题目：面向触控交互的触觉交互设备的设计与性能研究

触控交互技术已经被越来越广泛地应用于人们的日常生活中。然而，缺少触觉反馈却给触控交互带来了严重问题，造成了用户操作水平的降低和用户体验的下降。在触控交互中利用触觉交互设备增加触觉反馈是解决这一问题的有效方法。本文对基于挤压气膜效应的触觉交互设备的设计进行了研究，并提出了利用较少压电片在较低能耗下实现在较大触控交互表面提供触觉反馈的设计方法。

本文首先分析了面向触控交互的触觉交互技术的研究现状和发展趋势，介绍了各种触觉交互技术的特点，应用和效果。本文发现，基于挤压气膜效应改变触控表面摩擦系数的方法可以为用户提供连续、真实、有效的触觉反馈，具有较强的应用前景。因此，本文针对这种技术开展了后续研究。

在已有的研究中，基于挤压气膜效应设计的触觉交互设备的能耗较大且工作空间相对较小，不适于在大尺寸移动交互设备上提供触觉反馈。本文通过实验测量的方法，逐一排查分析了设备能耗产生的原因，并根据实验结果建立了设备的能耗分析模型。同时，对能耗分析模型中压电片的数量，布局以及压电迟滞等因素对设备能耗的影响进行了实验分析与测量，为设计具有较大工作空间低能耗的触觉交互设备提供了理论依据和参考数据。

结合设备能耗模型提出的能耗优化方法和挤压气膜效应的设计要求，本文提出了设计大工作空间低能耗触觉交互设备的设计准则和方法，并制作了物理样机。同时，本文通过对物理样机能耗的预测值和实测值的比较，证实了本文提出的能耗分析模型的正确性和有效性。此外，本文还对物理样机进行了用户心理学测试，得到了用户对设备产生的触觉反馈的分辨阈值和觉察阈值，验证了设备的可用性，也为设备的使用和改进提供了实验数据。

单纯利用基于挤压气膜效应的触觉反馈模拟尖脆虚拟边界效果欠佳。本文提出利用触力觉融合反馈的方法提高虚拟边界模拟的方法。通过将触力觉融合反馈等效为切向力的感知实验，本文得到了触觉反馈的等效切向力，并初步证明其与挤压气膜造成的摩擦力的变化大小相等，为使用触力觉融合反馈模拟虚拟边界奠定了基础。

本文对基于挤压气膜效应的触觉交互设备的设计和评价进行了研究，为降低此类设备的能耗，扩大其工作空间和使用范围提供了设计方法。