Caracterización del espacio perceptual de dispositivos hápticos / Characterization of the perceptual space of haptic devices

Rodríguez, Rubén A. (2022) Caracterización del espacio perceptual de dispositivos hápticos / Characterization of the perceptual space of haptic devices. Integration Project in Telecommunications Engineering, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.

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Abstract in Spanish

La percepción sensorial es un sistema de representación y transmisión de información análogo a los sistemas de comunicación desarrollados por el hombre. En el canal sensorial, los fenómenos físicos que producen las señales en el mundo externo juegan el papel del emisor, y el sujeto que experimenta y decodifica dichas señales juega el rol del receptor. La neurociencia de sistemas tiene una larga historia de estudios que muestran cómo los humanos codifican y transmiten información visual y auditiva, pero existe mucho menos información acerca de las estrategias utilizadas en otras modalidades sensoriales. Este trabajo propone el estudio del sentido del tacto, con el objetivo de establecer las pautas con las cuales se debe diseñar un alfabeto de símbolos para transmitir información háptica de manera ´optima. Este objetivo es relevante a la hora de desarrollar dispositivos de sustitución para ciegos y disminuidos visuales, y también, para el desarrollo de tecnologías táctiles que permitan una experiencia inmersiva en entornos de realidad virtual. La construcción de un código optimo requiere que el alfabeto de estímulos haga un uso eficiente del espacio físico que alberga a todas las posibles señales. Esto implica utilizar tantos símbolos como sea posible discriminar, por lo cual, es crucial tener una buena caracterización de la forma en que los usuarios discriminan estímulos vibrotáctiles. Esta caracterización fue realizada con experimentos psicofísicos de discriminación. Trabajamos con la controladora háptica comercial DRV 2605L, que es relativamente económica y ampliamente usada en la industria, y permite generar un catálogo de 123 efectos vibrotáctiles estandarizados. Los efectos fueron enviados a un motorcito comercial económico de tipo masa rotante excéntrica, que funcionó como actuador mecánico y transmisor de señales. Una población de 30 voluntarios sanos recibió pares de vibraciones sobre el dedo índice y cada usuario reportó si las vibraciones se sentían como iguales o como distintas. Estos reportes nos permitieron identificar las características físicas que más modulan la capacidad de discriminar estímulos táctiles. Las dos características más relevantes resultaron ser la máxima aceleración de las vibraciones, y la duración total del estímulo. Observamos que la discriminabilidad sigue la así llamada Ley de Weber o Fracción de Weber, ampliamente estudiada en otras modalidades sensoriales, que indica que el umbral de discriminación es proporcional a la magnitud del estímulo. Los factores de proporcionalidad encontrados fueron del 6% para el caso de la aceleración máxima, y del 12% para el caso de la duración. Para construir el código ´optimo, definimos una noción de distancia perceptual entre pares de estímulos táctiles, que representa la medida en que un dado usuario percibe, desde el punto de vista de su experiencia subjetiva, cuán distintas son las dos vibraciones. A partir de esta noción de distancia, utilizamos técnicas de geometría no euclideana para definir una transformación que mapea las propiedades físicas de un dado estímulo en coordenadas perceputales, de forma que en el nuevo espacio, la distancia euclídea entre estímulos es igual a la distancia perceptual. La forma inhomogénea en que se distribuyen los estímulos generados por la controladora en el espacio perceptual permite concluir que las vibraciones utilizadas por dispositivos comerciales no hacen un uso eficiente del alfabeto de entrada, e indica en qué dirección hay que modificar el código para optimizarlo. Nota del autor: la estructura de este manuscrito presenta recursos literarios no comunes en la literatura científica, como la nomenclatura empleada en los títulos de las secciones. Atribuyo la razón de los mismos a mi búsqueda de reflejar mi admiración, respeto, gratitud y más sincero elogio a las obras literarias redactadas por el profesor J.R.R. Tolkien.

Abstract in English

Sensory perception is a system of representation and transmission of information analogous to the communication systems developed by man. In the sensory channel, the physical phenomena that produce signals in the external world play the role of the sender, and the subject who experiences and decodes those signals plays the role of the receiver. Systems neuroscience has a long history of studies showing how humans encode and transmit visual and auditory information, but there is much less information about the strategies used in other sensory modalities. This paper proposes the study of the sense of touch, with the goal of establishing the guidelines with which a symbol alphabet should be designed to transmit haptic information optimally. This objective is relevant when developing replacement devices for the blind and visually impaired, and also, for the development of tactile technologies that allow an immersive experience in virtual reality environments. The construction of an optimal code requires that the stimulus alphabet makes efficient use of the physical space that accommodates all possible signals. This implies using as many symbols as it is possible to discriminate, so it is crucial to have a good characterization of how users discriminate vibrotactile stimuli. This characterization was performed with psychophysical discrimination experiments. We worked with the commercial haptic controller DRV 2605L, which is relatively inexpensive and widely used in industry, and allows us to generate a catalog of 123 standardized vibrotactile effects. The effects were sent to an inexpensive commercial eccentric rotating mass type motor, which functioned as a mechanical actuator and signal transmitter. A population of 30 healthy volunteers received pairs of vibrations on the index finger and each user reported whether the vibrations felt the same or different. These reports allowed us to identify the physical characteristics that most modulate the ability to discriminate tactile stimuli. The two most relevant characteristics turned out to be the maximum acceleration of the vibrations, and the total duration of the stimulus. We observed that the discriminability follows the so-called Weber’s Law or Weber’s Fraction, widely studied in other sensory modalities, which indicates that the discrimination threshold is proportional to the magnitude of the stimulus. The proportionality factors found were 6 % for the case of maximum acceleration and 12 % for the case of duration. To construct the optimal code, we defined a notion of perceptual distance between pairs of tactile stimuli, which represents the extent to which a given user perceives, from the point of view of his or her subjective experience, how different the two vibrations are. From this notion of distance, we use non-Euclidean geometry techniques to define a transformation that maps the physical properties of a given stimulus into perceptual coordinates, so that in the new space, the Euclidean distance between stimuli is equal to the perceptual distance. The inhomogeneous way in which the stimuli generated by the controller are distributed in the perceptual space leads to the conclusion that the vibrations used by commercial devices do not make efficient use of the input alphabet, and indicates in which direction the code needs to be modified to optimize it. Author’s note: the structure of this manuscript presents literary resources not common in scientific literature, such as the nomenclature used in the section headings. I attribute the reason for these to my quest to reflect my admiration, respect, gratitude and most sincere praise for the literary works written by Professor J.R.R. Tolkien.

Item Type:Thesis (Integration Project in Telecommunications Engineering)
Keywords:[Haptics; Háptica; Perceptual space; Espacio perceptual; Discriminability experimental; Experimentos de discriminabilidad; Weber law; Ley de Weber; Optimal code; Código óptimo]
References:[1] Johansson, R., Flanagan, J. Coding and use of tactile signals from the fingertips in object manipulation tasks. Nature Reviews Neuroscience, 10, pp. 345–359, 2009. vii, 2, 3 [2] Hwang, I., Choi, S. Perceptual space and adjective rating of sinusoidal vibrations perceived via mobile device. IEEE Haptics Symposium, 2010. 1 [3] Tan, H., Durlach, N., C.M., R., M.W., R. Information transmission with a multifinger tactual display. Perception and Psychophysics, 61, pp. 993–1008, 1999. 1 [4] Tan, H., C.M., R., Durlach, N. Optimum information transfer rates for communication through haptic and other sensory modalities. IEEE transactions on haptics, 3, pp. 98–108, 2010. 1 [5] Reed, C. The implications of the tadoma method of speechreading for spoken language processing. Proceeding of Fourth International Conference on Spoken Language Processing, 3, pp. 1489–1492, 1996. 1 [6] Okamura, A. Design and control of haptic systems. Stanford University courses, Stanford, 2020. URL https://web.stanford.edu/class/me327/. 2 [7] Choi, S., Kuchenbecker, K. Vibrotactile display: Perception, technology, and applications. Proceedings of the IEEE, 101, pp. 2093–2104, 2013. 2 [8] Israr, A., Tan, H. Z., Reed, C. Frequency and amplitude discrimination along the kinestheticcutaneous continuum in the presence of masking stimuli. Acoustical Society of America, 120, pp. 2789–2800, 2006. 3 [9] Morioka, M., Griffin, M. Thresholds for the perception of hand-transmitted vibration: Dependence on contact area and contact location. Somatosensory and Motor Research, 22, pp. 281–297, 2005. 3 [10] Fechner, G. Elemente der psychophysik. Leipzig: Breitkopf und Hartel, 1, 1860. 4 [11] Cuevas, S. Estudio de mecanismos de control para actuadores hápticos. Inf. tec., Instituto Balseiro, 2021. 5 [12] Drv2605 haptic driver for erm and lra with built-in library and smart-loop architecture. Texas Instruments, 2018. URL https://www.ti.com/lit/ds/symlink/drv2605.pdf. 5 [13] Understanding erm vibration motor characteristics. Precision Microdrives, 2021. URL https://www.precisionmicrodrives.com/ab-004. 5 [14] Smith, J. Mathematics of the Discrete Fourier Transform (DFT), with Audio Applications— Second Edition. W3K Publishing, 2007. URL https://ccrma.stanford.edu/~jos/r320/Analytic_Signals_Hilbert_Transform.html. 7 [15] Jolliffe, I., Cadima, J. Principal component analysis: a review and recent developments. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences., 374, 2016. URL https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsta.2015.0202. 10 [16] Merchel, S., Altinsoy, M. Psychophysical comparison of the auditory and tactile perception: a survey. Journal on Multimodal User Interfaces, 14, pp. 271–283, 2020. 15 [17] Multidimensional scalling. URL https://www.ibm.com/docs/en/spss-statistics/25.0.0? topic=features-multidimensional-scaling. 29 [18] Hatzfeld, C., Kern, T. (eds.) Engineering Haptic Devices. A Beginner’s Guide — Second Edition. Springer Series on Touch and Haptic Systems, 2014. 34 [19] Pongrac, H. Vibrotactile perception: examining the coding of vibrations and the just noticeable difference under various conditions. Multimedia Systems, 13, pp. 297–307, 2008. 34 [20] Vechev, V., Zarate, J., Lindlbauer, D., Hinchet, R., Shea, H., Hilliges, O. Tactiles: Dual-mode low-power electromagnetic actuators for rendering continuous contact and spatial haptic patterns in vr. IEEE Conference on Virtual Reality and 3D User Interfaces, pags. pp. 312–320, 2019. 34
Subjects:Medicine > Neurosciences
Divisions:Gcia. de área de Investigación y aplicaciones no nucleares > Gcia. de Física > Física médica
ID Code:1157
Deposited By:Tamara Cárcamo
Deposited On:25 Jul 2023 16:11
Last Modified:25 Jul 2023 16:11

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