This paper investigates the development of a broadband tactile display and role of vibration in the tactual perception. Before designing the tactile display, spatiotemporal tactile perceptive characteristics and biomechanical properties of human skin and their implications for the design of tactile displays were investigated. Three separate experiments were conducted. First, vibrotactile thresholds as a function of frequency of vibration were measured using a cylindrical contactor of 0.7mm diameter. The results of the experiment showed similar trends to that of previous physiological results that used a larger contactor. In the second experiment, vibrotactile spatial acuities were investigated. Two-point localization errors were measured on the tip of the index finger and on thenar eminence as a function of frequency of vibration. The results showed that human skin was sensitive to spatial differences at the frequency bands of 1-3Hz and 18-32Hz. The subjects' spatial acuities gradually decreased as the frequency of vibration increased over 50Hz. In the third experiment, impedances of human skin were measured as a function of frequency of vibration. The results showed that the impedance of the finger pad increased as vibrational frequency increased. However, the impedance of the palm remained steady. From these results, the implications in the designing of spatially distributed tactile displays and methods for texture display haven discussed and they were applied to develop a compact broadband tactile display. A planar distributed tactile display was developed and tests of its effectiveness for displaying textures were studied. The tactile display is composed of a 5×6 pin array actuated by 30 piezoelectric bimorphs. The pins lie on 1.8 mm centers. Vertical excursion of each pin is controlled over a 0-0.7mm range. Perceptual experiments were conducted to evaluate the performance of the system under three conditions: active touch, passive touch with vibration, and passive touch without vibration. The experimental results showed that vibrating the pins helped subjects discriminate stimulus patterns. Measurements of error rate during discrimination tasks were used to find an optimal vibration frequency for stimuli presented at a constant sensation level (32 SLdB). The experiment was repeated, this time holding constant the energy transferred mechanically to the fingertip tissue. The results suggested new possibilities for displaying texture using passive touch, constant energy, and spatially-varied vibration frequency.
The study on the effects of frequency of vibrotactile stimuli has been extended to the effects of frequency and amplitude on perceiving texture. The objective of the next experiment was to analyze the influence of the variation of frequency and amplitude on perceived texture when a tactile display conveys cutaneous stimuli to humans. To this end, evaluation of human sensibility was conducted with varying Grit Size of sandpapers and by modulating the frequency and amplitude of the tactile display. From the experimental results, a strong correlation between the Grit Size of sandpaper and the perceived roughness was found. In addition, factors affecting perceived roughness were analyzed. In the main experiment II using the tactile display, the experimental results showed that there was also a strong correlation between the response to roughness and the variation of frequency and amplitude of the tactile display. Based on previous research, the last issue for this research has been focused on perceived roughness. The experimental results showed there was a tight correlation between perceived roughness and vibrotactile stimuli and their functional relations were derived. The results of analysis showed perceived roughness was proportionally intensified as logarithms of frequency or logarithms of amplitude increased and the amplitude and the frequency could complement each other. Based on obtained functional relation, a virtual reality test environment has been developed and the relation has been verified using a tactile display mouse.
질감제시장치(Tactile Display)란 실제로 존재하지 않는 가상의 물체의 표면의 질감을 재현(representation)하는 것을 목적으로 하는 물리적 장치이다. 사람의 촉감은 물체를 만지는 동안 접촉력이 전달되는 근감각(kinesthetic sense)와 물체의 표면의 미세한 정보를 피부를 통해서 느끼는 질감(tactile sense)로 이루어져있다. 근감각과 질감의 재현이 동시에 구현될 경우 가상의 공간에서 의사가 촉감을 느끼면서 실제와 같은 수술연습을 할 수 있고, 시각장애인이 컴퓨터상의 아이콘, 문자, 그림 등을 느낄 수 있게 되며, 컴퓨터를 이용한 설계시 부품의 조립상태를 실제 끼워 맞추는 느낌으로 확인할 수 있게 되고, 만져보고 살 수 있는 온라인 쇼핑몰이나 실감게임 등 여러 다양한 분야에 응용될 수 있다. 근감각의 경우 기존의 로보트 공학 기술을 이용하여 가상의 물체의 형상, 강도(stiffness), 점성(viscosity)등을 재현하고 있으며, 많은 시스템이 상용화 되어있다. 그러나 질감의 경우 질감제시장치 개발과 모델링의 어려움이 있으며, 특히 공학적 접근뿐 아니라 생리학적(Physiological), 정신물리학적(Psychophysical), 심리학적(Psychological) 접근을 요구하므로 세계적으로 단순한 모양을 구현하는 수준에 머무르고 있다.
본 연구에서는 질감제시장치를 개발하기에 앞서서, 질감제시장치의 설계 요구사항을 얻어내기 위한 실험을 먼저 실시하였다. 2장에서는 접촉력(contact force)과 위치(position)가 정확하게 측정되고, 끝에 지름 0.5mm의 핀이 부착되어있는 두 개의 탐침(probe)을 사용하여 핀간격을 바꾸어가면서 피부에서의 위치 분해능(Spatial Acuity)을 측정하였다. 그리고 동시에 자극의 주파수를 변화시킴으로써 주파수 변화가 분해능에 미치는 영향을 측정하였다. 또한 피부의 기계적 특성을 동시에 측정함으로써 측정된 모든 데이터를 질감제시장치를 설계하는데 필요한 핀간격, 핀의 수직방향 운동 높이, 동작 대역폭등을 결정하는 근거로 사용하였다.
3장에서는 2장에서 측정된 설계기준치를 바탕으로 설계 및 개발한 질감제시장치와 성능에 관해서 서술한다. 개발된 질감 제시장치는 5x6의 30개의 핀을 가지며, 핀간격은 1.8mm, 각각의 핀이 개별적으로 수직방향으로 최대 0.7mm 동작할 수 있다. 동작 대역폭은 360Hz이며, 약 11g의 질량을 갖는다. 개발된 장치를 활용하며 표면의 다양한 모양과 무늬 등을 재현하는 실험을 수행함으로써 개발된 장치의 우수성을 검증하였다. 특히 주파수 변화를 통해 1-3Hz의 낮은 주파수 대역에서는 표면을 문지르지 않아도 진동자극으로 무늬를 효과적으로 전달할 수 있음을 발견함으로써, 시각장애인용 시스템이나 착용형 질감제시장치(wearable tactile display)에 효율적인 자극 방법을 제안할 수 있었다.
4장에서는 사포와 질감제시장치를 활용하여 촉감에 대한 감성평가를 실시하였다. 수집 및 추출된 형용사를 이용한 사포의 감성평가에서는 사포의 물리적 거칠기 값과 심리적 거칠기 값이 직접적으로 연관되어있음을 확인할 수 있었다. 그리고 질감제시장치의 주파수와 진폭을 변화시키면서 실시한 형용사 평가에서는 몇 가지 흥미로운 사실을 발견할 수 있었다. 사람은 주파수가 올라갈수록 표면의 밀도를 점점 더 높게 느낀다는 사실을 확인함으로써 핀배열 타입의 질감제시장치의 밀도보다 더 높은 밀도를 가상으로 재현해 낼 수 있었다. 또한 주파수가 증가할수록, 진폭이 증가할수록 거칠기와 관련된 값들이 증가하는 현상을 관찰할 수 있었다.
5장에서는 사람이 지각하는 거칠기(perceived roughness)와 자극의 주파수 및 진폭의 연관성에 대해서 함수관계를 도출하였다. 개발된 질감제시장치를 활용하여서 20명의 훈련된 피험자에게 실험을 실시한 결과 지각되는 거칠기와 자극의 주파수 및 진폭 사이에는 분명한 함수 관계가 존재함을 확인할 수 있었다. 그리고 얻어낸 함수 관계를 이용하여 가상의 거칠기를 구별하는 실험을 실시하여 본 결과 얻어낸 함수 관계가 매우 유효함을 확인할 수 있었다.
부록(Appendix)에서는 본 연구의 수행을 통해 개발한 질감제시장치가 내장된 컴퓨터용 마우스에 대해서 기술한다. 기존의 마우스와 동일한 방법으로 사용할 수 있도록 개발된 마우스는 사용자에게 아이콘, 문자, 무늬, 거칠기 등의 정보를 임의로 전달할 수 있다. 또한 반력전달장치(Force Feedback Device)와 열전소자가 부착되어 가상 물체의 크기, 무게, 모양, 굳기, 냉온감에 의한 재질감 등을 구현할 수 있도록 개발되었다. 새로운 컴퓨터용 인터페이스 장치인 통합 질감제시 마우스를 본 연구의 중요한 결과물의 하나로 제안한다.
