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[최승문 교수] 흉부에 대한 공간적 촉각 패턴의 기본적인 인식 성능 연구

2023-06-13
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[연구의 필요성]
햅틱 조끼는 시각 또는 청각 채널을 대체하거나 보완하며 방향 정보를 제시할 수 있고, 특정 행동을 유도하거나 가상환경과 게임 속 사용자 경험을 향상시키는 등 다양한 어플리케이션에서 활용될 수 있다. 햅틱 조끼는 흉부의 여러 영역을 자극하는 많은 수의 진동자를 내장하고 있으며, 이를 통해 만들어낼 수 있는 시공간패턴은 다른 웨어러블 장치보다 훨씬 더 큰 디자인 스페이스를 가진다. 이에 따라 복잡한 다중 촉각 자극의 생성이 가능하지만, 자극들 사이 서로 상호 간섭할 확률이 증가한다. 동시에 제시되는 촉각 자극은 서로의 인지에 간섭하는 마스킹 현상을 발생시킬 수 있으며 이는 자극의 인지 강도를 약화시킨다. 햅틱 조끼의 잠재력을 완전히 활용하기 위해 전신 공간적 촉각 자극을 처리하는 인간의 인지적 성능을 이해해야할 필요가 있다. 이때, 흉부 전체 표면에 동시적으로 제시되는 공간적 패턴에 대한 인식 성능은 조사된 적 없다. 이에 본 연구는 흉부에 적용된 공간적 촉각 패턴의 기본적인 인식 성능에 대한 실험적 연구를 제시한다.

[포스텍이 가진 고유의 기술]
웨어러블 햅틱 기기에 대한 인지 연구는 주로 손에 초점을 맞췄다. 하지만 손은 적은 표면적을 가지기에 전달할 수 있는 정보의 양은 제한이 있을 수 있으며 손의 조작에 방해가 된다. 이에 넓은 표면적을 가지는 흉부는 큰 이점을 가지며 햅틱 조끼의 상용화에 따라 많은 활용이 기대된다. 하지만 흉부의 촉각 자극 인지 연구는 비교적 매우 부족하다. 특히, 흉부의 전체 표면에 제시되는 공간적 촉각 패턴에 대한 인식 성능을 살펴본 연구는 본 연구가 최초이다. 또한, 흉부의 부위, 활성화되는 진동자의 갯수, 공간적 패턴에 따른 비교를 수행하였다.

[연구의 의미]
실험 결과, 흉부의 공간적 촉각 패턴에 대한 인식 정확도는 91%이상으로 높게 나타났으며 이는  활성화된 진동 수에 따라 다름을 확인하였다. 예상 정보 전송 범위는 3.48 bit~3.66 bit이며 이는 오류없이 11~12개의 공간적 패턴을 전송할 수 있음을 의미한다. 실험 결과를 바탕으로 설계된 최적의 진동 패턴 세트를 제안하였다. 이는 최근 부상하고 있는 햅틱 조끼의 효과적인 공간적 촉각 패턴을 설계하는 데 기여할 수 있다. 또한, 본 연구는 흉부를 촉각 정보 전달을 위한 효과적인 채널로 활용할 수 있는 가능성을 제시한다.

[연구결과의 진행 상태 및 향후 계획]
본 연구는 흉부의 3가지 평면(전면, 후면, 수평면)에 대하여 인지성능을 조사하였지만 향후 연구에서는 현재의 연구에서 사용된 모든 공간 패턴을 한 번에 통합하여 흉부 전체에 제시되는 다중 자극을 살피는 방향으로 연구 범위를 확장할 것이다. 이러한 인지 결과를 바탕으로 어플리케이션에서 문자 또는 기호와 같은 다양한 의미를 효과적으로 전달하기 위한 촉각적 패턴을 설계하고자 한다.

[성과와 관련된 실적]
국제 학회 논문: Junwoo Kim*, Heeyeon Kim*, Chaeyong Park, and Seungmoon Choi, “Human Recognition Performance of Simple Spatial Vibrotactile Patterns on the Torso,” In Proceedings of the IEEE World Haptics Conference, July 9-12, 2023

[성과와 관련된 이미지]

[그림 1] 실험에서 사용된 햅틱 조끼로, 전면, 후면, 수평면에 대해 각 평면에 위치한 1개 부터 4개의 ERM 모터가 활성화되어 공간적 촉각 패턴이 생성된다.

[그림 2] 이 그림은 실험에서 사용된 진동 패턴을 보여준다. 활성화된 진동의 수는 N으로 표시되며, 0부터 4까지이다. 4개의 모터를 켜고 끄는 모든 가능한 조합이 고려되었으며 결과적으로, N과 각 구성에 대해 자극 위치를 변경하면서 흉부에 16가지 진동 패턴이 적용되었다.

[그림 3] 이 그림은 세 가지 구성(FRONT, BACK 및 HORIZONTAL)과 활성화된 진동 수(0에서 4까지)의 모든 조합에 대한 식별 정확도를 보여준다. 막대 위에 동일한 문자는 Tukey의 HSD 검정 결과와 동일한 그룹을 나타낸다.

[그림 4] 16개의 패턴에 대한 식별 정확도를 나타낸 그림이다. 빨간색, 초록색 및 노란색 선은 각각 흉부의 전면, 후면, 수평면에서의 식별 정확도와 표준 편차를 나타낸다.

[그림 5] 이 그림은 흉부의 전면, 후면, 수평면에 대한 완벽하게 식별 가능한 공간적 촉각 패턴의 최적 세트를 나타낸다.

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