Tactile roughness perception of virtual gratings by electrovibration

Abstract

Son yıllarda geliștirilen ve kullanıcıya dokunsal geri bildirim sağlayan dokunmatik ekranlar, haptik teknolojisinin yaygınlașmasında önemli bir role sahiptir. Özellikle tüketici elektroniği alanında, görüntülenen yüzeyler ve onların dokusu hakkında gerçekçi bir dokunsal geri bildirim sağlamak kritik öneme sahiptir. Fakat dokunmatik ekranlarda yaygın olarak kullanılan ve sürtünme kuvvetinin kontrol edildiği elektrotitreșim yöntemi yüzeylerin topografisini dokunsal açıdan kullanıcıya tam olarak iletememektedir. Dolayısıyla, daha gerçekçi bir deneyim sağlayabilmek için insanların elektrotitreșim ile sanal yüzeyleri nasıl algıladığını anlamak büyük önem tașımaktadır. Bu tezde, pleksiglastan üretilen gerçek ızgara yüzeylerin ve elektrotitreșim ile üretilerek dokunmatik ekrana yansıtılan sanal ızgara yüzeylerin pürüzlülük hissiyatları incelenmiș ve karșılaștırılmıștır. Bu amaçla 10'ar katılımcı ile 2 adet psikofizik deneyi düzenlenmiștir. Yapılan deneylerde uzaysal periyodun ve parmağın yüzeye uyguladığı normal kuvvetin hem gerçek hem de sanal yüzeylerde hissedilen pürüzlülüğe etkisi incelenmiștir. Bununla beraber, katılımcıların parmaklarına etki eden kuvvetler de bir kuvvet sensörü aracılığıyla kaydedilmiștir. Bulgularımız gerçek ve sanal yüzeylerde hissedilen pürüzlülüğün birbirinden farklı olduğunu göstermiștir. Bu farklılığın temel sebebi parmak derisinin gerçek yüzeylerde ızgaradaki boșluklara girmesi fakat sanal yüzeylerde bunun mümkün olmamasıdır. Bu çıkarımı destekleyecek șekilde, gerçek yüzeylerde uzaysal periyot ile birlikte penetrasyon miktarı arttıkça teğet kuvvetlerin ve hissedilen pürüzlülüğün de arttığı görülmüștür. Sanal yüzeylerde ise tam tersi bir ilișki söz konusudur. Destekleyici bir diğer unsur ise normal kuvvet arttıkça hissedilen pürüzlülüğün gerçek yüzeylerde artması, sanal yüzeylerde ise düșmesidir. Bu sonuçlar ölçülen teğet kuvvetlerle paralellik göstermektedir. Özellikle, teğet kuvvetin zamana bağlı değișimi, (dF_t/dt), hissedilen pürüzlülük ile benzer bir eğilime sahiptir. Bu sonuç, pürüzlülük hissinin subjektif değerlendirilmesinde, teğet kuvvet yerine teğet kuvvetin zamana bağlı değișiminin daha iyi bir metrik olduğunu göstermektedir.

Realistic display of tactile textures on touch screens is a big step forward for haptic technology to reach a wide range of consumers utilizing electronic devices on a daily basis. Since the texture topography cannot be rendered explicitly by electrovibration on touch screens, it is important to understand how we perceive the virtual textures displayed by friction modulation via electrovibration. We investigated the roughness perception of real gratings made of plexiglass and virtual gratings displayed by electrovibration through a touch screen for comparison. In particular, we conducted two psychophysical experiments with $10$ participants to investigate the effect of spatial period and the normal force applied by finger on roughness perception of real and virtual gratings in macro size. We also recorded the contact forces acting on the participants' finger during the experiments. The results showed that the roughness perception of real and virtual gratings are different. We argue that this difference can be explained by the amount of fingerpad penetration into the gratings. For real gratings, penetration increased tangential forces acting on the finger, whereas for virtual ones where skin penetration is absent, tangential forces decreased with spatial period. Supporting our claim, we also found that increasing normal force increases the perceived roughness of real gratings while it causes an opposite effect for the virtual gratings. These results are also consistent with the tangential force profiles recorded for both real and virtual gratings. In particular, the rate of change in tangential force (dF_t/dt) as a function of spatial period and normal force followed trends similar to those obtained for the roughness estimates of real and virtual gratings, suggesting that it is a better indicator of the perceived roughness than the tangential force magnitude.