觸摸屏系統(tǒng)中的觸覺反饋功能實現(xiàn)方法

　　作為用戶輸入設備的觸摸屏正在快速普及。從某些需求（如蘋果公司的iPhone）可以看出，一個出眾的用戶接口將帶來極具競爭力的市場優(yōu)勢。不過對其他應用而言，還需要克服其他一些問題，如安全方面的問題、娛樂分心問題或者其他可用性問題。

　　來自工業(yè)、商業(yè)以及消費類等所有市場領域的用戶都在不斷追求更好的人機接口。目前，觸摸激活接口方面的最新技術是觸覺反饋，它可以向用戶提供立即和正確無誤的確認。該功能被用來改善用戶性能和滿意度。此外，產(chǎn)品設計師通過提供直觀的觸覺提示可以將功能復雜度降到最低。本文將討論如何為產(chǎn)品的觸摸激活接口添加觸覺反饋（觸覺技術）。

　　目前現(xiàn)狀

　　能夠提供觸覺的觸摸接口系統(tǒng)依賴于執(zhí)行器產(chǎn)生觸感。執(zhí)行器和控制技術的發(fā)展使得目前的執(zhí)行器能夠支持各種從很小到很大的觸摸面板和觸摸屏上的觸摸反饋，產(chǎn)品范圍覆蓋了從手機到寬屏觸摸監(jiān)視器等各種產(chǎn)品。另外，支持觸覺系統(tǒng)所需的處理器負荷相當小，觸摸輸入技術事實上已經(jīng)非常普及，機電解決方案也都是現(xiàn)成的。

　　工作原理

　　對用于觸摸激活控制的觸覺技術的通常解釋是，按鍵或開關的全程動作必須完全復制才最有效。但實際上，人類手指的感知靈敏性并不這樣低。大量的研究發(fā)現(xiàn)，如果結合適當?shù)募铀俣?，人類手指的神?jīng)元可以檢測非常小的運動。在1.5g以上的加速度條件下，僅有0.1mm的運動就能被人類感知為確認響應。

　　不過，1.5g這個最低水平的加速度，還不足以產(chǎn)生最佳的觸覺效果。通過產(chǎn)生一個加速度和一個具有較強刺激的位移可以產(chǎn)生更有效的觸覺效果。通過本文所示的“相圖（phase portraits）”可以看到這些加速度和位移。在成功地將觸覺技術通過電子機械方式集成進觸覺接口器件后可以產(chǎn)生相圖。

　　解決方案

　　觸覺反饋系統(tǒng)架構中通常包括：（1）執(zhí)行器，可以是直流電磁型，或者是體積較大、必須正確安裝到觸摸屏中的定制器件，（2）觸覺控制軟件，可以安裝在一個控制板上，或嵌入到產(chǎn)品的主處理器中，（3）一個觸覺效果庫，（4）一個從主程序調(diào)用觸覺效果的可編程接口。上述幾部分中任何一個的錯誤實現(xiàn)都會導致整個設計的失敗。

　　執(zhí)行機制

　　最好的方法是使用為產(chǎn)生觸覺效果專門設計的執(zhí)行器，因為重新改變一個通用電機和螺線管的用途極具挑戰(zhàn)性。為觸覺應用設計的執(zhí)行器將來自控制器的觸覺信號轉(zhuǎn)換成特定相圖所描述的機械運動。很明顯，除了提供一個好的動態(tài)響應外，所選的執(zhí)行器需要滿足嚴格的功率、效率和可靠性指標。

　　在手機中常用的兩種執(zhí)行器也非常適用于小型觸摸平面產(chǎn)品（對角線長度在7英寸以下）。它們分別是偏心旋轉(zhuǎn)塊電機（ERM） （照片中所示）和線性諧振執(zhí)行器（LRA），其中有個塊狀物在兩個磁極之間振動。屏幕較大的產(chǎn)品，如那些從7英寸到36英寸帶觸摸接口的產(chǎn)品，就需要較大的執(zhí)行器。Immersion A100 和A300就是這樣兩種產(chǎn)品。

　　圖1：A300執(zhí)行器的位移和時間關系。

　　圖2：A300執(zhí)行器的加速度與時間關系。

　　圖3：A300中加速度與位移的關系（相圖）。

　　圖4：ERM電機利用一個偏心塊來為小型設備提供觸覺效果。照片中顯示的是Sanyo公司的微型直流電機。

　　圖5：A100觸覺執(zhí)行器。

　　圖6：A300觸覺執(zhí)行器。

　　圖7：執(zhí)行器的正確定位和安裝將使運動能夠有效地傳遞到用戶的指尖上。

　　應該對所有執(zhí)行器進行優(yōu)化，以便在位移很小的同時能產(chǎn)生較大的力，還要仔細選擇這些執(zhí)行器來滿足性能和壽命方面的要求。設計所要求的執(zhí)行器的類型和數(shù)量取決于觸摸屏或面板的體積、重量和實現(xiàn)方案。

　　為了產(chǎn)生觸覺效果而誤用簡單的螺線管和電機常易導致不良的實現(xiàn)。由于使用了不合適的執(zhí)行器性能，延遲或者很慢的執(zhí)行器加速、位移過大或者缺少對位移的精確控制都是常見的一些問題。

　　執(zhí)行器安裝不良也是觸覺系統(tǒng)中的常見問題。如果實現(xiàn)得不好，不僅是觸摸接口本身，連整個系統(tǒng)都會諧振。在手持設備中可能問題還不大，但在固定設備中則不然，過強的諧振所產(chǎn)生的效果不亞于地震，而不再是友好的確認指示。如果安裝設置將接口壓迫到其加速度和位移被抑制在檢測點之外的程度，還會發(fā)生其他極端的結果。

　　執(zhí)行器的正確安裝會將位移有效地轉(zhuǎn)移到用戶的指尖上。觸摸屏顯示器被安裝在一個底座上，然后進行柔性密封。觸覺執(zhí)行器可以提供顯示器和底座之間的主要附屬裝置，從而允許觸摸面“懸浮”，這樣可將最大的能量轉(zhuǎn)移到指尖上。

　　控制系統(tǒng)

　　對執(zhí)行器的正確控制是通過軟件和電路實現(xiàn)的，軟件和電路主要用來處理觸摸輸入，并向執(zhí)行器提供正確的指令。

　　控制指令應該 對相關的執(zhí)行器技術和理想的相圖進行優(yōu)化，這種相圖應能正確確認用戶的輸入，同時又不干擾用戶的注意力。提供這樣的響應要求選擇一個具有合適驅(qū)動輸出能力和0.25MIPS冗余處理能力的處理器，還要為目標執(zhí)行器選用一個合適的放大器。整個通信路徑 （從用戶輸入到觸覺響應啟動） 的延時應該小于30ms。

　　觸覺效果庫

　　觸覺效果庫應該包括各種效果，從而能使用戶清楚地分辨各種觸摸屏控制的感覺，并且可以將眾多的功能分開來。最好的方法是，觸覺開發(fā)系統(tǒng)能夠為用戶接口設計師提供一個方便體驗效果的方法，以便他們能從觸覺效果庫中選用最好的效果。

　　編程接口

　　通過簡化的API從主程序中調(diào)用觸覺效果有助于軟件的集成。軟件開發(fā)工具也很有用。Immersion公司提供了這樣的開發(fā)工具，它向設計師提供了幾種編程選擇，包括Windows ActiveX控制、源代碼形式的交叉平臺API以及對定制接口的通信支持。還包括樣本代碼以及一個如何將觸覺反饋加到主程序中的完整過程描述。

　　今天的新型觸覺接口能夠在觸摸激活控制方面向用戶提供更加熟悉的、動人和滿意的用戶體驗。所幸的是，如今觸覺系統(tǒng)在技術上已經(jīng)成熟，機電集成也得到了很好地普及。這一新興技術的關鍵要素是執(zhí)行器集成、安裝、觸覺控制和編程。在按照本文的指導方針進行設計時，我們會發(fā)現(xiàn)在觸摸激活控制感覺以及直覺、滿意度以及自然的用戶交互方面，觸覺系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢。