作為用戶輸入設(shè)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(gè)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(yīng)用而言，還需要克服其他一些問題，如方面的問題、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(fèi)類等所有市場領(lǐng)域的用戶都在不斷追求更好的人機(jī)接口。目前，觸摸接口方面的技術(shù)是觸覺反饋，它可以向用戶提供立即和正確無誤的確認(rèn)。該功能被用來改善用戶性能和滿意度。此外，產(chǎn)品設(shè)計(jì)師通過提供直觀的觸覺提示可以將功能復(fù)雜度降到。本文將討論如何為產(chǎn)品的觸摸接口添加觸覺反饋(觸覺技術(shù))。

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(shù)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(jī)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(fù)荷相當(dāng)小，觸摸輸入技術(shù)事實(shí)上已經(jīng)非常普及，機(jī)電解決方案也都是現(xiàn)成的。

工作原理

對用于觸摸控制的觸覺技術(shù)的通常解釋是，按鍵或開關(guān)的全程動(dòng)作必須完全復(fù)制才有效。但實(shí)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(jié)合適當(dāng)?shù)募铀俣?，人類手指的神?jīng)元可以檢測非常小的運(yùn)動(dòng)。在1.5g以上的加速度條件下，僅有0.1mm的運(yùn)動(dòng)就能被人類感知為確認(rèn)響應(yīng)。

不過，1.5g這個(gè)水平的加速度，還不足以產(chǎn)生的觸覺效果。通過產(chǎn)生一個(gè)加速度和一個(gè)具有較強(qiáng)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(shù)通過電子機(jī)械方式集成進(jìn)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(gòu)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(gè)控制板上，或嵌入到產(chǎn)品的主處理器中，(3)一個(gè)觸覺效果庫，(4)一個(gè)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(gè)的錯(cuò)誤實(shí)現(xiàn)都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)設(shè)計(jì)的失敗。

執(zhí)行機(jī)制

的方法是使用為產(chǎn)生觸覺效果專門設(shè)計(jì)的執(zhí)行器，因?yàn)橹匦赂淖円粋€(gè)通用電機(jī)和螺線管的用途極具挑戰(zhàn)性。為觸覺應(yīng)用設(shè)計(jì)的執(zhí)行器將來自控制器的觸覺信號(hào)轉(zhuǎn)換成特定相圖所描述的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。很明顯，除了提供一個(gè)好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)外，所選的執(zhí)行器需要滿足嚴(yán)格的功率、效率和可靠性指標(biāo)。

在手機(jī)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(jī)(ERM) (照片中所示)和線性諧振執(zhí)行器(LRA)，其中有個(gè)塊狀物在兩個(gè)磁極之間振動(dòng)。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(shí)間關(guān)系。

圖2：A300執(zhí)行器的加速度與時(shí)間關(guān)系。

圖3：A300中加速度與位移的關(guān)系(相圖)。

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

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(yùn)動(dòng)能夠有效地傳遞到用戶的指尖上。

應(yīng)該對所有執(zhí)行器進(jìn)行優(yōu)化，以便在位移很小的同時(shí)能產(chǎn)生較大的力，還要仔細(xì)選擇這些執(zhí)行器來滿足性能和壽命方面的要求。設(shè)計(jì)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(shí)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(jī)常易導(dǎo)致不良的實(shí)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(shí)現(xiàn)得不好，不僅是觸摸接口本身，連整個(gè)系統(tǒng)都會(huì)諧振。在手持設(shè)備中可能問題還不大，但在固定設(shè)備中則不然，過強(qiáng)的諧振所產(chǎn)生的效果不亞于地震，而不再是友好的確認(rèn)指示。如果安裝設(shè)置將接口壓迫到其加速度和位移被抑制在檢測點(diǎn)之外的程度，還會(huì)發(fā)生其他極端的結(jié)果。

執(zhí)行器的正確安裝會(huì)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(gè)底座上，然后進(jìn)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(shí)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(yīng)該 對相關(guān)的執(zhí)行器技術(shù)和理想的相圖進(jìn)行優(yōu)化，這種相圖應(yīng)能正確確認(rèn)用戶的輸入，同時(shí)又不干擾用戶的注意力。提供這樣的響應(yīng)要求選擇一個(gè)具有合適驅(qū)動(dòng)輸出能力和0.25MIPS冗余處理能力的處理器，還要為目標(biāo)執(zhí)行器選用一個(gè)合適的放大器。整個(gè)通信路徑 (從用戶輸入到觸覺響應(yīng)啟動(dòng)) 的應(yīng)該小于30ms。

觸覺效果庫

觸覺效果庫應(yīng)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。的方法是，觸覺開發(fā)系統(tǒng)能夠?yàn)橛脩艚涌谠O(shè)計(jì)師提供一個(gè)方便體驗(yàn)效果的方法，以便他們能從觸覺效果庫中選用的效果。

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(shè)計(jì)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(tái)API以及對定制接口的通信支持。還包括樣本代碼以及一個(gè)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控制方面向用戶提供更加熟悉的、動(dòng)人和滿意的用戶體驗(yàn)。所幸的是，如今觸覺系統(tǒng)在技術(shù)上已經(jīng)成熟，機(jī)電集成也得到了很好地普及。這一新興技術(shù)的關(guān)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(dǎo)方針進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)在觸摸控制感覺以及直覺、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。