基于机电自动化的教育机交互协同系统研究

摘要：将新型In cell交互技术引入到教育一体机系统中，设计了交互协作的新型应用系统，并对系统的性能进行了试验研究和仿真模拟，得到了在人工协同教学中高效、健康的交互解决方案。并结合实际应用场景，开发出高仿真体验的协同工具。为了进一步验证算法的有效性，对产品的核心层进行了相应的试验测试，得到了各关键因子的正相关点，并定义了相关的关键参数，技术赋能教育，协同工具辅助教学减负，让学生们享受更美好的课堂，同时也为相关的研究提供了理论和技术实践参考。

关键词：机电自动化；交互触控；人工协同；机器辅助教育效率

一、前言

依照国家教育信息化、数字化、智慧化的升级战略，智慧硬件智能化和交互协作书写的工具重要性凸显。由于粉尘对健康的影响，传统教学中的粉笔书写方式已远不能适应如今的教学场景。而采用新型的数字化教学器材，协同工具辅助教学的研究，应用于实际的教室场景，对于教育效率和教学质量有显著的提升作用。交互技术由红外触控，电容触控，In cell 触控持续迭代发展，新型的交互技术具有高灵敏度，高精准度，高画质体现的研究特性[1]。

技术引领创新，本着协同工具助力教育发展的观念，本文设计了交互协同教学系统，并将系统获得的触觉、视觉体验正负反馈，可以分析得到最优的解决方案。填补教学交互智能化的市场空白，提升教师和学生的教学产品体验，为课堂呈现崭新而多元化的教学模式。

二、机电自动化的教育机交互协同系统概述

在教学交互协同系统设计，教学场景的应用研究、关键用户的系统链接比较凸显，在交互的过程中，由教师—学生—校园三方连接为一个闭环系统。

在交互系统中，依照层级架构，展开为八个层次：架构层、信号层、光学层、显示层、交互层、画质层、保护层、体验层，如图1所示。八个层级相互关联，层层递进，链接关系展开为：架构层的电源和系统控制主板架构，通过信号层将图像传输到背光模组，LCM光学层提供均匀的背光源输入到Panel的显示层，得出画面和图像的呈现[2]。交互层和显示层通过新技术结合在一起，在图像层上可投射画面和交互书写。为保持产品的可靠和安全性，在表层增加钢化玻璃的保护层，钢化玻璃和Panel的结合，使用新型的全贴合结构，使产品轻薄化和保持图像的清晰度。以上层层组合，形成整体的交互协作系统，可呈现图像和交互书写。

在交互系统的八个层次中，本文以交互核心层（交互层In cell技术和全贴合工艺）为中心，链接3个正相关子系统，包含光学层—背光源，显示层—高成像度研究，保护层－钢化玻璃特性，展开深入研究和模拟测试。

三、交互协作层模型和算法设计

从触控技术的原理和触摸方式来看，实现触摸的方式主要有三种：红外式、外挂电容式、内置电容式（即带触摸功能的液晶面板）。相对于红外式和外挂式的电容触摸屏，In touch模型将显示层和触控层结合在Panel上，通过In cell的植入，如图2所示，将触摸面板功能嵌入到液晶像素中的方法，即在显示层内部联入电容触摸功能，形成电容触摸感应+面板集成的新型模型。

通过简化后的架构比对，液晶显示屏（Liquid Crystal Display，LCD）是指液晶在电压改变时发生偏转改变来自背光源发出光的强度，再透过彩膜层形成彩色图像的显示设备。新型In touch液晶显示触摸屏，在此基础增加了触控IC，使其具备了触摸功能，并实现了20个触摸点的触摸效果。手指或笔碰触后，通过触控IC形成电位差，将电位差产生USB信号传输至主板从而达到定位和触摸效果，如图3所示。其中实现触摸功能屏幕的主要构成有：偏光片、LC玻璃、取向膜、液晶、彩膜、背光源以及触控IC。因此，从内置电容式组成系统得出，其具备的高集成度、轻薄、成本低、高可靠性，呈现出技术成果转化的优势[3]。

进一步深入研究触摸感应+面板集成的底层逻辑，对交互层进行优化设计，设计主要和触控感应线路的通道技术有关，依照通道规则，感应触控Touch原理 ，建立设计如下：

方案一：从电容技术线路原理看，电容屏技术的特色。

1. 感应设计的走线绕弯，距离远，因此信号传输阻值高，精准度（3mm）。

2. 响应时间慢（10～15ms）。

3. 触摸通道数216条。

方案二：从In cell技术线路原理看。

1. 感应设计直线通道，精准度高（1mm），是传统的3倍数。

2. 响应快（8ms），提升20%～53%。

3. 触摸通道数936条，提升4倍。

两者数据比对来看，In cell在精准度和响应时间具有绝对优势。

由此可以解出新型交互系统组合输入后，得到最小距离传输通道，最大最密集的通道数。 输出的形态和数据效能转换为8ms的快速响应速度，进一步呈现触控精良的效果。

四、交互协作层，全贴合工艺的测试实验研究

屏幕的生产工艺，传统的结构由保护玻璃+触控层+显示层，三层叠合组成，形成5～7mm的贴合厚度。本文研究的方案，结合In cell技术，直接在显示屏内部嵌入触摸传感器，利用1次贴合工序，形成0空气层，得到“0”贴合轻薄设计，相比框贴变薄80%，相比全贴变薄60%，同时隔绝灰尘水汽，具备更高可靠性和打造出更薄机身，因此得到绝佳的In cell智慧屏[4]，如图4所示。得力于全贴合技术，教学操作书写可一气呵成，解决了传统红外屏与传统电容屏存在的书写不流畅的问题。

为了验证本文设计的模型和算法有效性和可靠性，对系统进行实验和计算机数值仿真模拟，仿真试验由图片/视频为载体，反射率为算法，增加Touch 功能后，画质呈现的PQ效果清晰度水准显著提升[5]，反射率由9.4%下降为6.7%，如图5所示。

进一步，用触控书写进行仿真模拟，如图6所示，通过检测新模型的体验，触摸反应速度随着间隙的缩短，更加迅捷流畅。

五、保护层的交互设计，钢化玻璃对感应穿透算法技术研究

触摸感应的直观体现在手指或笔为载体的体验，为了将成果进行量化比对，并客观衡量增加保护层后的性能特性，将试验转为算法逻辑，设计了感应算法，如图7所示。

公式释义：

ε0 = dielectric constant of free space

εr = dielectric permittivity

A = area

D = distance from finger to electrode

air εr = 1 / water εr = 80

图7表示对机电系统机组触控感应效果的计算方式，为进一步验证在此机组叠加钢化玻璃后的性能反应，以及验证本文设计的检测模型和算法的有效性，本文对交互系统中的保护层进行故障诊断[6]，诊断的试验载体为钢化玻璃，其关键特性为玻璃厚度，分别设置为1.85t，3.0t，2.0t，通过计算得到了故障诊断的数据分布表。

由模拟测试，得出钢化玻璃的厚度在1.85t，OCR thickness 700um时，参数设定为最佳方案，将此方案导入到产品的交互系统，定义为关键参数。

六、结语

本文依据目标优化的技术方法，建立了交互系统架构模型和优化算法，并设计了基于机电自动化的教育机交互协同系统研究。对交互协同系统的性能进行了实验和计算机仿真，得到了高感应速度触控性能，高流畅度书写体验，高清晰度的画面成像。对保护层的交互设计研究及触摸感应穿透算法的研究，结合试验验证，产出高性能需求的关键参数定义，以及轻薄化的产品结构形态数据。将实验和计算机仿真模拟得到的数据和交互系统正常工作时的数据进行对比，发现产品性能得到大幅地提升。数据进一步转化为产品解决方案，并连接成一个完整的闭环体系，用于提升教学场景的效率和信息化体验感。交互协作系统，结合软件的应用新型探索，为系统的拓展和多元化未来教育，提供一定的研究基础。

参考文献

[1]张逸. 液晶屏LOCA全贴合工艺及改善[D].苏州：苏州大学，2013.

[2]张立. 电容式柔性触控系统的研究与实现[D].广州：广东工业大学，2015.

[3]康龙.基于机电自动化的电视机音响振动系统研究[J].现代工业经济和信息化，2016，6（11）：55-58.

[4]孙红彪，段青鹏，赵乃辉.从全贴合技术发展分析触控面板市场发展趋势[J].电子工业专用设备，2013，42（6）：45-49.

[5]戴自立.IN-CELL触控技术专利分析[J].科技展望，2016，26（23）：148.

[6]田磊，靳果，于晓楠.基于计算机辅助测试的电视机故障排除智能系统研究[J].现代工业经济和信息化，2016，6（13）：103-104.