觸摸屏觸感振動反饋設計研究

周堯，張豐華，楊林，姜紅明，李曉明

（西安航空計算技術研究所，西安 710119）

1 觸摸屏應用現(xiàn)狀

作為一種全新的人機交互技術，觸摸屏已廣泛應用于工業(yè)、醫(yī)療、通信、娛樂、教育等領域。利用觸摸屏技術，用戶只需在顯示屏上進行點擊，就能進行各種操作，從而使人機交互更為直接和便捷。2009 年全球觸摸屏的出貨量已經達到6.07 億片，相比2008 年上漲了44%，2009 年全球觸摸屏市場的年收入為43 億美元，預計到2016 年將達到140 億美元。可見觸摸屏未來的發(fā)展前景十分誘人［1-2］。目前，市場上大量使用的觸摸屏以電阻式和電容式觸摸屏居多，此外還有紅外式、聲波式和光學式等形式的觸摸屏［3］。

觸摸屏大量應用于電子設備后，觸覺感受作為提升用戶體驗的有效途徑，也逐漸引起了研究者的關注。觸感反饋（Haptics）是指用戶在對設備進行觸摸操作時，設備針對觸摸操作給出的能讓人體感知的反饋［4-5］。目前手機、平板電腦等電子設備主要使用偏心轉子馬達產生振動效果，以滿足觸摸操作的觸感反饋。然而當設備體積、重量增大時，一般振動馬達產生的振動效果難以使操作者明顯感知，而功率高、體積大的振動馬達又會帶來重量、噪音、功耗等一系列問題，因而必須從機理上對觸摸屏的振動反饋進行研究，以指導觸摸屏系統(tǒng)觸感反饋功能的設計。

2 觸摸屏觸感反饋的振動模型研究

在手機等較小的顯示設備上，振動馬達產生的激勵可驅動設備整體振動產生觸感，觸摸屏及其它部件與設備外殼剛性連接，振動馬達可安裝在設備內任一剛性部件上。然而當設備體積、重量增大時，如在車站購票機、查詢機等非手持設備上，依靠振動馬達驅動設備整體振動并不現(xiàn)實。一種方法是將觸摸屏振動與設備隔離開，這樣可以較小的驅動功率實現(xiàn)觸感的反饋，實現(xiàn)起來也較為容易。上述的觸摸屏振動系統(tǒng)如圖1 所示，觸摸屏由軟墊夾持固定在框體上，振動馬達產生激勵，觸摸屏在振動馬達激勵下進行強迫振動，設備其它部分相對觸摸屏保持靜止。在振動力學理論中，上述觸摸屏振動系統(tǒng)可由整體到部分分離成離散模型和連續(xù)模型［6］兩種振動模型來進行分析。離散模型是由集中參數元件組成的，基本的集中參數元件有三種：質量、彈簧和阻尼器，質量模型只具有慣性，彈簧模型只具有彈性，阻尼器模型既無慣性也無彈性，是一個耗能元件，在有相對運動時產生阻力；連續(xù)模型是由彈性體元件組成的，典型的彈性體元件有桿、梁、軸、板等，彈性體由無數質點組成，各個質點之間可以發(fā)生微小位移。

圖1 觸摸屏振動系統(tǒng)

首先考慮由觸摸屏、軟墊和框體三部分構成的振動系統(tǒng)?？蓪⒂|摸屏簡化為質量，軟墊簡化為彈簧和阻尼。這樣，觸摸屏振動系統(tǒng)可簡化為如圖2 所示的離散模型。

同時，考慮到觸摸屏具有一定彈性，振動時觸摸屏上各點在振動時位移并不始終相同，實際振動時觸摸屏應為如圖3 所示的彈性體薄板。因此，完整的觸摸屏振動系統(tǒng)應是離散模型和連續(xù)模型的結合，觸摸屏既在軟墊夾持整體下上下振動，同時觸摸屏本身也發(fā)生著彈性體振動。然而，同時考慮這兩種模型會使分析過程過于復雜甚至是無法完成的，為了便于研究這一振動系統(tǒng)，本文先對觸摸屏振動系統(tǒng)整體振動情況進行分析，然后再對觸摸屏本身的彈性振動進行研究。

圖2 離散模型

圖3 連續(xù)模型

2.1 觸摸屏振動力學模型

觸摸屏振動的激勵一般由旋轉式偏心馬達產生，偏心馬達與觸摸屏構成的振動系統(tǒng)如圖4 所示，k/2、c/2 分別為一側軟墊的剛度系數和阻尼系數，m為觸摸屏與振動馬達的總質量；m1為振動馬達偏心轉子質量；e為偏心轉子偏心距；ω為轉子轉動角速度。由于觸摸屏的振動主要垂直于觸摸屏，可忽略偏心馬達在其它方向上產生的力，僅考慮垂直于觸摸屏方向的力。此時，其產生的激勵可由下式計算［6］：F=m1eω2sin（ωt）。

對于質量m 有如下微分方程成立：

圖4 偏心馬達振動系統(tǒng)

該方程的通解為：x=Xsin（ωt-ψ）。

2.2 觸摸屏振動模態(tài)仿真分析

電阻式、電容式觸摸屏主要以有機玻璃（PMMA）或塑料（PET）作為基體制作而成，其力學特性主要由基體材料決定，上述材料的力學特性如表1 所示。

如前所述，偏心馬達產生的振動激勵可由下式計算：

表1 材料參數

式中：m1為偏心質量；e為偏心距；ω為轉子角速度。本文采用的振動馬達偏心質量m1=0.2g，偏心距e=1mm。

由之前的分析可知，觸摸屏與軟墊接觸部位振動幅值較小，仿真中可認為觸摸屏四周邊緣固定，對觸摸屏四周與軟墊接觸區(qū)域施加固定邊界條件。首先進行觸摸屏模態(tài)仿真分析，仿真計算所得觸摸屏前4階固有頻率值見表2，相應的振型見圖5。然后，根據前面的偏心馬達激勵公式計算出振動激勵，對觸摸屏進行頻響特性分析，在前4階固有頻率時的振型見圖6。

表2 前4階固有頻率

圖5 觸摸屏前4階振型

圖6 觸摸屏頻響

2.3 觸摸屏振動實驗檢測

為了檢驗理論模型和仿真分析的正確性，對觸摸屏振動情況進行了實驗檢測。分別調整偏心馬達轉速至仿真所得的前4階固有頻率，對觸摸屏幾何中心點振幅進行測量，測得的振幅見表3。對比仿真結果與實驗結果可知，仿真結果基本與實驗結果吻合，在第1階固有頻率上觸摸屏中心點振幅較大；在第2階、第3階固有頻率上，由于最大位移并未分布在中心點，故此時中心點振幅較小；在第4階固有頻率上，中心點振幅最大。

表3 觸摸屏中心點振幅

3 結語

本文首先對觸摸屏振動反饋系統(tǒng)進行了分析，建立觸摸屏整體振動特性理論模型，計算了觸摸屏整體振動幅值。結果說明，觸摸屏整體振動幅值較小，可以認為其四周邊界固定，據此對觸摸屏的振動模態(tài)進行了仿真分析，最后對觸摸屏振動系統(tǒng)進行了實驗檢測?？芍?）本文中觸摸屏振動主要是彈性振動，軟墊對于觸摸屏僅起到夾持固定作用，若要增大觸摸屏整體振動幅度，應按以下進行設計：增大偏心馬達偏心質量m1、增大偏心馬達偏心距e、減小觸摸屏振動系統(tǒng)總質量m 以及降低軟墊固有頻率p 和阻尼比ζ 值。2）在偏心馬達的激勵下，觸摸屏彈性振動最大振幅隨著馬達轉速增加而增大，但振幅的分布并不均勻，這會對觸感的感知造成一定影響，在設計中應綜合考慮觸摸屏振型和最大振幅，選擇合適的偏心馬達轉速。

［1］PHILIPP H.不斷發(fā)展的觸控技術［J］.世界電子元器件，2008（4）：22-26.

［2］吳非.觸摸屏的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.價值工程，2011，30（16）：168.

［3］呂明，呂延.觸摸屏的技術現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢及市場前景［J］.機床電器，2012（3）：4-7.

［4］崔洋，包鋼，王祖溫.虛擬現(xiàn)實技術中力/觸覺反饋的研究現(xiàn)狀［J］.機床與液壓，2008，36（7）：1-4.

［5］吳兆卿，饒培倫.觸覺交互——一種新興的交互技術［J］.人類工效學，2006，12（1）：57-65.

［6］季文美，方同，陳松淇.機械振動［M］.北京：科學出版社，1985：2-6.

［7］沈金平，柳瑞峰.隔振器橡膠材料硬度對其固有頻率影響的研究［J］.機電設備，2001（2）：41-43.

［8］《中國航空材料手冊》編委會.中國航空材料手冊［M］.北京：中國標準出版社，2001：226-227.