投影式電容觸摸屏柔性振動(dòng)觸覺(jué)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)院訓練部，重慶401311)

摘要：良好的觸覺(jué)反饋是普通觸摸屏人機界面友好性的重要體現。基于現有觸覺(jué)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(dòng)技術(shù)，分析了觸摸屏各種輸入方式的觸覺(jué)反饋實(shí)現方式。與采用其他觸覺(jué)反饋技術(shù)的情況相比，采用柔性振動(dòng)技術(shù)的觸覺(jué)反饋擬真度較高，結構較為簡(jiǎn)單，具有更好的人機界面友好性。

關(guān)鍵詞：柔性振動(dòng)、投影式電容觸摸屏、 觸覺(jué)反饋、人機界面

中圖分類(lèi)號:TN141． 8;TP391． 9 文獻標志碼:A

    觸摸感應技術(shù)的飛速發(fā)展，讓用戶(hù)可以完全拋開(kāi)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(jué)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(jué)、整機單一振動(dòng)等反饋方式予以彌補，無(wú)形中增加了設備使用對環(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(jué)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，這種現象尤為明顯。基
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(dòng)方式對用戶(hù)輸入進(jìn)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 觸摸感應技術(shù)

    觸摸感應技術(shù)是以捕捉手指的觸摸動(dòng)作信息為基本出發(fā)點(diǎn)，將手指觸摸動(dòng)作的信息轉化成電信號并加以判斷識別，使之與傳統物理輕觸按鍵的“按壓”和釋放動(dòng)作等價(jià)。觸摸感應技術(shù)不但可以實(shí)現單按鍵的檢測，而且可以同時(shí)實(shí)現多按鍵的檢測。借助于軟件程序，可以將觸摸屏上的按鍵設計成各種形狀，比如普通按鍵、滑塊、撥盤(pán)，實(shí)現各種不可見(jiàn)的操作方式( 諸如畫(huà)面縮放、多維旋轉等) 。從這個(gè)層面來(lái)看，觸摸感應技術(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

    觸摸屏是觸摸感應技術(shù)的主要應用成果之一。觸摸屏由觸摸檢測部件和觸摸屏控制器兩部分組成。根據觸摸感應原理，可以將觸摸屏劃分為電阻式觸摸屏、紅外線(xiàn)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(chǎng)雖然由電阻式觸摸屏占據絕大部分份額，但根據近幾年技術(shù)發(fā)展趨勢來(lái)看，投影式電容技術(shù)才真正代表觸摸感應技術(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(guò)檢測電極間的電容變化進(jìn)行觸摸位置偵測，支持多點(diǎn)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(jiàn)的ITO 形狀有鉆石結構與矩陣式結構，除了蘋(píng)果手持設備屏幕采用矩陣式結構，其他電容式感應組件一般都屬于鉆石結構，感應方式都是通過(guò)手指接近或碰觸玻璃表面導致電荷變化形成電流信號源，經(jīng)過(guò)控制電路的模數轉換器與DSP 電路計算判斷手指碰觸點(diǎn)。其多點(diǎn)觸控的工作原理見(jiàn)圖1，利用手指碰觸感應造成電荷量的變化，形成電流信號源，從感應發(fā)射端通過(guò)X /Y 軸掃描以及接收端接受信號后，再通過(guò)模數轉換器參照與周?chē)噜徃袘濣c(diǎn)的權重來(lái)計算判斷觸控位置，將原始X /Y 坐標傳輸給MCU 與DSP，作移動(dòng)速度與手勢判斷等處理。

2 觸覺(jué)反饋實(shí)現方式分析

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

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

2． 1 單級振動(dòng)

    單級振動(dòng)是絕大多數觸摸屏設備實(shí)現觸覺(jué)反饋的基本方式。觸摸屏的虛擬按鍵在觸按時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，以反饋給使用者該次輸入行為有效［14］。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現簡(jiǎn)單，成本低廉，在微型手持設備( 如移動(dòng)電話(huà)機) 中普及率高，但缺點(diǎn)也顯而易見(jiàn): 振動(dòng)感覺(jué)生硬，頻繁振動(dòng)導致使用者滿(mǎn)意率迅速降低，故只能用于普通微型手持設備。對于小型以上的設備，特別是大型設備，這種局部或者整體的振動(dòng)會(huì )導致零部件松動(dòng)、短路、損壞，甚至其他更為嚴重的事故。

2． 2 觸摸屏與觸覺(jué)反饋模塊整合

    單級振動(dòng)效果與物理按鍵的體驗感覺(jué)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(jué)反饋模塊搭配整合起來(lái)。例如諾基亞公司最近開(kāi)發(fā)的一種新技術(shù)，能讓觸摸屏上的某一處區域產(chǎn)生振動(dòng); 蘋(píng)果公司也在幾年前申請了一項柔軟觸摸屏專(zhuān)利，該產(chǎn)品在屏幕下方墊一層透明觸點(diǎn)，用戶(hù)在按鍵時(shí)能夠獲得如同接觸真正鍵盤(pán)的觸感。

    此外，微軟公司也申請了一項專(zhuān)利，使用一種新材料，能夠根據受輻射的紫外線(xiàn)波長(cháng)改變其表面形狀。根據這項專(zhuān)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(hù)手指即將接觸屏幕的位置，通過(guò)向相應位置射出特定波長(cháng)的紫外線(xiàn)，令用戶(hù)的手指感受到類(lèi)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(jué)反饋，但基于成本和通用性考慮，觸摸屏與觸覺(jué)反饋模塊整合的理念仍然停留在實(shí)驗階段。

2． 3 柔性振動(dòng)

    單級振動(dòng)的觸覺(jué)反饋效果機械而又生硬，但是實(shí)現簡(jiǎn)單，成本低廉; 而觸摸屏與觸覺(jué)反饋模塊整合的觸覺(jué)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，當前，這種觸覺(jué)反饋實(shí)現方式并不具備可操作性。針對投影式電容觸摸屏的設計特點(diǎn)，結合單級振動(dòng)和觸摸屏與觸覺(jué)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(dòng)的觸覺(jué)反饋方式。柔性振動(dòng)是在單級振動(dòng)的基礎上，根據觸摸屏的虛擬按鍵與滑塊所對應的功能實(shí)現振動(dòng)。柔性振動(dòng)不是單級振動(dòng)中的普通機械振動(dòng)，其特點(diǎn)是可以通過(guò)改變振動(dòng)的頻率、波形、幅度和周期，令用戶(hù)感受到近似于物理反饋的觸覺(jué)效果。

圖2 柔性振動(dòng)觸覺(jué)反饋實(shí)現流程
 

3 柔性振動(dòng)實(shí)現方式

    柔性振動(dòng)觸覺(jué)反饋實(shí)現方式如圖2所示。整個(gè)柔性振動(dòng)系統由多個(gè)微型振動(dòng)器組成，它們均勻分布在觸摸屏下方。當用戶(hù)的手指在觸摸屏上做出一個(gè)動(dòng)作，例如點(diǎn)擊或者滑動(dòng)，觸摸屏控制器A 就根據觸點(diǎn)定位的坐標以及觸摸的力度與方向，分析用戶(hù)的操作意圖，將所要執行的命令發(fā)送至相應的應用程序MCU，執行下一步任務(wù); 同時(shí)，根據用戶(hù)的操作意圖，調用相關(guān)反饋方案，對屏幕下方的多個(gè)振動(dòng)器，分別采用不同頻率、波形、幅度和周的振動(dòng)，實(shí)現觸覺(jué)反饋。

 

圖3 振動(dòng)器位置分布
 

3． 1 點(diǎn)擊動(dòng)作的柔性振動(dòng)實(shí)現方式

    以觸摸屏含5 個(gè)微型振動(dòng)器為例，如圖3 所示。設X 點(diǎn)在振動(dòng)器A 正上方，振動(dòng)器A 的振動(dòng)反饋力為N，則用戶(hù)點(diǎn)擊圖3 所示X 點(diǎn)時(shí)，振動(dòng)器A 的振動(dòng)反饋力為αN，振動(dòng)器B 的振動(dòng)反饋力為βN，振動(dòng)器C 的振動(dòng)反饋力為γN，振動(dòng)器D 的振動(dòng)反饋力為δN，振動(dòng)器E 的振動(dòng)反饋力為εN。其中α，β，γ，δ 和ε 均為反饋力系數，且根據振動(dòng)器與X 點(diǎn)的距離呈非線(xiàn)性下降趨勢，距離越遠，系數越小。當X 點(diǎn)無(wú)限接近A 處，B，C，D 和E 4 處的振動(dòng)反饋力接近于零。

3． 2 滑動(dòng)動(dòng)作的柔性振動(dòng)實(shí)現方式

    滑動(dòng)動(dòng)作較點(diǎn)擊動(dòng)作稍顯復雜。在普通機械滑塊中，滑塊從初始狀態(tài)開(kāi)始，需要克服靜摩擦力; 一旦開(kāi)始滑動(dòng)，由于加速度的產(chǎn)生，動(dòng)摩擦力減小; 在結束滑動(dòng)之前，速度降為零，力反饋較強。因此，在滑動(dòng)動(dòng)作的觸覺(jué)反饋設計上，需要真實(shí)反映滑動(dòng)的3 個(gè)階段。仍然以觸摸屏含5 個(gè)微型振動(dòng)器為例，如圖3 所示。當手指在觸摸屏上從X 點(diǎn)滑向Y 點(diǎn)，首先判斷該項動(dòng)作是連續點(diǎn)擊還是連續滑動(dòng)。以固定時(shí)間τ 為界，當任意2 次點(diǎn)擊時(shí)間t ＜ τ，則判定為滑動(dòng)動(dòng)作;84 后勤工程學(xué)院學(xué)報2011 年而當2 次點(diǎn)擊時(shí)間t≥τ，則判定為2 次點(diǎn)擊。當判定為滑動(dòng)，由X 點(diǎn)至Y 點(diǎn)滑動(dòng)時(shí)，振動(dòng)器A 的振動(dòng)反饋力為α'αN，其中α'是動(dòng)態(tài)參數，在滑動(dòng)剛開(kāi)始時(shí)其值較大，而后保持恒定，最后在動(dòng)作停止時(shí)再次增大。

3． 3 投影式電容觸摸屏中實(shí)現柔性振動(dòng)存在的問(wèn)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，當行列交叉通過(guò)時(shí)，行列之間會(huì )產(chǎn)生互電容( 包括行列感應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(shí)互電容會(huì )減小，由此即可判斷觸摸存在，并且準確判斷每一個(gè)觸摸點(diǎn)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(dòng)技術(shù)方案的實(shí)現需要引入多個(gè)微型振動(dòng)器，而多個(gè)微型振動(dòng)器同時(shí)工作，會(huì )對觸摸屏控制器判斷每一個(gè)觸摸點(diǎn)的動(dòng)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(huì )因其他多個(gè)傳感器如加速度傳感器、重力感應傳感器、距離傳感器、光線(xiàn)感應傳感器等的存在，從而受到內部噪聲干擾。用戶(hù)手指上的汗、油、膏和污漬，也會(huì )對觸摸位置和觸摸動(dòng)作的判定產(chǎn)生干擾。這些方面的問(wèn)題，都需要在柔性振動(dòng)技術(shù)投入使用之前認真研究解決。

4 結語(yǔ)

    投影式電容觸摸屏具有越來(lái)越廣泛的應用前景，它代表觸摸屏發(fā)展的方向。觸覺(jué)反饋是其應用研究熱點(diǎn)之一，觸覺(jué)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(dòng)的簡(jiǎn)單觸覺(jué)反饋和觸摸屏與觸覺(jué)反饋模塊整合的理想觸覺(jué)反饋，柔性振動(dòng)的觸覺(jué)反饋實(shí)現方式克服了前兩者先天存在的不足，也兼備兩者一些優(yōu)勢。在優(yōu)化設計方案中，將觸控屏幕搭配整合觸覺(jué)反饋模塊，再利用系統底層的互動(dòng)設計，模擬達到近似原有實(shí)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(dòng)的觸覺(jué)反饋雖然會(huì )導致硬件成本的增加和整個(gè)觸摸屏裝置體積增大，但隨著(zhù)各種手持裝置或固定裝置的觸控面板趨于增大，虛擬鍵盤(pán)應用比例逐漸增加，這個(gè)問(wèn)題也會(huì )逐漸得到解決。

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