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Maereg, Andualem Tadesse, et al. "Wearable vibrotactile haptic device for stiffness discrimination during virtual interactions." Frontiers in Robotics and AI 4 (2017): 42.
- Abstarct
- 본 연구에서 가상의 물체와 interaction을 하는 동안 강도 인식에 대해 cost effective, wireless, wearable한 vibrotactile haptic device의 발전에 대해 이야기한다. Experimental setup은 5개의 vibrotactile actuator가 있는 haptic device, Oculus Rift Head Mounted Display(HMD)와 Leap Motion controller로 통합된 Unity 3D의 가상 리얼리티 환경으로 구성된다. 가상 환경은 유저로부터 touch input을 capture할 수 있다. Interatcion force들은 500Hz에서 렌더링되고, ERM vibrotactile actuator와 함께 손가락 끝을 자극하는 착용가능한 setup으로 피드백을 준다. Amplitude와 vibration의 frequency는 가상 물체의 강도를 simulate하려는 interaction force에 대해 비교적 조절이 된다. 양적, 질적인 연구는 3개의 sensory modality에서 가상의 선형 스프링에서의 강도 묘사를 비교하는 데에 진행되었다 : visual only feedback, tactile only feedback, their combination. Two Alternative Forced Choice(2AFC)라고 불리는 일반적인psychophysics 방법은 Just Noticeable Difference(JND)와 Weber Francions(WF)를 사용하는 양적인 분석에 사용된다. psychometric experiment result에 따르면, 시각 자극만 있는 0.39 값의 평균적인 Weber fraction은 tactile 피드백을 추가하면 0.25로 향상된다.
- 1. Introduction
- 우리의 touch 감각은 다양한 다른 receptor의 결합이다. 그건 texture, geometry, hardness, temperature, weight라고 부를 수 있다. 이런 감각 능력은 우리가 여러 가지 중 다른 물체를 구별하는 데 도움을 준다. touch 감각이 모든 이러한 sensation의 fusion이기 때문에, haptic device를 이용한 full touch simulation에 달성하는 것은 어렵다.
- 사람과 물체, 환경 간의 haptic interatcion은 우리의 손가락-손에 의해 달성된다. 사람들의 haptic perception은 kinesthetic haptic feedback과 피부의 haptic feedback의 2개의 파트를 공동으로 포함한다. 피부 haptic perception은 접촉면과 손가락 표면 피부 아래 낮은 threshold mechanoreceptors의 응답에 의해 영향을 받는다. 다른 건 position감각과 연관된 힘, joint, tendon, muscle 주변의 mechantrceptor에 의해 영향을 받는 감각에 관련된 kinesthetic haptic이다.
- 많은 상업적인 haptic device들은 kinesthetic haptic feedback을 제공하도록 발전되었다. 몇몇은 Geomagic's Phantom, Force Dimension's Omega, Haption의 Virtuose이다. 그러나, 이러한 kineshetic haptic device들은 우리의 일상에서 그것들의 영향을 감소시키게 부피가 크고 비싸다. 반면, kinesthetic feedback의 부재 때문에 believable haptic sensation 생산이 제한적일 수 있다. 대부분의 haptic device들은 electrical actuaors, pneumatics, hydraulics 또는 다른 electromechanical system에 의해 force와 pressure를 apply한다. Data gloves와 같은 device들은 강화하기 위한 공기주머니를 사용하거나 쥐는 것을 제한한다. 때문에 가상 현실에서 물체를 느낄 수 있다. Cyber Grasp와 같은 wearable exoskelton은 각 손가락에 저항을 주기 위해 tendon들과 actuator들을 사용한다.
- Vibrotactile display들은 청각, 시각 피드백을 강화하는 것으로 인해 motor learning을 향상하는 것, sensory subsitution, virtual socail interaction과 tele-manipulation 과제와 같은 rehabilitation을 포함해 다양한 어플리케이션때문에 발전해왔다. Vibrotactile feedback은 또한 가상 게이밍과 prototyping application으로 현저하게 touch perception을 강화할 수 있다. Touch와 vision의 결합은 지각할 수 있는 과정의 불변량을 동시에 추출할 수 있는데, 이건 물체와 환경의 고차 인식과 분류를 허용하는 상호적인 연결을 확립하는 데에 중요하다.
- VR 기술의 발달은 사람들이 마치 가상환경 속에서 있는 것처럼 느끼도록 하는 감각 정보를 제공함으로서 가상 경험을 더 몰입감있게 만드는 것을 가속화했다. 감각 정보들은 시각, 청각, 촉각적인 것이 될 수 있다. 실시간 interaction에 도달하기 위해 VR 시스템은 실제 세상으로 부터 input들을 받아야하고 연속적이고 자연스럽게 feedback을 전송해야 한다.
- 본 연구에서는 누락된 kinesthetic haptic feedback을 대체하기 위해 가상의 손의 시각적 피드백이 통합된 피부의 vibrotactile feedback 사용을 탐구한다. 최근 DRV2605와 같은 haptic motor drivers의 발달은 vibrotactile의 open loop control의 제한을 감소시켰다. 이러한 종류의 driver들은 closed loop feedback을 컨트롤하는 알고리즘이 있는 vibration motors의 start up과 break time을 감소시키고, 우리에게 이미 internal ROM에 저장된 다른 타입의 waveforms을 촉발시킨다. DRV2605는 또한 PWM input과 통합된 digital level shifter을 사용하는 vibration strength에 있어 급격한 변화를 감소시키는 데에 도움을 준다. 그렇게 함으로써, vibration의 annoying한 효과를 감소시킨다. Digital level shifter은 input voltage가 더 높은 input voltage(VIH)와 더 낮은 input voltage(VIL) level과 만날때 까지 고정된 값으로 voltage level을 조정한다. 심지어 이런 종류의 driver들은 mobile phone, tablet, remote control 그리고 touch-enabled device들에 쓰여왔지만, 피부의 VR장치에 대한 안정적인 제어 기능을 만드는 것에 대해서는 탐구되지 않았다. 여기서 우리는 주로 가상 현실에서 유저의 몰입을 증가시키기 위해 PWM이 modulate된 vibrotactile cue의 사용에 초점을 맞춘다. 이 vibration modulation은 가상 물체와의 interaction동안 impact force를 기반으로 한 signal의 amplitude와 frequency에 있어 진행되었다. 피부의 mechanical vibaration 감각은 10kHz만큼 높게 갈 수 있지만, 다른 것으로 부터의 vibration frequency를 구별하는 능력은 320Hz 이상 감소한다. 일반적으로 사람들은 50-400Hz의 frequency 범위 내에서 vibration cue들을 구분할 수 있다.
- 논문의 나머지 부분은 다음과 같이 구성되어 있는데, 섹션2는 강도 구별 및 논문의 주요 목적에 대한 이전 문헌의 이론적 관찰을 논의한 후, 장치와 실험 설정 및 psychometric 실험을 섹션3에서 설명한다. 실험적 결과의 섹션4는 JND와 WF의 형태에서 보고되었다. 마지막으로 가능한 결과의 implication에 관한 논의는 섹션5에 설명되었다.
- 2. Stiffness Discrimination
- 우리는 tactile feedback과 visual feedback의 유무에서 가상 선형 spring stiffness 구별 능력을 조사했다. Spring의 강도는 apply된 force에 의해 변형된 spring의 저항으로 정의될 수 있다. 이건 물체의 특성에 대해 가장 많이 연구된 것 중 하나이다. 강도 특성은 물체의 discrimination, identification, manipulation에 있어 우리를 도울 수 있다. spring의 강도 값은 apply된 force의 unit measure에 의해 야기된 변형의 양에 의해 정의될 수 있다. 따라서, spring의 강도를 느끼는 것은 spring의 변형과 관련된 force의 양 모두에 대한 지식을 요구한다. 우리의 시각은 spring의 변형에 관한 몇 정보들을 제공한다. 그러나, 시각은 apply된 force에 관한 많은 정보를 제공하지는 못할 수 있다.
- 변형 가능한 표면에서 발생하는 촉각 정보의 복잡성으로 인해 변형 가능한 표면 위에 단단한 질량이 부착된 spring이 선택된다. fingerpad와 변형가능한 compliant object가 접촉할 때, 어떤 임의의 순간에 contact interface의 기계적인 변수들은 가해진 힘과 반응력을 구성하는 순수한 힘, 접촉 면적, 접촉 영역 내의 압력 분포와 물체-fingerpad 내의 변위 혹은 변형이다. 따라서 변형가능한 표면에 대한 분석은 쉽지 않다. 단단한 spring의 경우에는, 접촉하는 변형가능한 표면과는 달리 평균적인 압력 분포와 피부 fingerpad 대체물은 완벽하게 접촉의 net force에 의존하고, spring의 강도에 독립적이다. 그러므로 이런 parameter들은 강도 encoding동안 무시될 수 있다.
- 많은 연구들은 다양한 실험적인 방법을 사용해서 사람의 강도 구별 능력을 양적화해왔다. 강도와 같은 physical parameter들의 구별에 대한 연구는 어떻게 사람이 이러한 parameter들을 잘 구별할 수 있는지를 도와줄 수 있다. 게다가, 구별 실험 이후에 수행된 psychophysical한 연구들로 부터 얻게된 지식들은 더 나은 햅틱 인터페이스를 디자인하는데에 사용될 수 있다. 가상 환경에서의 햅틱 디스템의 디자인에서 사람들의 감각 시스템의 햅틱 디스플레이의 resolutuon을 고려하는 게 중요하다.
- 촉각 정보 하나만은 강도를 구별하는 데에 충분하지 않을 수 있다. 다른 물체들의 강도를 구별하는 데에 촉각 정보의 충분함은 finger-pad 접촉과 encode된 촉각정보의 효과의 매커니즘에 의해 설명될 수 있다. 그러나 강도 판별 중에서는 단단한 표면 촉각 정보가 있는 compliant 물체의 경우, 시각적 피드백이 어느 정도 수용적 감각을 대체할 수 있다. 강도 구별에 있어 시각적 정보의 효과는 연구에 설명되어 있다. 변형가능한 표면에서 spatial 압력 분배와 함께 접촉된 부분은 적용된 힘과 object compliance 양쪽 다에 달려있다.
- 다른 강도의 탐구 과정은 연구되어왔다. 물체의 강도는 tapping이나 pressing에 의해 인식될 수 있다. 물체의 강도를 평가하는 일반적인 방법은 검지 손가락과 엄지 손가락 사이에서 물체를 쥐어짜거나 검지 손가락으로 누르는 것이다. 물체에서 적용된 일반적인 힘은 물체와 손가락 모두에 해당하는 변형을 야기한다. 몇몇 연구는 물체를 tapping하는 것이 pressing하는 것보다 변형이 상당히 낫다는 것을 보여준다. 이건 tapping동안 급격한 force rate의 증가로 인해 발생한 tactile cue들의 존재때문일 수 있다. Tapping동안, 물체가 단단할수록 물체에 대한 compressional force의 크기와 속도에 의해 생성되는 net force의 양은 커진다.
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