投影式電容觸摸屏柔性振動觸覺反饋研究
路翔，羅挺
(1.后勤工程學(xué)院后勤信息工程系，重慶401311；2.后勤工程學(xué)院訓(xùn)練部，重慶401311)

摘要：良好的觸覺反饋是普通觸摸屏人機界面友好性的重要體現(xiàn)。基于現(xiàn)有觸覺反饋方式，以投影式電容觸摸屏為研究對象，提出了柔性振動技術(shù)，分析了觸摸屏各種輸入方式的觸覺反饋實現(xiàn)方式。與采用其他觸覺反饋技術(shù)的情況相比，采用柔性振動技術(shù)的觸覺反饋擬真度較高，結(jié)構(gòu)較為簡單，具有更好的人機界面友好性。

關(guān)鍵詞：柔性振動、投影式電容觸摸屏、 觸覺反饋、人機界面

中圖分類號:TN141． 8;TP391． 9 文獻標志碼:A

    觸摸感應(yīng)技術(shù)的飛速發(fā)展，讓用戶可以完全拋開物理按鍵和電位器的束縛，直接在顯示屏上圖形化操作電子設(shè)備，極大地改善了人機界面的友好性［1 － 2］。但基于屏幕的物理特性，觸摸屏輸入方式具有缺失觸覺反饋的先天不足［3］，對輸入行為的提示，只能以聲音、圖像或文字視覺、整機單一振動等反饋方式予以彌補，無形中增加了設(shè)備使用對環(huán)境的要求。此外，由于缺少物理按鍵和電位器優(yōu)良的觸覺反饋體驗，觸摸屏輸入方式增大了漏輸入和誤輸入的幾率［4］，特別是投影式電容觸摸屏，這種現(xiàn)象尤為明顯?；?br /> 于以上分析，本文以投影式電容觸摸屏輸入為研究對象，嘗試以柔性振動方式對用戶輸入進行標識，以期提升觸摸屏輸入的友好性，減少漏輸入和誤輸入的發(fā)生。

1 投影式電容觸摸屏

1． 1 觸摸感應(yīng)技術(shù)

    觸摸感應(yīng)技術(shù)是以捕捉手指的觸摸動作信息為基本出發(fā)點，將手指觸摸動作的信息轉(zhuǎn)化成電信號并加以判斷識別，使之與傳統(tǒng)物理輕觸按鍵的“按壓”和釋放動作等價。觸摸感應(yīng)技術(shù)不但可以實現(xiàn)單按鍵的檢測，而且可以同時實現(xiàn)多按鍵的檢測。借助于軟件程序，可以將觸摸屏上的按鍵設(shè)計成各種形狀，比如普通按鍵、滑塊、撥盤，實現(xiàn)各種不可見的操作方式( 諸如畫面縮放、多維旋轉(zhuǎn)等) 。從這個層面來看，觸摸感應(yīng)技術(shù)已經(jīng)可以在功能上替代普通的物理按鍵和電位器。

1． 2 觸摸屏

    觸摸屏是觸摸感應(yīng)技術(shù)的主要應(yīng)用成果之一。觸摸屏由觸摸檢測部件和觸摸屏控制器兩部分組成。根據(jù)觸摸感應(yīng)原理，可以將觸摸屏劃分為電阻式觸摸屏、紅外線觸摸屏、聲表面波觸摸屏、表面電容觸摸屏和投影式電容觸摸屏幾種。

 

圖1 投影式電容觸摸屏工作原理
 

1． 3 投影式電容觸摸屏

    目前觸摸屏市場雖然由電阻式觸摸屏占據(jù)絕大部分份額，但根據(jù)近幾年技術(shù)發(fā)展趨勢來看，投影式電容技術(shù)才真正代表觸摸感應(yīng)技術(shù)發(fā)展方向，它也成為目前電子產(chǎn)品的首選觸控解決方案。投影式電容觸摸屏是通過檢測電極間的電容變化進行觸摸位置偵測，支持多點觸控。這種觸摸屏面板一般都選擇玻璃作為基板，采用單片或者雙片組合并于基板上鍍上氧化銦錫( indium tin oxides，ITO)。目前常見的ITO 形狀有鉆石結(jié)構(gòu)與矩陣式結(jié)構(gòu)，除了蘋果手持設(shè)備屏幕采用矩陣式結(jié)構(gòu)，其他電容式感應(yīng)組件一般都屬于鉆石結(jié)構(gòu)，感應(yīng)方式都是通過手指接近或碰觸玻璃表面導(dǎo)致電荷變化形成電流信號源，經(jīng)過控制電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換器與DSP 電路計算判斷手指碰觸點。其多點觸控的工作原理見圖1，利用手指碰觸感應(yīng)造成電荷量的變化，形成電流信號源，從感應(yīng)發(fā)射端通過X /Y 軸掃描以及接收端接受信號后，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器參照與周圍相鄰感應(yīng)節(jié)點的權(quán)重來計算判斷觸控位置，將原始X /Y 坐標傳輸給MCU 與DSP，作移動速度與手勢判斷等處理。

2 觸覺反饋實現(xiàn)方式分析

    盡管投影式電容觸摸屏的觸控功能可以給用戶帶來友好的人機界面，但同時也產(chǎn)生了新的問題: 從用戶體驗角度來看，由于目前觸摸屏的觸按，一般只能通過音效或虛擬按鍵圖示的變化呈現(xiàn)反饋效果，不會得到傳統(tǒng)物理按鍵或電位器滑塊的力反饋操作體驗，從而導(dǎo)致實際的使用效益降低。

    目前，觸覺反饋的具體實現(xiàn)方式主要有單級振動，觸摸屏與觸覺反饋模塊整合，以及柔性振動。

2． 1 單級振動

    單級振動是絕大多數(shù)觸摸屏設(shè)備實現(xiàn)觸覺反饋的基本方式。觸摸屏的虛擬按鍵在觸按時產(chǎn)生振動，以反饋給使用者該次輸入行為有效［14］。這種方式的優(yōu)點是實現(xiàn)簡單，成本低廉，在微型手持設(shè)備( 如移動電話機) 中普及率高，但缺點也顯而易見: 振動感覺生硬，頻繁振動導(dǎo)致使用者滿意率迅速降低，故只能用于普通微型手持設(shè)備。對于小型以上的設(shè)備，特別是大型設(shè)備，這種局部或者整體的振動會導(dǎo)致零部件松動、短路、損壞，甚至其他更為嚴重的事故。

2． 2 觸摸屏與觸覺反饋模塊整合

    單級振動效果與物理按鍵的體驗感覺具有本質(zhì)的差異，要從根本上消除這種差異，最終的解決方法是將觸摸屏與觸覺反饋模塊搭配整合起來。例如諾基亞公司最近開發(fā)的一種新技術(shù)，能讓觸摸屏上的某一處區(qū)域產(chǎn)生振動; 蘋果公司也在幾年前申請了一項柔軟觸摸屏專利，該產(chǎn)品在屏幕下方墊一層透明觸點，用戶在按鍵時能夠獲得如同接觸真正鍵盤的觸感。

    此外，微軟公司也申請了一項專利，使用一種新材料，能夠根據(jù)受輻射的紫外線波長改變其表面形狀。根據(jù)這項專利所述，微軟公司將這種形狀記憶體做成和觸摸屏像素相同，覆蓋在觸摸屏表面，然后利用安裝在屏幕下的攝像頭判斷出用戶手指即將接觸屏幕的位置，通過向相應(yīng)位置射出特定波長的紫外線，令用戶的手指感受到類似石頭、木材、玻璃等的表面觸感。

    這些新材料和新工藝雖然能夠產(chǎn)生較為理想的觸覺反饋，但基于成本和通用性考慮，觸摸屏與觸覺反饋模塊整合的理念仍然停留在實驗階段。

2． 3 柔性振動

    單級振動的觸覺反饋效果機械而又生硬，但是實現(xiàn)簡單，成本低廉; 而觸摸屏與觸覺反饋模塊整合的觸覺反饋效果良好，近似于物理按鍵，但因涉及新材料與新工藝，加之高成本、低效益，當(dāng)前，這種觸覺反饋實現(xiàn)方式并不具備可操作性。針對投影式電容觸摸屏的設(shè)計特點，結(jié)合單級振動和觸摸屏與觸覺反饋模塊整合這兩種方式各自的優(yōu)勢，本文提出了柔性振動的觸覺反饋方式。柔性振動是在單級振動的基礎(chǔ)上，根據(jù)觸摸屏的虛擬按鍵與滑塊所對應(yīng)的功能實現(xiàn)振動。柔性振動不是單級振動中的普通機械振動，其特點是可以通過改變振動的頻率、波形、幅度和周期，令用戶感受到近似于物理反饋的觸覺效果。

圖2 柔性振動觸覺反饋實現(xiàn)流程
 

3 柔性振動實現(xiàn)方式

    柔性振動觸覺反饋實現(xiàn)方式如圖2所示。整個柔性振動系統(tǒng)由多個微型振動器組成，它們均勻分布在觸摸屏下方。當(dāng)用戶的手指在觸摸屏上做出一個動作，例如點擊或者滑動，觸摸屏控制器A 就根據(jù)觸點定位的坐標以及觸摸的力度與方向，分析用戶的操作意圖，將所要執(zhí)行的命令發(fā)送至相應(yīng)的應(yīng)用程序MCU，執(zhí)行下一步任務(wù); 同時，根據(jù)用戶的操作意圖，調(diào)用相關(guān)反饋方案，對屏幕下方的多個振動器，分別采用不同頻率、波形、幅度和周的振動，實現(xiàn)觸覺反饋。

 

圖3 振動器位置分布
 

3． 1 點擊動作的柔性振動實現(xiàn)方式

    以觸摸屏含5 個微型振動器為例，如圖3 所示。設(shè)X 點在振動器A 正上方，振動器A 的振動反饋力為N，則用戶點擊圖3 所示X 點時，振動器A 的振動反饋力為αN，振動器B 的振動反饋力為βN，振動器C 的振動反饋力為γN，振動器D 的振動反饋力為δN，振動器E 的振動反饋力為εN。其中α，β，γ，δ 和ε 均為反饋力系數(shù)，且根據(jù)振動器與X 點的距離呈非線性下降趨勢，距離越遠，系數(shù)越小。當(dāng)X 點無限接近A 處，B，C，D 和E 4 處的振動反饋力接近于零。

3． 2 滑動動作的柔性振動實現(xiàn)方式

    滑動動作較點擊動作稍顯復(fù)雜。在普通機械滑塊中，滑塊從初始狀態(tài)開始，需要克服靜摩擦力; 一旦開始滑動，由于加速度的產(chǎn)生，動摩擦力減小; 在結(jié)束滑動之前，速度降為零，力反饋較強。因此，在滑動動作的觸覺反饋設(shè)計上，需要真實反映滑動的3 個階段。仍然以觸摸屏含5 個微型振動器為例，如圖3 所示。當(dāng)手指在觸摸屏上從X 點滑向Y 點，首先判斷該項動作是連續(xù)點擊還是連續(xù)滑動。以固定時間τ 為界，當(dāng)任意2 次點擊時間t ＜ τ，則判定為滑動動作;84 后勤工程學(xué)院學(xué)報2011 年而當(dāng)2 次點擊時間t≥τ，則判定為2 次點擊。當(dāng)判定為滑動，由X 點至Y 點滑動時，振動器A 的振動反饋力為α'αN，其中α'是動態(tài)參數(shù)，在滑動剛開始時其值較大，而后保持恒定，最后在動作停止時再次增大。

3． 3 投影式電容觸摸屏中實現(xiàn)柔性振動存在的問題

    投影式電容觸摸屏的工作原理是基于互電容的檢測方式，而不是基于自電容的檢測方式。互電容的檢測方式是檢測行列交叉處互電容( 也就是耦合電容Cm) 的變化，當(dāng)行列交叉通過時，行列之間會產(chǎn)生互電容( 包括行列感應(yīng)單元之間的邊緣電容和行列交叉重疊處產(chǎn)生的耦合電容) ，有手指存在時互電容會減小，由此即可判斷觸摸存在，并且準確判斷每一個觸摸點的位置［7］。相比于自電容的檢測方式，互電容的檢測方式更易受到外部噪聲的干擾。

    柔性振動技術(shù)方案的實現(xiàn)需要引入多個微型振動器，而多個微型振動器同時工作，會對觸摸屏控制器判斷每一個觸摸點的動作產(chǎn)生較大影響，從而增大誤判的產(chǎn)生。此外，觸摸屏控制器本身也會因其他多個傳感器如加速度傳感器、重力感應(yīng)傳感器、距離傳感器、光線感應(yīng)傳感器等的存在，從而受到內(nèi)部噪聲干擾。用戶手指上的汗、油、膏和污漬，也會對觸摸位置和觸摸動作的判定產(chǎn)生干擾。這些方面的問題，都需要在柔性振動技術(shù)投入使用之前認真研究解決。

4 結(jié)語

    投影式電容觸摸屏具有越來越廣泛的應(yīng)用前景，它代表觸摸屏發(fā)展的方向。觸覺反饋是其應(yīng)用研究熱點之一，觸覺反饋的擬真度直接影響觸摸屏人機界面的友好性。相較于單級振動的簡單觸覺反饋和觸摸屏與觸覺反饋模塊整合的理想觸覺反饋，柔性振動的觸覺反饋實現(xiàn)方式克服了前兩者先天存在的不足，也兼?zhèn)鋬烧咭恍﹥?yōu)勢。在優(yōu)化設(shè)計方案中，將觸控屏幕搭配整合觸覺反饋模塊，再利用系統(tǒng)底層的互動設(shè)計，模擬達到近似原有實體按鍵的操作體驗，以改善人機界面的友好性。

    目前，柔性振動的觸覺反饋雖然會導(dǎo)致硬件成本的增加和整個觸摸屏裝置體積增大，但隨著各種手持裝置或固定裝置的觸控面板趨于增大，虛擬鍵盤應(yīng)用比例逐漸增加，這個問題也會逐漸得到解決。

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