600 万～700 万，占世界盲人总数的 18%，另有双眼低视力患者 1200 万. 基于数量庞大 的盲人群体，为盲人提供一定程度的方向导航信 息，是研究者迫切想解决的难题. 目前，为盲人提 供类似于视觉信息的主要方式有听觉和触觉两方 · 1264 · 工程科学学报，第 43 卷，第 9 期