杜静宜等：振动触觉编码的研究现状 ·1265· 面.盲人的听觉感官十分灵敏，他们使用听觉接收 Position 90 State of 抽象的信息，助听器就是借助盲人敏锐的听觉为 emergency 他们提供方向信息的有效手段，但是助听器会屏 80 蔽盲人对其他非方位听觉信息的接收，因此涌现 P5 了更多借助于触觉表达的振动编码方案.当盲人 P4 70 在道路上行走时，通过不同振动参数如空间落点、 P3 60 振动频率、振动强度和振动时间的组合编码，可以 P2 向盲人提供丰富多样的环境感知信息， ■P1 45 除此以外，国内外的研究者还将振动触觉编 40° 码应用于驾驶导航和信息提示.2018年，东南大学 Strength 的杨怀宁等劉设计了一套组合式振动编码为飞行 Strong 25 P3 员提供空间方位信息，飞行员对偏转方向和偏转 Medium 20° 角度两种姿态信息的表达有需求.其中偏转方向 Weak 分为俯仰和横滚两大类，可表达俯仰和横滚的前 10 后左右四个具体的偏转方向.偏转角度为[0°，90]， 对低偏转角范围[0°，50)内的提示精度要求更高， 0200400600 Time/ms 为5°，在[50°，90]范围内提示精度则为10°.表中 分别对飞行姿态的方位信息进行单一参数模式的 图1PRM模式示意图 Fig.1 PRM pattern 编码和组合参数模式的编码，组合参数包括振动 位置、振动节奏和振动次序，将这些参数进行有序 为莫尔斯码和触觉信息都拥有相同的被动感知特 组合成5种组合模式 性，同时说明触觉信息编码的关键是简洁性和快 研究人员针对5种组合编码模式设计了测试 速性.三角码相较另两种方法传递文字编码信息 实验，测试指标分别为学习难易度、认知载荷和准 的效果最佳，三种方法的正确率和反应时的参数 确率3个方面.被试每人接受240次振动提示（其 对比如图2和图3所示”，其中*代表相较于其他 中包括个60个组合振动编码模式，为保证可靠 参数有显著性差异，*代表有较显著的差异， 性，每种振动编码模式重复4次)，实验人员除了 **代表有极显著的差异.三角码编码规则简单， 要记录被试的测试结果，还要记录被试从感知振 由三个码字分别对应脐部、左肩和右肩三种空间 动到做出选择的反应时间.实验结果表明PRM模 落点，符合人体感知的客观规律，使用三位码可表 式（振动位置+振动节奏+振动次序）的学习时间为 征26个字母及数字0，使用二位码可表征1~9数 187s,准确率高达98%，相比于其他组合振动模 字.三角码同时也符合人体的触觉感知特性，相较 式，拥有更短的学习时间和更高的准确率.PRM 莫尔斯码更直观和便于记忆，因此可作为面向文 模式示意图如图1所示1 字交互的一种重要编码方案 2.2面向文字交互的振动信息编码 120 在触觉文字编码领域，主要的研究方法有莫 100 尔斯码和布莱叶盲文.Nla等使用莫尔斯码作 为盲人间的交流通信手段，为盲人提供了一个人 60 机交互平台.在文献[20]中，研究人员研制了一个 40 手持式振动触觉系统，其概念是利用手指的压力， 20 借助莫尔斯电码将信息转化为振动，在文献21] 0 Braille-like Morse-like Triangle 中提出了一种使用三键键盘传输莫尔斯电码的简 Coding rules 单而有效的方法，为聋哑人翻译正常人的声音提 图2类莫尔斯码、类布莱叶码和三角码的正确率) 供了一个可行和有效的解决方案.郝飞等1分别 Fig2 Accuracy of Braile-like,More-like,and Triangle7 使用类莫尔斯码、类布莱叶盲文以及三角码的方 除此之外，在康复医疗领域，触觉再现技术利 法对文字信息进行编码，实验结果表明类莫尔斯 用触觉信息编码结合触觉反馈可以辅助外科医生 电码的文字交互效果优于类布莱叶盲文，这是因 做手术，有研究表明，配备了触觉反馈传感器的腹面. 盲人的听觉感官十分灵敏，他们使用听觉接收 抽象的信息，助听器就是借助盲人敏锐的听觉为 他们提供方向信息的有效手段，但是助听器会屏 蔽盲人对其他非方位听觉信息的接收，因此涌现 了更多借助于触觉表达的振动编码方案. 当盲人 在道路上行走时，通过不同振动参数如空间落点、 振动频率、振动强度和振动时间的组合编码，可以 向盲人提供丰富多样的环境感知信息. 除此以外，国内外的研究者还将振动触觉编 码应用于驾驶导航和信息提示. 2018 年，东南大学 的杨怀宁等[18] 设计了一套组合式振动编码为飞行 员提供空间方位信息，飞行员对偏转方向和偏转 角度两种姿态信息的表达有需求. 其中偏转方向 分为俯仰和横滚两大类，可表达俯仰和横滚的前 后左右四个具体的偏转方向. 偏转角度为 [0°,90°]， 对低偏转角范围 [0°,50°) 内的提示精度要求更高， 为 5°，在 [50°,90°] 范围内提示精度则为 10°. 表中 分别对飞行姿态的方位信息进行单一参数模式的 编码和组合参数模式的编码，组合参数包括振动 位置、振动节奏和振动次序，将这些参数进行有序 组合成 5 种组合模式. 研究人员针对 5 种组合编码模式设计了测试 实验，测试指标分别为学习难易度、认知载荷和准 确率 3 个方面. 被试每人接受 240 次振动提示（其 中包括个 60 个组合振动编码模式，为保证可靠 性，每种振动编码模式重复 4 次），实验人员除了 要记录被试的测试结果，还要记录被试从感知振 动到做出选择的反应时间. 实验结果表明 PRM 模 式（振动位置+振动节奏+振动次序）的学习时间为 187 s，准确率高达 98%，相比于其他组合振动模 式，拥有更短的学习时间和更高的准确率. PRM 模式示意图如图 1 所示[18] . 2.2    面向文字交互的振动信息编码 在触觉文字编码领域，主要的研究方法有莫 尔斯码和布莱叶盲文. Nila 等[19] 使用莫尔斯码作 为盲人间的交流通信手段，为盲人提供了一个人 机交互平台. 在文献 [20] 中，研究人员研制了一个 手持式振动触觉系统，其概念是利用手指的压力， 借助莫尔斯电码将信息转化为振动，在文献 [21] 中提出了一种使用三键键盘传输莫尔斯电码的简 单而有效的方法，为聋哑人翻译正常人的声音提 供了一个可行和有效的解决方案. 郝飞等[17] 分别 使用类莫尔斯码、类布莱叶盲文以及三角码的方 法对文字信息进行编码，实验结果表明类莫尔斯 电码的文字交互效果优于类布莱叶盲文，这是因 为莫尔斯码和触觉信息都拥有相同的被动感知特 性，同时说明触觉信息编码的关键是简洁性和快 速性. 三角码相较另两种方法传递文字编码信息 的效果最佳，三种方法的正确率和反应时的参数 对比如图 2 和图 3 所示[17] ，其中*代表相较于其他 参数有显著性差异 ， **代表有较显著的差异 ， ***代表有极显著的差异. 三角码编码规则简单， 由三个码字分别对应脐部、左肩和右肩三种空间 落点，符合人体感知的客观规律，使用三位码可表 征 26 个字母及数字 0，使用二位码可表征 1～9 数 字. 三角码同时也符合人体的触觉感知特性，相较 莫尔斯码更直观和便于记忆，因此可作为面向文 字交互的一种重要编码方案. ** 120 100 80 60 40 20 0 Accuracy/ % Braille-like Morse-like Coding rules Triangle 图 2 类莫尔斯码、类布莱叶码和三角码的正确率[17] Fig.2 Accuracy of Braile-like, More-like, and Triangle[17] 除此之外，在康复医疗领域，触觉再现技术利 用触觉信息编码结合触觉反馈可以辅助外科医生 做手术，有研究表明，配备了触觉反馈传感器的腹 Position Strength Strong Medium Weak 90° 80° Angle/(°) 70° 60° 50° 45° 40° 35° 30° 25° 20° 15° 10° 5° State of emergency P5 P4 P3 P2 P1 0 200 400 Time/ms 600 P5 P4 P3 P2 P1 图 1 PRM 模式示意图 Fig.1 PRM pattern 杜静宜等： 振动触觉编码的研究现状 · 1265 ·