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感測器/MEMS  

觸控式螢幕系統中的觸覺反饋功能

上網時間: 2008年02月21日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:觸控式螢幕  觸覺反饋  效果庫 

作為一種用戶輸入設備,觸控式螢幕正快速普及。從某些需求(如蘋果公司的iPhone)可以看出,一個出眾的用戶介面將帶來極具競爭力的市場優勢。但對其他應用而言,仍需克服安全、娛樂或其他的可用性問題。

來自工業、商業以及消費性等領域的用戶不斷追求更好的人機介面。目前,觸控啟動介面方面的最新技術是觸覺反饋,它可以為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,產品設計師透過提供直觀的觸覺提示可以將功能複雜度降到最低。本文將討論如何為產品的觸控啟動介面添加觸覺反饋(觸覺技術)。

能夠提供觸覺的觸控介面系統依賴於執行器產生觸感。執行器和控制技術的發展使得目前的執行器能夠支援各種從小型到大型之觸控面板和觸控式螢幕上的觸控反饋,產品範圍覆蓋了從手機到寬螢幕觸控監視器等各種產品。另外,支援觸覺系統所需的處理器負載相當小,觸控輸入技術事實上已經非常普及,也有許多現成的機電解決方案可用。

工作原理

對用於觸控啟動控制的觸覺技術,最通常的解釋是,按鍵或開關的全程動作必須完全複製才是最有效的。但實際上,人類手指的感知靈敏性並非這麼低。許多研究發現,如果結合適當的加速度,人類手指的神經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這個最低水準的加速度,還不足以產生最佳的觸覺效果。透過產生一個加速度和一個具有較強刺激的位移,可以產生更有效的觸覺效果。透過本文所示的‘相圖(phase portraits)’可以看到這些加速度和位移。在透過電子機械方式成功地將觸覺技術整合到觸覺介面元件後,即可產生相圖。

解決方案

觸覺反饋系統架構通常包括:1. 執行器,可以是直流電磁型,或者是體積較大、必須正確安裝到觸控式螢幕中的定製元件;2. 觸覺控制軟體,可以安裝在一個控制板上,或嵌入到產品的主處理器中;3. 一個觸覺效果庫;4. 一個從主程式呼叫觸覺效果的可編程介面。上述幾個部份中,任何一個產生錯誤都會導致整個設計失敗。

執行機制

最好的方法是使用為產生觸覺效果專門設計執行器,因為重新改變一個通用馬達和螺線管的用途極具挑戰性。為觸覺應用設計執行器將來自控制器的觸覺訊號轉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響應外,所選的執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行器也非常適用於小型觸控平面產品(對角線長度在7英吋以下)。它們分別是偏心旋轉塊馬達(ERM)和線性諧振執行器(LRA),其中有個塊狀物在兩個磁極之間震動。螢幕較大的產品,如那些從7英吋到36英吋帶觸控介面的產品,就需要較大的執行器。Immersion A100和A300即為此類產品。

應該對所有執行器進行最佳化,以便在位移很小的同時能產生較大的力,還要仔細選擇這些執行器來滿足性能和壽命方面的要求。設計所要求的執行器的類型和數量取決於觸控式螢幕或面板的體積、重量和實現方案。

若為了產生觸覺效果,誤用簡單的螺線管和馬達,通常很容易導致不良的設計。當採用不合適的執行器時,其性、延遲、過慢的執行器加速、位移過大或缺少對位移的精確控制等,都是常見的問題。

執行器安裝不良也是觸覺系統中的常見問題。如果設計不良,不僅是觸控介面本身,連整個系統都會產生諧振。在手持設備中問題可能不大,但在固定設備中則不然,過強的諧振所產生的效果不亞於地震,而不再是友好的確認指示。如果安裝設置將介面壓迫到其加速度和位移被抑制在檢測點之外的程度,還會產生其他極端的結果。

執行器的正確安裝會將位移有效地轉移到用戶的指尖上。觸控式螢幕顯示器被安裝在一個底座上,然後進行可撓性密封。觸覺執行器可以提供顯示器和底座之間的主要附屬裝置,因而允許觸控面‘懸浮’,這樣可將最大的能量轉移到指尖上。

圖1:A300執行器的位移和時間關係。
圖1:A300執行器的位移和時間關係。

圖2:A300執行器的加速度與時間關係。
圖2:A300執行器的加速度與時間關係。

圖3:A300中加速度與位移的關係(相圖)。
圖3:A300中加速度與位移的關係(相圖)。

圖4:ERM馬達利用一個偏心塊來為小型設備提供觸覺效果。照片中顯示的是三洋(Sanyo)公司的微型直流馬達。
圖4:ERM馬達利用一個偏心塊來為小型設備提供觸覺效果。照片中顯示的是三洋(Sanyo)公司的微型直流馬達。

圖5:A100觸覺執行器。
圖5:A100觸覺執行器。

圖6:A300觸覺執行器。
圖6:A300觸覺執行器。

圖7:執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。
圖7:執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。

控制系統

對執行器的正確控制是透過軟體和電路實現的,軟體和電路主要用來處理觸控輸入,並向執行器提供正確的指令。

控制指令應該對相關的執行器技術和理想的相圖進行最佳化,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動輸出能力和0.25MIPS冗餘處理能力的處理器,還要為目標執行器選用一個合適的放大器。整個通訊路徑(從用戶輸入到觸覺響應啟動)的延遲應該小於30ms。

觸覺效果庫

觸覺效果庫應該包括各種效果,能使用戶清楚地分辨各種觸控式螢幕控制的感覺,並可區分眾多功能。最好的方法是,觸覺開發系統能夠為用戶介面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。

編程介面

透過簡化的API從主程式中呼叫觸覺效果將有助於軟體整合。軟體開發工具也很有用。Immersion公司已提供這類開發工具,它為設計師提供了幾種編程選擇,包括Windows ActiveX控制、原始程式碼形式的交叉平台API以及對定製介面的通訊支援。還包括樣本程式碼,以及一個如何將觸覺反饋加到主程式的完整過程描述。

今天的新型觸覺介面能夠在觸控啟動控制方針對用戶提供更加熟悉的、動人和滿意的用戶體驗。所幸的是,如今觸覺系統在技術上已經成熟,機電整合也已普及。這一新興技術的關鍵要素是執行器整合、安裝、觸覺控制和編程。在依照本文的指導方針進行設計時,我們會發現在觸控啟動控制感覺以及直覺、滿意度以及自然的用戶互動方面,觸覺系統具有明顯的優勢。

作者:Steve Kingsley-Jones

產品管理總監

Immersion公司




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