This thesis proposes a tactile display device providing both pin-array type tactile feedback and thermal feedback. The pin-array type tactile display is composed of a 6x5 pin-array that is actuated by 30 piezoelectric bimorphs. Micro shape and vibrotactile feedback can be generated by the device, and various planar patterns can be displayed such as Braille cell patterns. The thermal feedback device is composed of a thin film resistance temperature detector(RTD), a Peltier thermoelectric heat pump and a water cooling jacket.
Two experimental tests using simulated thermal cues were conducted. As humans can discriminate among different materials by perceiving temperature variation when they touch a real object’s surface, a thermal contact model between the material and fingertip is proposed to simulate the virtual touch of materials. To test the suitability of the proposed model, a comparison experiment between the simulated thermal cues was conducted. The simulated thermal cues are able to be distinguished with a similar rate to those of the real thermal cues. Furthermore, an identification test among the simulated thermal cues was conducted with a change in the number of fingertips contacting the material. Increasing the number of fingertips shows an increasing proportion of correct identifications. With this result, evidence for the possibility of the spatial summation of cold among fingertips in same hand was found.
Based on the previous experimental results, thermal spatial processes need to be investigated to know perceptual characteristics of thermal sensing for fingertips. Two more experiments were conducted using a thermal display that simulates thermal cues associated with making contact with different materials. In the first experiment, participants indicated which of two simulated materials presented to the index fingertip was cooler. The results indicated that participants were unable to resolve the two areas of thermal stimulation despite considerable differences in the thermal transients presented. The second experiment evaluated the effects of concurrent thermal stimulation on the ability to discriminate between materials. Thermal cues were presented to the middle fingers of both hands and two adjacent fingers on one hand. Participants indicated which middle finger was in contact with the cooler material. Thermal spatial summation was evident across the fingers which enhanced the ability to discriminate between simulated materials when the cooler stimulus was presented to three fingers. When the same stimulus was presented to the two hands, simultaneous stimulation of adjacent fingers altered the perceived thermal response. To investigate thermo-tactile interaction, an experiment asking perceived magnitude of vibrotactile stimulus according to different temperature condition was conducted. In the investigation of thermo-tactile interaction, perceived magnitude of vibrotactile stimuli was affected by temperature variation only for high frequency (>150) vibrotactile stimulus. Through this experimental result, we have confirmed that the previous experimental results were valid and Pacinian channel is strongly affected by temperature variation.
Based on these results, this thermal feedback has been combined into the previously developed planar distributed tactile display system. In making a multi-fingered tactile display system, thermal sensation characteristics will be utilized in displaying material properties in a VR environment. The experimental results can also be used as guidelines for designing thermal feedback devices.
본 논문에서는 가상현실이나 원격환경에서 물체의 표면의 질감을 표현해 주기 위한 장치인 촉감구현장치(Tactile Display)를 개발하고 이를 활용한 사람의 촉감 인지(Perception)에 관련된 여러 가지 실험을 수행하였다. 사람의 촉감은 근감각(kinesthetic sense)과 질감(tactile sense)을 통해 느끼게 되며 질감은 다시 자극의 종류에 따라서 기계적 자극을 수용하는 기계적 수용기(Mechano-receptors)와 열, 온도를 감지하는 열수용기(Thermo-receptor)로 구성되어 있다. 본 연구에서는 이러한 질감을 표현해주기 위해 촉감과 냉온감을 동시에 전달해 줄 수 있는 전체적인 촉감 구현 장치(Holistic Tactile Display)를 개발하였다. 기계적 자극을 전달해 주는 장치는 5×6의 핀 배열이 1.8mm의 핀 간격을 가지고 독립적으로 움직일 수 있는 장치와 손가락을 통해 열을 전달하거나 빼앗을 수 있는 열전달 장치가 서로 결합되어 두 가지 자극을 동시에 전달해 줄 수 있다. 열전달 장치는 소형 열펌프인 펠티어(Peltier) 소자를 활용 하였으며 표면의 온도를 제어하기 위한 온도 센서와 펠티어 소자의 발열면의 열을 효과적으로 냉각시켜줄 수 있는 냉각 자켓으로 구성되어 있다.
열전달을 해 주기 위해서는 사람의 피부와 물체 사이의 열 접촉 모델이 필요하게 되며 열전달시에 전도만을 통해 열이 전달된다고 가정할 때 혈액 순환과 손가락과 물체 사이의 열저항을 고려한 보완된 모델을 제시하였으며 두 가지의 실험을 통해 시뮬레이션으로 만들어낸 열신호(Simulated thermal cue)가 두 가지의 서로 다른 열 물리적 특성을 갖는 물체들을 서로 비교하거나 현재 제시되는 열신호가 어떤 물체를 만지는 느낌과 비슷한지 식별(Identification)하는 실험을 수행하였다. 실험 결과는 제안된 모델을 기반으로 한 시뮬레이션된 열신호와 실제 물체를 통해 한 실험과 거의 유사하였음을 확인하였다. 또한 접촉면적이 물체 식별에 어떠한 영향을 주는지 알아보기 위해 열신호를 다수의 손가락에 전달해 주고 물체 식별을 하도록 하는 실험을 수행하였다. 손가락 개수가 1개, 3개, 5개로 늘어남에 따라 물체 식별에 있어서 더 나은 정답률을 보였으며 접촉면적이 늘어남에 따라 물체 식별을 더 잘할 수 있음을 확인하였다. 이를 통해 사람의 열감지 특성은 손가락 끝단이 서로 인접한 영역이 아님에도 불구하고 느껴지는 자극을 합산하여 느끼는 공간적 합산(spatial summation)이 열 감지에서 중요한 특성 중에 하나임을 확인하였다.
이러한 공간적인 특성에 대한 좀더 명확한 특성을 확인하기 위해 서로 다른 두 개의 자극이 인접 면적에 나뉘어져 들어왔을 때의 느껴지는 자극의 구분 능력(spatial acuity of thermal sensing)을 측정하는 실험과 동일한 자극을 받는 주변의 손가락의 열신호가 인접한 손가락의 냉온감 인지에 어떠한 영향을 주는지 알아보기 위한 실험을 수행하였다. 실험 결과를 통해 사람의 열감지 특성은 상대적으로 큰 열물리적 특성의 차이를 갖는 두 물체가 인접한 영역에 제시되어도 이를 구분을 잘 하지 못하는 특성을 보였으며 주변의 손가락의 자극이 인접한 손가락의 자극의 크기를 더 크게 만드는 것을 알아내었다. 또한 이로서 손가락 사이에는 공간적 합산이 지배적인 요소임을 다시 한번 확인하였다.
촉감과 냉온감이 동시에 작용하였을 때의 상호 작용에 대해서 알아보기 위해 두 가지의 자극을 동시에 주면서 온도 자극이 촉감에 미치는 영향을 알아보는 실험을 수행하였으며 핀 형태의 자극을 주는 장치에서는 차가운 온도 자극이 느껴지는 핀의 높이를 통한 세기가 진동 주파수 150Hz이상에서 더 약하게 느껴짐을 알아내었다.
부록(appendix)에서는 개발한 전체적인 촉감 제시 장치를 내장한 마우스에 대해서 기술한다. 가상 물체의 텍스쳐와 거칠기, 점자, 모양, 냉온감에 의한 재질감을 구현할 수 있도록 개발되었다. 차세대 컴퓨터용 인터페이스 장치로 활용 가능한 통합 질감제시 마우스를 본 연구의 핵심 결과물의 하나로 제안하였다.
