[论文解读] Effects of Haptic Feedback on the Wrist during Virtual Manipulation

Mine Saraç, Allison M. Okamura+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 12, 2022

Tactile and Sensory Interactions参考文献 31被引用 6

一句话总结

本研究探讨了在虚拟操作过程中，通过可穿戴手镯在手腕处施加法向或剪切方向的皮肤拉伸反馈对触觉感知的影响。结果表明，不同反馈位置（背侧、腹侧或两者）在刚度感知上无显著差异，表明反馈位置的重要性低于有效皮肤刺激对虚拟物体感知的影响。

ABSTRACT

We propose a haptic system for virtual manipulation to provide feedback on the user's forearm instead of the fingertips. In addition to visual rendering of the manipulation with virtual fingertips, we employ a device to deliver normal or shear skin-stretch at multiple points near the wrist. To understand how design parameters influence the experience, we investigated the effect of the number and location of sensory feedback on stiffness perception. Participants compared stiffness values of virtual objects, while the haptic bracelet provided interaction feedback on the dorsal, ventral, or both sides of the wrist. Stiffness discrimination judgments and duration, as well as qualitative results collected verbally, indicate no significant difference in stiffness perception with stimulation at different and multiple locations.

研究动机与目标

• 探究手腕上触觉反馈点的位置和数量如何影响虚拟操作过程中的刚度感知。
• 比较法向与剪切方向反馈在手腕处对虚拟物体交互任务中有效性的差异。
• 评估用户在手腕背侧、腹侧或两者同时接收反馈时的表现与偏好。
• 确定反馈位置是否影响虚拟刚度辨别任务中的任务准确率或反应时间。
• 为未来可穿戴触觉设备的设计提供依据，实现在解放指尖的同时保持虚拟环境中感知保真度。

提出的方法

• 设计了一款定制的触觉手镯，配备线性促动器，可在手腕背侧、腹侧或两者位置施加法向或剪切方向的皮肤拉伸反馈。
• 系统使用trakSTAR追踪系统监测指尖运动，并基于CHAI3D构建虚拟环境以渲染虚拟物体的刚度。
• 参与者与具有不同刚度（0.1–0.5 N/mm）的虚拟盒子交互，并实时选择感觉更硬的盒子，同时通过手镯接收反馈。
• 测试了两种反馈方向：法向（垂直于皮肤）和剪切（平行于皮肤），反馈施加于一个或多个手腕位置。
• 采用重复测量实验设计，包含训练和测试阶段，12名参与者中条件顺序随机化。
• 使用重复测量方差分析（ANOVA）对数据进行分析，以评估不同反馈位置和方向下的表现差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 手腕上触觉反馈的位置（背侧、腹侧或两者）是否显著影响刚度辨别表现？
• RQ2 触觉反馈的方向（法向与剪切）如何影响用户在虚拟操作任务中的准确率和反应时间？
• RQ3 用户偏好的反馈位置与其在刚度辨别任务中的实际表现之间是否存在显著相关性？
• RQ4 反馈点数量（一个 vs. 多个位置）对虚拟物体刚度感知有何影响？
• RQ5 基于反馈位置或方向，用户在舒适度或感知真实感方面是否存在可测量的差异？

主要发现

• 在整体上，不同反馈位置（背侧、腹侧或两者）之间的刚度辨别准确率无统计学显著差异（p = 0.0855）。
• 仅在法向方向观察到显著性能差异（p = 0.01655），而剪切方向无显著差异（p = 0.7633）。
• 仅在剪切方向观察到反应时间存在显著差异（p = 0.01854），法向方向无显著差异（p = 0.8068）。
• 用户更偏好在手腕两侧同时接收反馈（12人中有5人），尽管仅有3人表示两侧感觉无差异。
• 最多人报告感受到的反馈位于背侧（5人），其次为腹侧（3人）和两侧（4人），表明可能存在感知不对称性。
• 未发现用户表现最佳的位置与其报告最明显或最偏好的位置之间存在相关性。