·1262 工程科学学报，第43卷.第9期 discussed the resolution of tactile vibration based on the mechanism of tactile vibration perception.According to the application of directional navigation and text interaction,the vibration information coding was summarized and the experimental methods and conclusions of vibration information coding were introduced.Moreover,the prospect of the vibration information coding field was proposed. KEY WORDS human perception property;tactile language;human-computer interaction;vibration tactile;tactile coding 人体表面（如皮肤）是一个巨大的触觉感受 的紧急救火等，基于振动触觉对信息进行编码及 器，我们依靠它与外界进行形形色色的沟通.尽管 合理表达的研究与应用应运而生.本文从触觉感 视觉在我们的日常生活中占据着不可撼动的位 受机理入手，探讨不同参数的振动触觉的分辨率 置，但皮肤才是我们最大且最古老的感知器官，一 以及触觉信息编码手段，并对主流的振动触觉编 直以来，科学研究都低估了借助触觉传递丰富信 码方案及应用进行归类研究 息的能力，这与触觉的一些特殊的属性有关.例如 1 振动触觉感知的基础研究 触觉很少独立于其他的感觉通道（如听觉、视觉或 嗅觉)而存在，因此触觉常被作为其他感官的补 1.1触觉感知机理 充，但是触觉相比于其他感官而言优势也相当显 通常认为，人体的触觉感知如湿、压、痛、痒、 著，触觉不仅可以实现全方位的感知，减轻试听负 关节位置、肌肉感知、运动等是由多种触觉感受 担，而且能够有效感知一些很难被视觉或听觉形 器综合作用的结果)，即特定种类的感受器对作用 式表达的更真实复杂的信息，和外界环境进行一 物体的特定属性进行分析时会受到该作用物体其 系列的交互互动.触觉指一种或多种接触感觉，包 他干扰属性的影响，这些干扰属性会接收来自其 括本体感受的反馈、人体主动接触触觉以及基于 他皮肤感受器的编码.例如，对特定条件下特定时 各种驱动技术产生的被动接触感知.触觉感受器 间内的持续刺激，慢适应受体如鲁菲尼小体和麦 遍布人体皮肤，覆盖率超过98%山 克尔氏盘会配合做出反馈：对于刺激的开合和关 人们日常生活中的一个微小的动作如走路、 闭（如皮肤变形），快适应受体如麦斯纳氏小体和 吃饭等可能蕴含皮肤感受器和大脑神经网络复杂 帕西尼氏小体会配合做出反馈.人体的触觉感受 海量的触觉信息加工，基于人体各部位感知分辨 器主要包括四种，分别是鲁菲尼(Ruffini)小体感受 率的差异，由此催生了针对不同落点的可穿戴触 器、麦克尔氏(Merkel)盘感受器、麦斯纳氏小体 觉表达和再现装置，这些装置为不同场景的触觉 (Meissner)感受器和帕西尼氏(Pacinian)小体感受 再现提供了丰富的实现手段.触觉包括皮肤触摸 器.它们各自分工又互相协作，这四种感受器的特 觉和肌肉运动力觉.按照刺激模块的工作原理，将 性如下表l所示.其中，Ruffini小体对皮肤变形做 触觉刺激分为振动触觉、气动触觉、电触觉和功 出反应，变形程度和诱发的电位成正比，因此 能性肌肉神经刺激等类别，其中振动触觉是触觉 Ruffini小体对高频振动十分敏感，Meissner小体集 感知的最有效手段，因为振动触觉的装置简单小 中在四肢末端无毛发区域，特别是在手指尖等部 巧、响应速度快、舒适度好，安全性高，可作用于 位，它主要负责身体周围的高敏感性侦察.上述两 人体各个部位的皮肤， 种感受器属于快适应受体，即对短时间的刺激拥 触觉信息利用触觉硬件系统和触觉编码向用 有敏锐的反应.与之相对的Merkel盘和Pacinian 户传递单个振动器的振动或者刺激脉冲的组合 小体属于慢适应受体，它们对于持续性刺激反应 这些信息是由触觉特征或参数组成，包括振动频 良好，给人们提供形状感和粗糙感.按照触觉刺激 率、振动幅度、波形和持续时间，应用于身体的不 方式的不同，可将触觉刺激分为振动刺激)、压力 同部位.这些参数的组合可以用来创建节奏或者 刺激、电刺激、热刺激、喷射刺激等.其中， 模式，并产生明显不同的触觉的“词语”，称为触觉 振动触觉表达方法因其简单实用、一致性好、结 语言.借助于触觉交互设备，将触觉语言编码后呈 构紧凑、安装灵活等优点被认为是最有前途的一 现给使用者是触觉表达技术研究的热点.针对一 种触觉表达方法 些特殊场景的需求，如盲人的方向导航、飞行员的 要想设计良好的振动触觉编码，实现高效实 高空方向信息提示、潜水员的水下作业、消防员 用的触觉表达装置，就要充分了解振动触觉的感discussed the resolution of tactile vibration based on the mechanism of tactile vibration perception. According to the application of directional navigation and text interaction, the vibration information coding was summarized and the experimental methods and conclusions of vibration information coding were introduced. Moreover, the prospect of the vibration information coding field was proposed. KEY WORDS    human perception property；tactile language；human-computer interaction；vibration tactile；tactile coding 人体表面（如皮肤）是一个巨大的触觉感受 器，我们依靠它与外界进行形形色色的沟通. 尽管 视觉在我们的日常生活中占据着不可撼动的位 置，但皮肤才是我们最大且最古老的感知器官. 一 直以来，科学研究都低估了借助触觉传递丰富信 息的能力，这与触觉的一些特殊的属性有关. 例如 触觉很少独立于其他的感觉通道（如听觉、视觉或 嗅觉）而存在，因此触觉常被作为其他感官的补 充，但是触觉相比于其他感官而言优势也相当显 著，触觉不仅可以实现全方位的感知，减轻试听负 担，而且能够有效感知一些很难被视觉或听觉形 式表达的更真实复杂的信息，和外界环境进行一 系列的交互互动. 触觉指一种或多种接触感觉，包 括本体感受的反馈、人体主动接触触觉以及基于 各种驱动技术产生的被动接触感知. 触觉感受器 遍布人体皮肤，覆盖率超过 98% [1] . 人们日常生活中的一个微小的动作如走路、 吃饭等可能蕴含皮肤感受器和大脑神经网络复杂 海量的触觉信息加工，基于人体各部位感知分辨 率的差异，由此催生了针对不同落点的可穿戴触 觉表达和再现装置，这些装置为不同场景的触觉 再现提供了丰富的实现手段. 触觉包括皮肤触摸 觉和肌肉运动力觉. 按照刺激模块的工作原理，将 触觉刺激分为振动触觉、气动触觉、电触觉和功 能性肌肉神经刺激等类别，其中振动触觉是触觉 感知的最有效手段，因为振动触觉的装置简单小 巧、响应速度快、舒适度好，安全性高，可作用于 人体各个部位的皮肤. 触觉信息利用触觉硬件系统和触觉编码向用 户传递单个振动器的振动或者刺激脉冲的组合. 这些信息是由触觉特征或参数组成，包括振动频 率、振动幅度、波形和持续时间，应用于身体的不 同部位. 这些参数的组合可以用来创建节奏或者 模式，并产生明显不同的触觉的“词语”，称为触觉 语言. 借助于触觉交互设备，将触觉语言编码后呈 现给使用者是触觉表达技术研究的热点. 针对一 些特殊场景的需求，如盲人的方向导航、飞行员的 高空方向信息提示、潜水员的水下作业、消防员 的紧急救火等，基于振动触觉对信息进行编码及 合理表达的研究与应用应运而生. 本文从触觉感 受机理入手，探讨不同参数的振动触觉的分辨率 以及触觉信息编码手段，并对主流的振动触觉编 码方案及应用进行归类研究. 1    振动触觉感知的基础研究 1.1    触觉感知机理 通常认为，人体的触觉感知如湿、压、痛、痒、 关节位置、肌肉感知、运动等是由多种触觉感受 器综合作用的结果[2] ，即特定种类的感受器对作用 物体的特定属性进行分析时会受到该作用物体其 他干扰属性的影响，这些干扰属性会接收来自其 他皮肤感受器的编码. 例如，对特定条件下特定时 间内的持续刺激，慢适应受体如鲁菲尼小体和麦 克尔氏盘会配合做出反馈；对于刺激的开合和关 闭（如皮肤变形），快适应受体如麦斯纳氏小体和 帕西尼氏小体会配合做出反馈. 人体的触觉感受 器主要包括四种，分别是鲁菲尼 (Ruffini) 小体感受 器、麦克尔氏 (Merkel) 盘感受器、麦斯纳氏小体 (Meissner) 感受器和帕西尼氏 (Pacinian) 小体感受 器. 它们各自分工又互相协作，这四种感受器的特 性如下表 1 所示. 其中，Ruffini 小体对皮肤变形做 出反应 ，变形程度和诱发的电位成正比 ，因 此 Ruffini 小体对高频振动十分敏感，Meissner 小体集 中在四肢末端无毛发区域，特别是在手指尖等部 位，它主要负责身体周围的高敏感性侦察. 上述两 种感受器属于快适应受体，即对短时间的刺激拥 有敏锐的反应. 与之相对的 Merkel 盘和 Pacinian 小体属于慢适应受体，它们对于持续性刺激反应 良好，给人们提供形状感和粗糙感. 按照触觉刺激 方式的不同，可将触觉刺激分为振动刺激[3]、压力 刺激[4]、电刺激[5]、热刺激[6]、喷射刺激[7] 等. 其中， 振动触觉表达方法因其简单实用、一致性好、结 构紧凑、安装灵活等优点被认为是最有前途的一 种触觉表达方法. 要想设计良好的振动触觉编码，实现高效实 用的触觉表达装置，就要充分了解振动触觉的感 · 1262 · 工程科学学报，第 43 卷，第 9 期