The tactile sensation from the receptors has five basic properties available to obtain information from a vibrotactile stimulus: intensity, frequency, waveform, duration and location. Especially, intensity and frequency are fundamental stimulation elements in the case of tactile feedback on the skin. To understand the effect of intensity, there have been many relevant psychophysical studies such as stimulus detection thresholds and sensation level of somatic sensation at each frequency. Many devices generate tactile feedback with the intensity modulation.However, tactile feedback with frequency modulation is not common in many devices.
This dissertation tries to investigate the frequency modulation effect on vibrotactile perception. Chapter 2 presents methods to feel the tactile stimuli with frequency modulation As a preliminary test, the vibrotactile threshold of the right index finger was measured at the frequency band of 6.31Hz to 398.1Hz and three small contactor areas ($0.20mm^2, 0.79mm^2, and 3.14mm^2$). The experimental curve was shown as a U-shape with a minimum around the frequency of 250Hz. A transition of the sensation level after frequency modulation was noted under the same amplitude (Chapter 2.1). Based on this finding, alternation of spatial patterns is investi-gated by modulating the temporal pattern. It is attempted to observe what effects with the frequency modulation of vibration elements produce in representing a tactile shape. The tactile shapes were modulated based on frequency difference at a constant amplitude through a tactile feedback array of 30 (5×6) pins that simulated the finger pad. Experimental results show that participants can sense height modulation during modulating frequency and can discriminate the three basic tactile shape patterns, which were generated with different frequencies at a constant amplitude. These experiments proved that spatial information can be represented by modulating temporal information (chapter 2.2). When two vibratory tactile stimuli with slightly different frequencies are presented on the finger pad, participants can perceive stimuli with low frequency because of beats phenomenon. To understand the perceptual ability about beats phenomenon on the human skin, tactile beats threshold is measured and sensitive envelope frequency is also measured to feel the beats. Furthermore, some application using tactile beats phenomenon is shown (Chapter 2.3). Based on these tactile stimuli on the frequency modulation, Chapter 3 tries to show how to perceive the dynamic tactile stimuli with frequency modulation. The tactile apparent motion in the finger pad was investigated with a tactile shape display mouse system. Dynamic pattern modulation in the finger pad is designed and experimentally proved to present tactile apparent motion stimuli with frequency modulation, and dynamic frequency modulation at passive touch can be utilized for transmitting tactile pattern information to the person controlling the mouse pointer (Chapter 3.1). The effects of the frequency modulation of vibration elements on representing dynamic tactile feedback in both hands were investigated. We proved that the sensation level difference in vibrating motors with different frequencies on the right and left finger causes phantom sensation which is perceived as if the stimuli are put on between the fingers. To use this phantom sensation, tactile flow from one hand to another hand with frequency modulation is generated. Furthermore, tactile apparent motion between the right and left index finger including beats phenomenon was developed with the frequency modulation. (Appendix A).
사람의 감각 수용기로부터 질감을 지각하는 기본적인 요소는 크게 자극의 세기, 자극의 주파수, 자극의 파형, 자극지속시간, 자극의 위치 이렇게 다섯가지가 있다. 그 중 진동 자극의 세기와 주파수는 질감을 지각하는데 주된 역할을 한다. 기존의 많은 연구들에서는 자극의 세기와 밀접한 관계가 있는 자극의 높이의 변화를 사람이 어떻게 인지하는지에 대하여 조사하였다. 하지만 자극의 주파수의 변화에 따른 질감지각에 대한 연구는 많이 이루어 지지 않았다.
본 연구에서는 자극의 진동주파수 변화가 질감지각에 어떠한 영향을 미치는지에 대해서 연구하였다. 2장에서는 진동주파수 변화를 이용하여 다양한 진동 자극을 만들어 내는 것에 대하여 조사하였다. 주파수 변화를 통해 다양한 진동자극을 만드는 것에 대해 조사하기에 앞서서, 실험을 통해 각 주파수에서 사람이 0.5, 1, 2mm의 자극 크기를 갖는 진동을 인지할 수 있는 진동자극 높이에 대한 역치값 (threshold)을 측정하였다. 본 실험에서 역치값은 주파수 변화에 따라 250Hz에서 가장 작은 역치값을 갖는 U모양의 형태를 보였다. 이러한 역치값은 자극의 감각레벨(sensation level)과 연관되어 있다. 자극의 높이가 커짐에 따라서 감각레벨 역시 커지게 되고 기존의 많은 연구들이 이러한 현상을 이용하여 질감지각의 변화를 생성해 내었다. 이와 비슷하게 주파수가 증가함에 따라서도 감각레벨이 증가 하는 것을 알 수 있다. 이러한 특성을 이용해서 2.2장에서는 주파수의 변조가 감각레벨을 변화시키고 이러한 감각레벨의 변화로 인해 사람들은 자극의 높이가 변화된 것으로 인지할 수 있다는 것을 보였다. 2.3장에서는 작은 주파수 변조에 의해서 간섭이 생성되는 맥놀이 현상을 촉각적인 측면에서 지각하는데 적용하였다. 1mm의 간격을 두고 다른 곳을 자극 하게 되더라도 두 개의 자극은 간섭이 생겨 맥놀이가 나타나고 이러한 맥놀이 현상으로 인해 사람들은 저주파의 느낌을 인지할 수 있게 된다는 것을 보였다. 또한 사람이 맥놀이가 인지 가능한 자극의 높이가 어떻게 되는지에 대해서 각각의 포락주파수(envelope frequency)와 반송주파수(carrier frequency)에 대해서 조사하였다. 이에 덧붙여 인지 관점에서 일반진동으로부터 맥놀이 자극으로의 변화를 쉽게 인지 할 수 있는 맥놀이에서의 반송주파수에 대해서 실험하였다. 실험 결과로부터 사람은 반송 주파수가 높아짐에 따라 낮은 진동높이의 역치값에도 쉽게 맥놀이를 인지할 수 있었고 10Hz에서 15.8Hz사이의 포락주파수 값을 가지는 맥놀이가 사람이 가장 쉽게 일반진동으로부터 맥놀이현상으로의 변화를 인지하는 것으로 나타났다. 실험 결과를 바탕으로 본 논문에서는 휴대형 단말기에서 자동차 시뮬레이터에 맥놀이 현상을 적용하여 다양한 노면으로부터의 진동과 자동차 엔진 느낌의 진동을 조건에 따라 피드백 하는 기법을 응용하였다. 추가적으로 맥놀이를 이용한 다른 장치간의 접촉을 통한 간단한 사회적 상호작용기법에 대해서도 소개하였다.
3장에서는 2장에서 보인 주파수 변화를 통한 다양한 진동 자극을 바탕으로 진동 자극을 공간상에서 움직여서 동적인 진동자극을 만들었다. 3.1장에서는 주파수의 변화에 따른 감각레벨이 다른 것을 밝힌 2.2장에서의 내용을 동적 진동자극으로 확장한 것이다. 자극의 주파수의 변화를 이용해 사람의 손가락에서 흐름이 있는 것처럼 보이게 하는 가현 운동(apparent movement)을 생성하는 방법을 제시하였다. 이러한 방법을 이용해, 질감제시가 가능한 마우스를 이용해, 커서의 위치에 따른 높이가 변하는 모양을 인지 할 수 있음을 보였다. Appendix A에서는 양 손에 서로 다른 진동 자극을 주었을 때 두 손의 진동 자극에 따른 감각레벨의 차이에 의해 두 손 사이의 특정 지점에서 자극이 있는 것처럼 느끼게 되는 현상을 실험을 통해 관찰하였다. 또한 이를 이용하여 자극을 한 손에서 다른 방향으로 흘러가는 움직임을 생성시키는 방법을 제시하였고 양손에서 맥놀이 현상이 일어날 때 반송주파수에 따라 감각레벨이 차이가 생성되어 낮은 주파수의 느낌이 한 손에서 다른 손으로 흘러나는 느낌을 생성 시키는 방법을 제시하였다.
