触摸屏触感振动反馈设计研究

周尧，张丰华，杨林，姜红明，李晓明

（西安航空计算技术研究所，西安 710119）

1 触摸屏应用现状

作为一种全新的人机交互技术，触摸屏已广泛应用于工业、医疗、通信、娱乐、教育等领域。利用触摸屏技术，用户只需在显示屏上进行点击，就能进行各种操作，从而使人机交互更为直接和便捷。2009 年全球触摸屏的出货量已经达到6.07 亿片，相比2008 年上涨了44%，2009 年全球触摸屏市场的年收入为43 亿美元，预计到2016 年将达到140 亿美元。可见触摸屏未来的发展前景十分诱人［1-2］。目前，市场上大量使用的触摸屏以电阻式和电容式触摸屏居多，此外还有红外式、声波式和光学式等形式的触摸屏［3］。

触摸屏大量应用于电子设备后，触觉感受作为提升用户体验的有效途径，也逐渐引起了研究者的关注。触感反馈（Haptics）是指用户在对设备进行触摸操作时，设备针对触摸操作给出的能让人体感知的反馈［4-5］。目前手机、平板电脑等电子设备主要使用偏心转子马达产生振动效果，以满足触摸操作的触感反馈。然而当设备体积、重量增大时，一般振动马达产生的振动效果难以使操作者明显感知，而功率高、体积大的振动马达又会带来重量、噪音、功耗等一系列问题，因而必须从机理上对触摸屏的振动反馈进行研究，以指导触摸屏系统触感反馈功能的设计。

2 触摸屏触感反馈的振动模型研究

在手机等较小的显示设备上，振动马达产生的激励可驱动设备整体振动产生触感，触摸屏及其它部件与设备外壳刚性连接，振动马达可安装在设备内任一刚性部件上。然而当设备体积、重量增大时，如在车站购票机、查询机等非手持设备上，依靠振动马达驱动设备整体振动并不现实。一种方法是将触摸屏振动与设备隔离开，这样可以较小的驱动功率实现触感的反馈，实现起来也较为容易。上述的触摸屏振动系统如图1 所示，触摸屏由软垫夹持固定在框体上，振动马达产生激励，触摸屏在振动马达激励下进行强迫振动，设备其它部分相对触摸屏保持静止。在振动力学理论中，上述触摸屏振动系统可由整体到部分分离成离散模型和连续模型［6］两种振动模型来进行分析。离散模型是由集中参数元件组成的，基本的集中参数元件有三种：质量、弹簧和阻尼器，质量模型只具有惯性，弹簧模型只具有弹性，阻尼器模型既无惯性也无弹性，是一个耗能元件，在有相对运动时产生阻力；连续模型是由弹性体元件组成的，典型的弹性体元件有杆、梁、轴、板等，弹性体由无数质点组成，各个质点之间可以发生微小位移。

图1 触摸屏振动系统

首先考虑由触摸屏、软垫和框体三部分构成的振动系统。可将触摸屏简化为质量，软垫简化为弹簧和阻尼。这样，触摸屏振动系统可简化为如图2 所示的离散模型。

同时，考虑到触摸屏具有一定弹性，振动时触摸屏上各点在振动时位移并不始终相同，实际振动时触摸屏应为如图3 所示的弹性体薄板。因此，完整的触摸屏振动系统应是离散模型和连续模型的结合，触摸屏既在软垫夹持整体下上下振动，同时触摸屏本身也发生着弹性体振动。然而，同时考虑这两种模型会使分析过程过于复杂甚至是无法完成的，为了便于研究这一振动系统，本文先对触摸屏振动系统整体振动情况进行分析，然后再对触摸屏本身的弹性振动进行研究。

图2 离散模型

图3 连续模型

2.1 触摸屏振动力学模型

触摸屏振动的激励一般由旋转式偏心马达产生，偏心马达与触摸屏构成的振动系统如图4 所示，k/2、c/2 分别为一侧软垫的刚度系数和阻尼系数，m为触摸屏与振动马达的总质量；m1为振动马达偏心转子质量；e为偏心转子偏心距；ω为转子转动角速度。由于触摸屏的振动主要垂直于触摸屏，可忽略偏心马达在其它方向上产生的力，仅考虑垂直于触摸屏方向的力。此时，其产生的激励可由下式计算［6］：F=m1eω2sin（ωt）。

对于质量m 有如下微分方程成立：

图4 偏心马达振动系统

该方程的通解为：x=Xsin（ωt-ψ）。

2.2 触摸屏振动模态仿真分析

电阻式、电容式触摸屏主要以有机玻璃（PMMA）或塑料（PET）作为基体制作而成，其力学特性主要由基体材料决定，上述材料的力学特性如表1 所示。

如前所述，偏心马达产生的振动激励可由下式计算：

表1 材料参数

式中：m1为偏心质量；e为偏心距；ω为转子角速度。本文采用的振动马达偏心质量m1=0.2g，偏心距e=1mm。

由之前的分析可知，触摸屏与软垫接触部位振动幅值较小，仿真中可认为触摸屏四周边缘固定，对触摸屏四周与软垫接触区域施加固定边界条件。首先进行触摸屏模态仿真分析，仿真计算所得触摸屏前4阶固有频率值见表2，相应的振型见图5。然后，根据前面的偏心马达激励公式计算出振动激励，对触摸屏进行频响特性分析，在前4阶固有频率时的振型见图6。

表2 前4阶固有频率

图5 触摸屏前4阶振型

图6 触摸屏频响

2.3 触摸屏振动实验检测

为了检验理论模型和仿真分析的正确性，对触摸屏振动情况进行了实验检测。分别调整偏心马达转速至仿真所得的前4阶固有频率，对触摸屏几何中心点振幅进行测量，测得的振幅见表3。对比仿真结果与实验结果可知，仿真结果基本与实验结果吻合，在第1阶固有频率上触摸屏中心点振幅较大；在第2阶、第3阶固有频率上，由于最大位移并未分布在中心点，故此时中心点振幅较小；在第4阶固有频率上，中心点振幅最大。

表3 触摸屏中心点振幅

3 结语

本文首先对触摸屏振动反馈系统进行了分析，建立触摸屏整体振动特性理论模型，计算了触摸屏整体振动幅值。结果说明，触摸屏整体振动幅值较小，可以认为其四周边界固定，据此对触摸屏的振动模态进行了仿真分析，最后对触摸屏振动系统进行了实验检测。可知：1）本文中触摸屏振动主要是弹性振动，软垫对于触摸屏仅起到夹持固定作用，若要增大触摸屏整体振动幅度，应按以下进行设计：增大偏心马达偏心质量m1、增大偏心马达偏心距e、减小触摸屏振动系统总质量m 以及降低软垫固有频率p 和阻尼比ζ 值。2）在偏心马达的激励下，触摸屏弹性振动最大振幅随着马达转速增加而增大，但振幅的分布并不均匀，这会对触感的感知造成一定影响，在设计中应综合考虑触摸屏振型和最大振幅，选择合适的偏心马达转速。

［1］PHILIPP H.不断发展的触控技术［J］.世界电子元器件，2008（4）：22-26.

［2］吴非.触摸屏的现状及发展趋势［J］.价值工程，2011，30（16）：168.

［3］吕明，吕延.触摸屏的技术现状、发展趋势及市场前景［J］.机床电器，2012（3）：4-7.

［4］崔洋，包钢，王祖温.虚拟现实技术中力/触觉反馈的研究现状［J］.机床与液压，2008，36（7）：1-4.

［5］吴兆卿，饶培伦.触觉交互——一种新兴的交互技术［J］.人类工效学，2006，12（1）：57-65.

［6］季文美，方同，陈松淇.机械振动［M］.北京：科学出版社，1985：2-6.

［7］沈金平，柳瑞峰.隔振器橡胶材料硬度对其固有频率影响的研究［J］.机电设备，2001（2）：41-43.

［8］《中国航空材料手册》编委会.中国航空材料手册［M］.北京：中国标准出版社，2001：226-227.