Enriching Haptic Interaction with Tangible Objects by Vibration Analysis

Abstract

우리는 일상에서 다양한 물건을 사용하고 조작하는 과정을 통해서 필요한 과업을 수행하게 된다. 이러한 실물 객체와의 상호작용 경험은 오랜 시간에 걸쳐 누적되고 체화된다. 본 연구에서는 인간에게 체화된 촉각적 상호작용 경험을 가상의 컴퓨팅 환경으로 확장하기 위한 일련의 연구를 진행하였다. 이를 인간 컴퓨터 상호작용의 입출력 관점으로 나누어서 각각을 살펴보면 다음과 같다.

첫 번째 단계로 사용자가 일상적인 물체를 유형의 입력 장치로 사용할 수 있도록, 진동을 사용자의 입력 인식을 위한 매체로 사용하는 가능성에 대해서 살펴보았다. 사용자가 손을 사용하여 텐저블 인터페이스와 상호작용을 시작하기 위해서는 필연적으로 물체와 접촉하게 된다. 이때, 사용자가 물체와 접촉하는 접촉 상태와 사용자가 접촉한 물체 자체를 인식하는 두 가지의 인식 기술에 대해서 탐구하였다.

첫 번째 인식 기술은 사용자가 강체 표면과 접촉하는 순간, 사용자의 손가락에 위치한 진동 링에서 특정 주파수가 인코딩된 진동 신호를 내보내고, 이를 강체 표면에 부착된 마이크로 인식하는 과정을 거친다. 일련의 신호 처리 및 기계 학습 모델의 계산 과정을 통해서, 강체 표면과 접촉한 손가락을 찾아내는 연구를 수행하였다. 두 번째 인식 기술은 사용자가 손에 쥐고 있는 물체를 인식하는 기술이다. 사용자의 한쪽 손가락에서 발생시킨 진동이 물체를 투과하여 반대편 손가락의 가속도계에서 해당 진동 신호를 수집한다. 이때, 수집된 진동 가속도 신호는 기계적 임피던스 특성에 따라서 물체를 구성하고 있는 물질의 차이에 따라 서로 다르게 왜곡된 형태를 띤다. 이러한 현상을 이용하여, 물체별로 다르게 왜곡된 가속도 신호의 패턴을 분류기가 학습하고 높은 정확도로 분류하는 연구를 수행하였다.

두 번째 단계로 사용자가 이러한 유형의 입력 장치를 통해서 컴퓨팅 환경과 상호작용할 때, 사용자가 수행하는 수동 작업의 복잡도가 높아질수록 미세한 힘의 조절은 필수적이다. 사용자와 텐저블 인터페이스 간의 상호작용을 효과적으로 매개하기 위하여, 사용자가 능동적으로 표면을 누르는 상황에서 진동에 대한 사용자의 촉각적 인지 실험을 수행하였다. 본 연구에서는 사용자가 수동 작업 중에 사용하는 넓은 영역의 압력 범위와 두 개의 특징적인 진동 주파수에 따라서 진동 민감도를 측정하였다. 사용된 두 개의 주파수에 따라서 가해진 압력에 따른 진동 민감도의 경향성이 상이한 것을 확인할 수 있었다.

Throughout our daily lives, we perform a series of tasks for the sake of achieving a specific goal. While doing so, we continuously interact with the physical environments around us as well as the artifacts within them. From this accumulated bodily experience, we have been building prevalent embodied schemas concerning environments and artifacts. Therefore, we usually perceive a shared conceptual metaphor when we encounter a specific situation or new interface. As a Human-Computer Interaction researcher, the author conducted a series of research to extend pervasive bodily actions to the realm of computing or to enhance the interaction capability of everyday environments and artifacts.

When a user interacts with everyday objects as tangible interfaces for computing, the objects need to understand the actions of the user to function as a computing interface, meaning that the objects should be augmented with computational abilities. In the first phase of this thesis, the author explores the possibilities of vibration as a sensing channel for designing input interaction with everyday objects. First, I discuss how to augment fingers with vibration to estimate contact finger(s) when contact is made between a user and everyday surfaces. Secondly, I address how to implement and evaluate a vibration-based sensing method for the recognition of objects via their difference in the material.

For the second phase of the thesis, the author reports a psychophysical experiment that is designed to support tangible interfaces with vibrotactile feedback. Using tangible interfaces implies a series of manual interaction with tangible things. Humans require precise force control to execute fine manual tasks, which is generally facilitated to a great extent by providing adequate feedback. To design appropriate vibrotactile stimuli for such manual tasks, it is essential to quantify human vibrotactile sensitivity over a large range of contact forces. The author investigated the psychophysical detection thresholds for vibrotactile stimuli when active contact force exists. The experimental results showed stark contrasts between stimulus frequencies, depending on actively exerted pressing force.