解析触摸屏系统中的触觉反馈功能

解析触摸屏系统中的触觉反馈功能

　　作为用户输入设备的触摸屏正在快速普及。从某些需求(如苹果公司的iPhone)可以看出，一个出众的用户接口将带来极具竞争力的市场优势。不过对其他应用而言，还需要克服其他一些问题，如安全方面的问题、娱乐分心问题或者其他可用性问题。

　　来自工业、商业以及消费类等所有市场领域的用户都在不断追求更好的人机接口。目前，触摸激活接口方面的最新技术是触觉反馈，它可以向用户提供立即和正确无误的确认。该功能被用来改善用户性能和满意度。此外，产品设计师通过提供直观的触觉提示可以将功能复杂度降到最低。本文将讨论如何为产品的触摸激活接口添加触觉反馈(触觉技术)。

　　目前现状

　　能够提供触觉的触摸接口系统依赖于执行器产生触感。执行器和控制技术的发展使得目前的执行器能够支持各种从很小到很大的触摸面板和触摸屏上的触摸反馈，产品范围覆盖了从手机到宽屏触摸监视器等各种产品。另外，支持触觉系统所需的处理器负荷相当小，触摸输入技术事实上已经非常普及，机电解决方案也都是现成的。

　　工作原理

　　对用于触摸激活控制的触觉技术的通常解释是，按键或开关的全程动作必须完全复制才最有效。但实际上，人类手指的感知灵敏性并不这样低。大量的研究发现，如果结合适当的加速度，人类手指的神经元可以检测非常小的运动。在1.5g以上的加速度条件下，仅有0.1mm的运动就能被人类感知为确认响应。

　　不过，1.5g这个最低水平的加速度，还不足以产生最佳的触觉效果。通过产生一个加速度和一个具有较强刺激的位移可以产生更有效的触觉效果。通过本文所示的“相图(phase portraits)”可以看到这些加速度和位移。在成功地将触觉技术通过电子机械方式集成进触觉接口器件后可以产生相图。

　　解决方案

　　触觉反馈系统架构中通常包括：(1)执行器，可以是直流电磁型，或者是体积较大、必须正确安装到触摸屏中的定制器件，(2)触觉控制软件，可以安装在一个控制板上，或嵌入到产品的主处理器中，(3)一个触觉效果库，(4)一个从主程序调用触觉效果的可编程接口。上述几部分中任何一个的错误实现都会导致整个设计的失败。

　　执行机制

　　最好的方法是使用为产生触觉效果专门设计的执行器，因为重新改变一个通用电机和螺线管的用途极具挑战性。为触觉应用设计的执行器将来自控制器的触觉信号转换成特定相图所描述的机械运动。很明显，除了提供一个好的动态响应外，所选的执行器需要满足严格的功率、效率和可靠性指标。

　　在手机中常用的两种执行器也非常适用于小型触摸平面产品(对角线长度在7英寸以下)。它们分别是偏心旋转块电机(ERM) (照片中所示)和线性谐振执行器(LRA)，其中有个块状物在两个磁极之间振动。屏幕较大的产品，如那些从7英寸到36英寸带触摸接口的产品，就需要较大的执行器。Immersion A100 和A300就是这样两种产品。

　　图1：A300执行器的位移和时间关系。

　　图2：A300执行器的加速度与时间关系。

　　图3：A300中加速度与位移的关系(相图)。

　　图4：ERM电机利用一个偏心块来为小型设备提供触觉效果。照片中显示的是Sanyo公司的微型直流电机。

　　图5：A100触觉执行器。

　　图6：A300触觉执行器。

　　图7：执行器的正确定位和安装将使运动能够有效地传递到用户的指尖上。

　　应该对所有执行器进行优化，以便在位移很小的同时能产生较大的力，还要仔细选择这些执行器来满足性能和寿命方面的要求。设计所要求的执行器的类型和数量取决于触摸屏或面板的体积、重量和实现方案。

　　为了产生触觉效果而误用简单的螺线管和电机常易导致不良的实现。由于使用了不合适的执行器性能，延迟或者很慢的执行器加速、位移过大或者缺少对位移的精确控制都是常见的一些问题。

　　执行器安装不良也是触觉系统中的常见问题。如果实现得不好，不仅是触摸接口本身，连整个系统都会谐振。在手持设备中可能问题还不大，但在固定设备中则不然，过强的谐振所产生的效果不亚于地震，而不再是友好的确认指示。如果安装设置将接口压迫到其加速度和位移被抑制在检测点之外的程度，还会发生其他极端的结果。

　　执行器的正确安装会将位移有效地转移到用户的指尖上。触摸屏显示器被安装在一个底座上，然后进行柔性密封。触觉执行器可以提供显示器和底座之间的主要附属装置，从而允许触摸面“悬浮”，这样可将最大的能量转移到指尖上。

　　控制系统

　　对执行器的正确控制是通过软件和电路实现的，软件和电路主要用来处理触摸输入，并向执行器提供正确的指令。

　　控制指令应该 对相关的执行器技术和理想的相图进行优化，这种相图应能正确确认用户的输入，同时又不干扰用户的注意力。提供这样的响应要求选择一个具有合适驱动输出能力和0.25MIPS冗余处理能力的处理器，还要为目标执行器选用一个合适的放大器。整个通信路径 (从用户输入到触觉响应启动) 的延时应该小于30ms。

　　触觉效果库

　　触觉效果库应该包括各种效果，从而能使用户清楚地分辨各种触摸屏控制的感觉，并且可以将众多的功能分开来。最好的方法是，触觉开发系统能够为用户接口设计师提供一个方便体验效果的方法，以便他们能从触觉效果库中选用最好的效果。

　　编程接口

　　通过简化的API从主程序中调用触觉效果有助于软件的集成。软件开发工具也很有用。Immersion公司提供了这样的开发工具，它向设计师提供了几种编程选择，包括Windows ActiveX控制、源代码形式的交叉平台API以及对定制接口的通信支持。还包括样本代码以及一个如何将触觉反馈加到主程序中的完整过程描述。

　　今天的新型触觉接口能够在触摸激活控制方面向用户提供更加熟悉的、动人和满意的用户体验。所幸的是，如今触觉系统在技术上已经成熟，机电集成也得到了很好地普及。这一新兴技术的关键要素是执行器集成、安装、触觉控制和编程。在按照本文的指导方针进行设计时，我们会发现在触摸激活控制感觉以及直觉、满意度以及自然的用户交互方面，触觉系统具有明显的优势。

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