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为信息沟通设计可穿戴触觉振动通报

摘要

视听刺激被广泛应用于移动设备上的信息交流。然而，这些反馈形式不适用于旨在支持用最小中断处理多任务的新兴可穿戴设备。由于低干扰和高吸引注意力的能力，触觉刺激的使用是巨大的替代品。

目前，有效的振动通知仍然是难以捉摸的。在本研究中，我们探讨了振动通报机制，通过一种奇特的振动马达产生各种振动刺激。此解决方案适用于现有的可穿戴设备，这种设备有一个小的形状因子，有限的内部空间和低电池容量。我们的第一个实验研究个人的振动感觉，为了选择一组可检测和可辨别的振动刺激。在第二个实验中，我们绘制了5个由第一个实验中各种移动应用程序事件所确定的和用户使用手腕安装原型设备性能振动刺激被评估的振动刺激。结果显示我们的振动通报设计实现了82.3%的平均响应准确率(SDfrac14;18.0%)和2.83(SDfrac14;0.83)的平均响应时间。此外，测试后的调查问卷结果显示，当使用7分级评定量表时，平均感知有用性对振动通知设计被评为5.5(SDfrac14;1.18)和平均感知易用性被评为5.0(SDfrac14;1.36)。总之，我们的发现表明可穿戴设备振动通知的未来设计和强调增加两两相异的重要性，设计有效振动通知的感知有用性和感知易用性。

1引言

随着移动计算技术的发展，繁忙的多任务行为在我们的日常生活中越来越普遍，如在开车时打电话或在行走时发短信。然而，最近的研究表明，与移动设备交互活跃可能导致分心、产生危险，威胁到用户的安全和别人的生活（疾病控制和预防中心，2012；国家安全委员会，2015；Schwebel等，2012；Stavrinos等人,2009年)。

问题在于，由于有限的注意力资源，使用移动设备处理都任务正处于忙碌的时候。基于多资源理论(Wickens,1984)，用户的注意力在多任务执行时被划分为如何应对动态环境和事件的监控和决定以及执行反应(Sarter, 2013). 虽然个人能够进行多任务,但是竞争相同类型的注意力资源的各种任务会降低性能。通常,一个人在移动设备上多任务处理需要通过观察动态，周边环境(例如在街上走路时一个凹凸不平的路面),并决定如何应对环境变化。与此同时，个人感知移动设备上的通知(如铃声，触摸屏幕上弹出通知，或振动模式)，并决定他/她是否需要检查附带信息。如果是这样，他/她访问设备(如从口袋里拿出移动设备，打开触摸屏设备)和响应事件(如回复短信)。因此，相较于在一个静态环境中多任务，如在办公室里，用户的注意力在移动设备上多任务处理时更加分散(Oulasvirta等，2005)。

为了解决忙碌时的多任务问题,研究人员和从业人员从不同方面探讨解决方案。最有前途的方法之一是开发支持忙碌时多任务的可穿戴设备。可穿戴设备可以戴在身体从而增加移动设备和身体之间的距离。这消除了拿出设备的需要，进而支持免提使用。另外，外面穿可穿戴设备时导致的分散关注中心与关键任务的干扰更少，比如过马路时监视周围环境。无处不在的计算技术，如可穿戴设备，提供“平静技术”,“很容易从我们注意力的边缘移动到中心并返回“(Weiser和Brown,1996)。近年来，可穿戴技术引发了人们更多的兴趣。最新的可穿戴设备市场，如苹果、摩托360和LG的手表，已经从这种新兴趋势中获利。

在可穿戴的环境中，使用振动刺激呈现信息是一种支持忙碌时多任务处理的很有前途的解决方案。研究表明，振动信息更少受到约束，这种约束限制一个人其他感官感觉如视觉和听觉和处理信息的的能力(Gallace 等, 2007)。例如,振动信息在驾驶舱中降解的比在高重力负载环境下的视觉信息少(Van Veen and Van Erp, 2000)。此外，触觉振动信息的有效性不依赖于固定的方向。因此，一个人不需要关注振动源，但仍能感觉到触觉振动刺激(Poupyrev and Maruyama, 2003)。触觉振动刺激不受到高层次背景噪音的不利影响(Brow等，1965)。因此，触觉振动刺激适合在嘈杂的环境中传递信息(Azenkot等，2011;Ghiani等，2009)。触觉振动刺激能够在捕获用户的注意力时(Geldard, 1960; Gilson 等, 1975; Von Haller Gilmer, 1961)较少影响到周围人(Baldwin and Lewis, 2014)。同时，触觉振动刺激可以保护通信隐私，因为只有直接物理接触触觉振动刺激的人能感知被传递的信息(Ferris, 2010)。因此，振动刺激为忙碌时多任务的用户提供巨大的信息沟通。

尽管对支持移动设备多任务的触觉振动刺激有需要，带有触觉振动通知的产品设计却数量有限。最新的产品(如表1所示)用触觉振动刺激代表信息，只使用一个简单的开/关振动状态通知事件的发生，这样用户只知道发生了什么，并不知道发生了什么事。

表1 最新移动科技产品振动特征

研究者和实践者探索各种信息沟通触觉振动设计。然而，由于现有技术和挑战人类感知的振动刺激的限制，很少有振动通知设计被用于商业移动设备。例如，可穿戴设备通常具有一个小的形状因子、内部空间有限、电池容量低。因此，由多个振动电机组成的振动设计很难适用于小型的可穿戴设备。此外，为了信息的持续沟通而应用一系列振动模式的振动设计(每一个都是由多个振动脉冲组成的)很快就会耗尽可穿戴设备的电池(Huang 等, 2015)。

改善用户与触觉振动刺激的互动除了有与形状因素和电池容量有关的技术限制,人类振动知觉是另一个需要进一步调查的因素。目前，用于信息交流的现有振动刺激中对双向辨别力的评估有限。因此不可辨识的振动通知迷惑用户，减少使用振动刺激对信息通信的可用性。此外，当使用由多个振动脉冲来表示不同的信息的振动模式时，用户必须等到所有副脉冲停止振动以识别振动模式。这无疑增加了总等待时间。相比之下，当使用不依赖押韵和间隔时间的单个振动和操纵其他振动特性(如频率和振幅)在各种刺激中进行区分时，用户能够识别振动刺激而不必等分配给代表一个目标(或函数)的所有的振动脉冲都停止。这缩短了用户过传输设备识别触觉振动信息的等待时间。

本研究中，我们探讨使用支持忙碌时移动设备多任务的可穿戴，触觉振动通知设计方案。首先，我们确定了人类振动知觉的关键因素及其影响。我们研究了为实现信息沟通有效性和用户性能的现有振动设计。此外，我们开发了一个手腕振动通知机制设备原型，做了一个实验来测量一组更大的振动刺激的双向辨别力，这组大的振动刺激用来确定一组较小的振动刺激的最高辨别力。

根据调查结果，我们选择了5个接收通知事件排名高的最移动应用程序被优先事项，然后我们相关联的特定振动刺激对报警事件选择的移动应用程序。最后，我们做了一个实验来评估使用一个腕带式信息沟通振动装置原型的目标用户性能和主观用户反馈。

2相关工作

为调查触觉振动信息交流人们进行了有限的少量研究。之气的调查包括两个基本振动知觉的研究和集中在使用振动来传递信息的实证研究。

2.1.人类振动感知

人们对影响知觉的因素及其对振动感知的影响进行了基本研究。振动感知影响因素包括振动刺激的物理特征(如频率、持续时间和每一次振动刺激之间的时间或空间距离)，个人因素如性别和年龄、振动刺激和皮肤之间的接触面积和力度。

振动频率是影响振动检测的一个关键因素。特别是从50到300 Hz的振动频率被发现是最可检测频率(Brown, 2007)。振动检测阈值通常为随着振动频率变化的u型曲线(Morioka and Griffin, 2005; Israr 等, 2006, 2007; Ryu 等, 2009)。即当振动频率逐渐增加到300赫兹左右，振动检测阈值减少；一旦超过300赫兹频率，检测阈值随着频率的增加而增加。此外，振动检测灵敏度在不同的身体位置上有变化。振动检测灵敏度在手上是最大的，而在手腕和胳膊上以及身体的其他地方如胸部、脊椎、脚，大腿和臀部是较低的(Karuei 等, 2011; Wilska, 1954 as cited in Jones and Sarter (2008))。此外，两个振动刺激之间的距离(时间或空间)也会影响振动检测阈值。长时间振动持续时间可能会引起适应效果(Gescheider and Verrillo, 1979; Goble and Hollins, 1993; Hollins 等，1991)，导致接连刺激感知强度的减少 (Van Erp and Vogels, 1998)。当一个目标振动刺激放置太接近另一个刺激可能发生掩蔽效应。因此，即使有多个刺激振动，个体只能检测或定位其中的一个振动 (Van Erp and Vogels, 1998)。此外，性别(Verrillo,1979)和年龄(Verrillo,1982)可能会影响振动检测阈值。例如,与男性相比女性倾向于感知到更强烈的振动刺激(Verrillo,1979)，与年轻人相比老年人倾向于失去高频振动敏感性检测(Cholewiak和Collins，2003;Verrillo,1982)。然而，一旦振动超过振动检测阈值，年龄和性别就不是振动检测需要考虑的。

研究人员调查了振动阈差异(即明显的差异)的影响因素。首次对振动阈值差异进行测量研究的是高夫(1967)。结果表明，振动阈值差异韦伯比例(即这些比率描述了为引起感知振动变化所必要的物理参数的变化)从50 Hz的0.2增加到200Hz的0.4,这表明阈值差异在低频率时更低，高频率时更高。后来由Rothenberg等人(1977)和Morioka (2001)的研究支持Goff的发现(Goff,1967)。研究人员还调查了振幅对振动差异阈值的影响。例如,Craig (1972)表明,在160赫兹,频率保持不变时通过振动振幅检测到的振动差异阈值为0.16(韦伯比例)。除了频率和振幅的影响，研究人员还调查了刺激持续时间(Gescheider等,1996)、温度(Gescheider等,1997)、年龄(Gescheider等,1996 )，和性别(曼斯菲尔德和格里芬,2000)对振动阈值差异的影响。结果表明这些因素对振动差异阈的影响不显著。

然而，这些研究大多数都是集中在振动阈值检测和区别。因此，他们的研究结果只能为满足实际的振动设计最低要求提供参考，因为把设计的其他重要方面如效率和易用性等作为调查对象的很有限。

2.2.振动信息设计实证

探讨使用触觉振动对信息传播进行反馈的实证研究可以分为三大类，解释如下。

打开和关闭触觉振动反馈可以用来通知一个新的事件的发生或设备状态的变化(如Karuei等,2011;Li等,2012;S

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