浅析触摸屏手机系统中的触觉反馈设计

第７卷第１期　

２０１２年３月　贵阳学院学报（自然科学版）　（季刊）　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＧＵＩＹＡＮＧ　ＣＯＵ压ＧＥ　Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ（Ｑｕａｒｔｅｒｌｙ）　Ｖ０１．７　Ｎｏ．１　

Ｍａｌ＂．２０１１　

浅析触摸屏手机系统中的触觉反馈设计　

王　硕　

（漳州职业技术学院电子工程系，福建漳州３６３０００）　

摘要：随着触摸屏手机备受人们的青睐，触摸技术带来的问题也日益凸显。其中，触觉反馈技术成为触摸　屏设计的关键技术之一。如何提高触觉反馈技术成为难题。本文从三个方面介绍触觉响应的的设计，为提高　触觉反馈设计提供可能。同时也使得音频、视频及触觉一体化，可使用户体验触摸环境的乐趣。　

关键词：触摸屏；触觉反馈；压电驱动　中图分类号：ＴＮ９２９．５３６　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７３－６１２５（２０１２）０１－００３０—０４　

Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｏｕｃｈ　ｓｃｒｅｅｎ　ｍｏｂｉｌｅ　ｐｈｏｎｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｈａｐｔｉｃ　Ｆｅｅｄｂａｃｋ　Ｄｅｓｉｇｎ　

ＷＡＮＧ　Ｓｈｕｏ　

（Ｚｈａｎｇｚｈｏｕ　ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈａｎｇｚｈｏｕ　３６３０００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｔｏｕｃｈ　ｓｃｒｅｅｎ　ｍｏｂｉｌｅ　ｐｈｏｎｅ　ｇｅｔｓ　ｔｈｅ　ｆａｖｏｕｒ　ｏｆ　ｐｅｏｐｌｅ，Ｔｏｕｃｈ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｂｒｉｎｇｓ　ｔｈｅ　ｑｕｅｓｔｉｏｎ　ｈｉｇｈｌｉｇｈｔｓ　ｄａｙ　ｂｙ　ｄａｙ．Ｉｎ　ｗｈｉｃｈ，Ｔａｃｔｉｌｅ　ｆｅｅｄｂａｃｋ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｈａｓ　ｂｅｃｏｍｅ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｏｕｃｈ　ｓｃｒｅｅｎ．Ｈｏｗ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｔａｃｔｉｌｅ　ｆｅｅｄｂａｃｋ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｂｅｃｏｍｅｓ　ａ　ｐｒｏｂｌｅｍ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｆｒｏｍ　ｔｈｒｅｅ　ａｓｐｅｃｔｓ　ｔｏ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ　ａ　ｈａｐｔｉｃ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｄｅｓｉｇｎ，Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍａｙ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｔａｃｔｉｌｅ　ｆｅｅｄｂａｃｋ．Ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ　ａｌｓｏ　ｍａｋｅｓ　ｔｈｅ　ａｕｄｉｏ，ｖｉｄｅｏ　ａｎｄ　ｔａｃｔｉｌｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，Ａｌｌｏｗｓ　ｔｈｅ　ｕｓｅｒ　ｔｏ　ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ　ｔｏｕｃｈ　ｆｕｎｎｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｔｏｕｃｈ　ｓｃｒｅｅｎ；Ｔａｃｔｉｌｅ　ｆｅｅｄｂａｃｋ；Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｄｒｉｖｅ　

１　前言　

随着触摸屏技术的迅速发展，触摸屏手机正逐　

渐成为手机市场的主流产品，因其具有操作简单方　

便、坚固耐用、交流灵活等特点，正日益取代机械按　

键方式。但这种触摸技术也存在一定的问题，其中　

最为典型的弊端就是触觉反馈会出现延迟，响应速　

度慢等。而实时响应是触摸屏手机最基本的需求，　

这就引发了人们对触摸屏手机的触觉反馈速度的　

质疑，进而增大机械触感带给用户终端的安全感。　

近年来，要求良好的触觉反馈系统，成为触摸屏手　

机设计的最为关键的技术之一。本文提出三种具　

有实用性的触摸屏手机的触觉反馈技术的设计方　案，更好地改善了触摸屏手机的触觉反馈速度，减　

少延迟时间，提高响应速度，实时性更为理想。　

２触觉反馈工作原理　

２．１触觉反馈的发展现状　

目前，随着触觉反馈技术的不断更新，以往触　

觉反馈技术的弊端日益凸显。这主要是由于触觉　

反馈技术控制执行系统不完善、触摸屏材料选取不　

合适等因素引起的。解决触摸屏手机触觉反馈问　

题迫在眉睫，目前这类系统问题正在蔓延，由小面　

积迅速扩展到大面积的触觉反馈。当然，这种触摸　

屏手机触摸技术也有一定的优势，如在嘈杂的环境　

下触觉反馈功能便捷，不仅有提高效率、降低误码　

率及用户的量化效应；而且通过触摸所传输的信息　

收稿日期：２０１２—０１—１１　作者简介：王硕（１９７７一），女，吉林农安县人，漳州职业技术学院讲师，硕士，主要从事电子信息研究。　

一

３０—　量大大增加，更适合于动态、直接、私密等信息的确　

认等。特别是将音频、视频和触觉响应结合到一起　

时，触摸技术显得更为优越。同时，使用者对触觉　

反馈实时性要求越来越高，需要更为理想的可控　

性。所以本文提出三种方案不仅可满足使用者的　

可控性的要求，而且还能提高触摸屏手机的触觉反　

馈性能。…　

２．２触觉反馈工作原理　

当今，触觉反馈技术广泛应用于触摸屏手机、　

主ＣＰＵ　电脑和银行系统中。不管是哪类系统，尽管它们采　

用的元器件不同，但基本结构是相同的。都是采用　

触觉反馈技术控制一个或多个执行组织，使其高速　

运转，而这个执行组织就是机械式电机。在触摸屏　

手机中，执行组织就是微型的振动电机。即当使用　

者触摸某个按键时，触觉反馈系统根据预存触觉响　

应效果去激活执行组织。执行组织还可利用感应　

移动、声效变换等来提高触觉反馈效果。下面就是　

典型触觉反馈原理，如图１所示。［２　Ｊ　

主应用程序（映射）　主应用程序（地址簿）　

Ｍａｉｎ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ（ＯＲＭ）　Ｍａｉｎ　ＡｐｐＨｃａｔｉｏｎ（ＷＡＢ）　

ｌ　Ｉ　，　，　

触觉感应移ｚＤＪ（Ｔｏｕ￣ＭｏｄｎＯ　触觉感应　

—＿—●　编程接口（ＡＰＩ）　桥接软件　

Ｉ　ｌ　（ＴｏｕｃｈＢｒｉｄｇｅ　

共享存储　效果库　Ｓｏｆｔｗａｒｅ）　

（ＳｈａｒｅｄＳｔｏｒａｇｅ）　（ＥｆｆｅｃｔｓＬｉｂｒａｒｙ）　

ｌ　ｌ　触觉感应　

执行软件　触觉感应内核　ＣｒｏｕｃｈＥｘｅｃｕｔｉｏｎ　（ＴｏｕｃｈＣｏ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ）　ｌ　，　

脉宽调制（ＰＷＭ）　

数字输出寄存器　触觉感应执行机构　振动执；　（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｏｕｔｐｕｔ　Ｒｅｇｉｓｔｅｒｓ）　驱动电路　ＯＴｉｂｒａｔｉｃ　

球宽调制（　Ｍ）　（Ｔｏｕｃｈ　Ｅｘｅｃｕｔｉｏｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｑ　

ｒ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ）　芋输出方ｆ句　ｇｉｔａ１　Ｏｕｔｐｕｔ　Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）　

图１触觉反馈原理　

Ｆｉｇｕｒｅ　１　Ｔａｃｔｉｌｅ　ｆｅｅｄｂａｃｋ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　根据上述触觉反馈系统原理图，不难看出，触　

觉反馈技术包括四个方面，各个部分设计如下：　

２．２．１执行组织　

为了使触觉反馈效果良好，若改变电机达到这　

个目的非常困难，所以通常需设计专用的执行器将　

其触觉信号转换成特定图像形成的机械运动路线，　

从而达到满足用户动态响应的需求。在触摸屏手　

机中，小屏幕采用带有ＥＭＲ（旋转电机）的线性执　

行器，大屏幕的采用带触摸接口的大执行器。触摸　

屏手机中的执行器的好坏直接影响到触觉反馈效　机构　

Ｅｘ￣ｕｔｉｏｎ　

）　

果。　２．２．２控制系统　控制系统包括触觉感应桥接软件和线性电路。　

其功能利用相应的软件和ＲＣ线性电路对触摸屏　

手机中的执行器进行适当控制，其中所选软件和　

ＲＣ电路通过指令控制执行器的工作，同时也可处　

理外界输入的触碰。另外，控制指令还可优化执行　

技术及其图形图像，在不分散使用者的注意力的情　

况下，能准确判断出用户输入。若想达到上述反馈　

要求，只需配备合适的驱动器，冗余的处理器和适　

一３１—

　当的放大器即可，这就会使触觉反馈延时非常的　

短。［。　

２．２．３效果库　

触觉效果库主要作用是帮助用户分清多种触　

摸屏控制的感应。若想把繁多的功能区分开来，就　

必须设计出多种多样的效果，这就要求触觉开发系　

统为用户提供多功能接口，以便用户从效果库中选　

择。　

２．２．４主应用程序接口　

编程接口利用ＡＰＩ（编程接口）从主应用程序　

接口部分调用触觉效果，以便进一步集成软件。目　

前，新型的编程接口可提供良好触觉效果，但触觉　

反馈还不太理想。所以现在最为关键的是如何改　

善触觉响应，集成执行器。所以本文介绍几种可提　

供触觉反馈的设计方案。　

由此可见，触觉感应内部的效果库，通过效果　

库里图形设置可提供给使用者机械按钮的触感效　

果；触觉感应执行软件，利用程序控制触摸屏手机　

菜单光脉冲感应或力感应的响应；这个软件可安插　

在控制面板上或主处理器上；触觉感应执行组织，　

这是触觉反馈系统硬件部分，触觉感应执行机构通　

过驱动电路，控制振动幅度大小、速度快慢、音量大　

小及光强度的强弱等参数；触觉效果编程接口Ｍ　

与主应用程序匹配，触摸屏手机中的滚动屏幕通过　

脉冲激励来显示其内部的每个菜单，其中起止菜单　

通过特殊振动进行提示。这四个部分不能有任何　

一个出现错误，否则整个触觉反馈设计就无法实　

现。　

３触觉反馈设计方案　

３．１建立触摸屏手机触觉系统模型　

设计一个高度集成的触摸屏手机触觉系统模　

型，就必须从使用者角度出发，设计的产品整体应　

该操作简单方便，转换效果好，响应速度快，音频、　

视频及触摸感觉结合完美。所以设计触觉系统时，　

首先考虑系统确认反馈功能，即触碰时间的长短、　

触碰的手指的姿势，都直接决定响应的速度快慢；　

其次图形转换功能，包括图形转换效果，图形放大　

和缩小等；再次，屏幕滚动的速度影响到用户的目　

标定位、新窗口大小调整及起止信息碰撞等；最后，　

触碰菜单进行滚动屏幕、打开文件、浏览翻页等快　

速移动，触碰就会激励其内部动画效果，则触碰和　

动画动作步调一致。　

手指触碰触摸屏手机屏幕时，手机键盘系统内　

置的电机在外压力的作用下产生振动，通过其执行　部件确定触碰位置，通过控制器和驱动电路迅速做　

出响应，并利用响应的软件优化执行结果，以保障　

触觉反馈的质量。具体模型如图２所示。　

图２构造触摸屏手机触觉系统模块　Ｆｉｇ．２　Ｔｅｃｔｏｎｉｃ　ｔｏｕｃｈ　ｓｃｒｅｅｎ　ｐｈｏｎｅ　ｔｏｕｃｈ　ｓｙｓｔｅｍ　ｍｏｄｕｌｅ　

３．２触觉反馈设计　

３．２．１　电流感应　

本设计利用触摸屏幕与手机外壳之间设置特　

殊薄膜，触碰瞬间通过特殊薄膜改变电场强度或变　

动周期，从而满足使用者的触控感觉及响应速度。　

这种特殊薄膜实际上通过手机触摸屏借助电流感　

应，产生了力反馈。这种力反馈产生的响应就像触　

静电和指尖滑过软软的沙纸一样。本设计很好地　

解决了手机触碰屏幕拖拉控制难及响应速度慢等　

问题。设计结构如图３所示。　

ｔｈｅ　蟪ｔ＾ｎｆ　ｏｆ　Ｓｕｒｆａｃｅ　ａｎｄ　

图３通过电流感应实现触感　Ｆｉｇ．３　Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｅｘｔｕｒｅ　本方案是从触摸屏幕设计来改善反馈技术　

的。但仅此还不够，还要对信息传输方式进行处