Development of a Vibrotactile Wearable for Real-Time Information Communication

Abstract

In a digital environment saturated with information, there is an increasing need for new ways to deliver information quickly and reliably without relying on sight or hearing. This is especially critical when these senses are already overloaded or otherwise unavailable. Vibrotactile stimulation, where information is conveyed through vibrations on the skin, shows great promise as a way to utilize the body’s sense of touch. The effectiveness of such systems, however, depends entirely on how the vibrations are structured and calibrated, particularly on regions of the body where the skin is less sensitive. This thesis investigates how to design and fine-tune vibrotactile stimulation in wearable devices so that it communicates information reliably in real-time without causing cognitive fatigue. The forearm is well-suited for such equipment as it does not hinder hand movement and the device can remain nearly unobtrusive. However, the density of mechanoreceptors is lower and spatial perception is poorer there than, for example, in the fingertips, which imposes certain perceptual constraints. Therefore, it is necessary to systematically research how the location, frequency, and temporal patterns of vibration affect how we perceive the vibrations and interpret the messages encoded within them. A custom-built wearable device was designed using voice coil actuators integrated into a flexible textile substrate with 3D-printed enclosures. The device is capable of delivering dynamic, independent, and spatially distributed vibrations. The research employed psychophysical methods to explore and quantify three core dimensions: spatial resolution, frequency effects, and the temporal structure of stimuli. Thesis Objective 1 (TO1) This objective evaluated the minimum spacing required between actuators for users to distinguish between them. The results revealed that a 20 mm spacing yielded the highest accuracy (approximately 90–92%) on both the dorsal and ventral (upper and under) sides of the forearm. Thesis Objective 2 (TO2) This objective investigated how different frequencies (100–250 Hz) and anatomical placements (wrist, mid-forearm, elbow) affected perception. The study showed that frequency alone had little effect, whereas location was crucial; accuracy was higher in areas near landmarks or bone, such as the wrist and elbow. Thesis Objective 3 (TO3) This objective focused on how the timing of stimuli affects perception. Sequential stimulation, where vibration was delivered by one actuator at a time, was compared to simultaneous stimulation, where all relevant actuators were activated at once. The results confirmed that it is significantly easier to distinguish signals delivered sequentially (93.24% accuracy) than those delivered simultaneously (26.15%). Further investigation into inter-stimulus intervals (ISIs) revealed that accuracy is highest when intervals are between 100 and 500 milliseconds. Shorter patterns proved more effective than longer ones, and users remembered the beginning and end of the sequences best. Furthermore, performance improved with practice, demonstrating that users can learn to adapt to such systems over time. These investigations provide a foundation for the design of wearable tactile systems that work efficiently with human perception. The findings are applicable to the development of assistive technologies, sensory substitution devices, silent alerting systems, and even virtual or augmented reality (VR/AR) interfaces. By demonstrating that complex information can be reliably conveyed through structured vibrations on the forearm, this thesis confirms that touch is a viable communication channel in human-computer interaction when other modalities are overloaded.

Í stafrænu umhverfi þar sem upplýsingum rignir yfir okkur úr öllum áttum, eykst þörfin fyrir nýjar leiðir til að miðla upplýsingum fljótt og örugglega án þess að treysta á sjón eða heyrn. Þetta á sérstaklega við þegar þessi skilningarvit eru þegar ofhlaðin eða nýtast hreinlega ekki. Titringsörvun, þar sem upplýsingum er miðlað með titringi á húðina, lofar góðu sem valkostur til að nýta snertiskynjun líkamans. Skilvirkni slíkra kerfa veltur þó alfarið á því hvernig við byggjum upp titringinn og stillum hann af, sérstaklega á þeim hlutum líkamans þar sem húðin er síður næm fyrir snertingu. Í þessari ritgerð er leitað svara við því hvernig má hanna og fínstilla þessa titringsörvun í klæðanlegum búnaði þannig að hann miðli upplýsingum á áreiðanlegan hátt í rauntíma án þess að þreyta hugann. Framhandleggurinn hentar vel fyrir slíkan búnað því hann hindrar ekki hreyfingar handarinnar og tækið getur legið þar nánast ósýnilegt. Hins vegar eru snertinemar þar færri og staðsetningarskyn lakara en t.d. í fingurgómum, sem setur skynjuninni ákveðin mörk. Þess vegna þarf að rannsaka kerfisbundið hvernig staðsetning, tíðni og tímamynstur titringsins hafa áhrif á það hvernig við skynjum titringinn og túlkum skilaboðin sem hafa verið kóðuð í hann. Hannaður var sérsmíðaður, klæðanlegur búnaður sem byggir á raddspólum (e. voice coil actuators) sem komið er fyrir í mjúku efni með þrívíddarprentuðum umgjörðum. Tækið getur miðlað kvikum, sjálfstæðum og staðbundnum titringi á mörgum stöðum. Í rannsókninni var beitt sáleðlisfræðilegum aðferðum (e. psychophysics) til að kanna og mæla þrjá meginþætti: rýmisupplausn, áhrif tíðni og tímalega uppbyggingu áreita. Fyrsta markmið (TO1): Hér var kannað hversu langt þarf að vera á milli titringsgjafa svo fólk greini á milli þeirra. Niðurstöðurnar leiddu í ljós að 20 mm millibil skilaði mestri nákvæmni (um 90–92%) á bæði fram- og bakhlið framhandleggs. Annað markmið (TO2): Hér var skoðað hvernig mismunandi tíðni (100–250 Hz) og staðsetning á handlegg (úlnliður, miðja framhandleggs og olnbogi) höfðu áhrif á skynjunina. Rannsóknin sýndi að tíðnin ein og sér breytti litlu, en staðsetningin skipti hins vegar sköpum; nákvæmnin reyndist meiri á svæðum nálægt liðamótum eða beini, svo sem við úlnlið og olnboga. Þriðja markmið (TO3): Hér var sjónum beint að því hvernig tímasetning áreitis hefur áhrif á skynjunina. Borin var saman raðörvun, þar sem titringsáreiti var miðlað með einni raddspólu í einu, og samhliða örvun, þar sem allar viðeigandi raddspólur voru virkjaðar samtímis (byggt á mynstri blindraleturs). Niðurstöðurnar staðfestu að mun auðveldara er að greina boð sem koma í röð (93,24% nákvæmni) en þau sem berast samtímis (26,15%). Frekari athuganir á hléum milli áreita (e. inter-stimulus intervals) leiddu í ljós að nákvæmnin er mest þegar hléin eru á bilinu 100 til 500 millisekúndur. Styttri merki reyndust betri en löng og fólk mundi byrjunina og endann á röðinni best. Einnig sást að fólk varð fljótara og betra að nema boðin með æfingunni, sem sýnir að hægt er að læra á slík kerfi yfir tíma. Með þessum rannsóknum er lagður grundvöllur að hönnun klæðanlegra snertikerfa sem vinna á skilvirkan hátt með mannlegri skynjun. Niðurstöðurnar nýtast við þróun hjálpartækja, tækja sem koma í stað annarra skilningarvita, hljóðlausra viðvörunarkerfa og jafnvel í sýndarveruleika (VR/AR). Með því að sýna fram á að hægt sé að miðla flóknum upplýsingum á áreiðanlegan hátt með skipulögðum titringi á framhandlegg, staðfestir þessi ritgerð að snerting er raunhæf boðleið í samskiptum manna og tölva þegar aðrar leiðir nýtast illa.