如何在触摸屏人机界面设计中集成触觉反馈功能

由于具有操作直观、软件灵活以及节省体积与成本等优点,触摸屏正在逐渐替代键盘。这种转变带来诸多好处,也解决了许多人机界面(HMI)问题,但是由于缺乏用户使用机械按钮所具有的触觉反馈体验,触摸屏也引发了其它一些HMI方面的问题。最简单的解决方案是在触摸屏接口增加触觉反馈功能,从而同时提供触摸屏和键盘的最佳特性。

触摸屏 vs.键盘

目前触摸屏已经侵吞了不少的键盘市场份额。工业市场调研公司Venture Development统计报告显示,2006年触摸屏市场份额在2005年53.8%的基础上增长2.5%,键盘市场则下降3.6%至26.2%。

实际上无需看统计数据也能亲身体验到触摸屏市场的增长。它们无处不在:汽车、娱乐场所、消费类电子、工业控制、医疗设备、移动电话、POS系统以及提供从银行到售票等业务的自助服务亭。

仅对移动电话市场而言,全球调研和咨询公司Strategy Analytics就认为,到2012年将有40%的移动电话会采用某种形式的触觉感应技术,而目前只有3%。包括苹果iPhone在内的许多最新手机产品都使用了价格相当于键盘的大触摸屏。不过,也有不少观察人士认为与键盘相比,触摸屏还存在不便之处,即缺少触觉反馈。由于没有反馈,用户无法感知按键并确定“已完成了该动作”。

在一些应用中,缺乏触觉反馈引起的问题足以阻止机械开关向数字控制转换发展的进程。目前人们对使用触觉感应设备的需求非常强烈,设计人员也需要很好地了解触觉反馈技术给HMI带来的价值。

目前触觉感应技术已在消费类电子产品中引发一场革命,三星公司新推的SCH-W559就是一个很好的例子。但这种手机有别于其它大屏幕产品。SCH-W559所采用的技术能使虚拟屏幕按键具有真实、自然的感觉,并能为用户操作提供直觉确认。

除了能够解决现有触摸屏缺少触觉确认的问题,触觉反馈还有助于解决以下一些HMI问题:

1)在阳光直接照射下,难以看清图形变化；

2)在用户触摸屏幕期间,目标经常模糊不清；

3)当在做其它重要事情时,比如开车或问诊病人,用户不可能一直盯着屏幕看；在周围环境嘈杂或需要安静的环境时,用户也不能依赖声音提示进行确认或指导。

图1:带触觉反馈功能触摸屏的三星SCH-W559。

图2:当用户触摸图形按钮时,触觉反馈系统可根据预编程的触觉效果驱动执行机构。

除了有助于解决这些问题外,一些研究报告指出,HMI中的触觉反馈能够提供重要的功能。它可以提供效率、误码率及用户满意度方面的量化效应。而且将触觉反馈与音视频结合起来还能为这些领域提供额外的优势。

调查发现,大量信息可通过触摸传送,而不仅是简单的提示。事实上,触摸信道可能非常适合于提供特殊类型的信息,例如私有、直接、动态和确认的信息。

触摸可提供支持外围或潜意识通信的高效二级信道,而让其它感觉更好地专注于主要任务。多项研究表明,用户很需要HMI中的触觉反馈功能,因为它有助于提高使用性能,并使用户获得更多可控的感觉。

触觉反馈触摸屏工作原理

触觉反馈技术可以用于便携式或固定设备的触摸屏。不同的产品设计可能采用不同的元件,但基本架构是相同的,都是利用触觉反馈技术对一个或多个执行机构(电机)施加高速控制。在小型设备中,执行机构可能类似于移动电话中使用的小型振动电机。对于大型设备可以采用针对各种触摸屏尺寸和重量优化过的执行机构。

图3: 触觉反馈系统原理框图。

当用户按下某个图形按钮时,触觉反馈系统根据预存的触觉“效果”(振动)驱动执行机构。执行机构的移动可形成图形按钮移动的感觉,从而让用户体验到按下/松开机械按钮那样的感觉。系统还可以用声音和显示变化来同步强化触觉效果,最终形成富有吸引力的多种感觉体验。

通过改变触觉效果的频率、波形、幅度和持续时间可以获得各种响应,从而支持各种HMI性能:

1)图形按钮可模拟人们熟悉的机械按钮的上下键；

2)菜单项目可以通过编程提供光脉冲感应或后座力确认响应；

3)控制电路可根据电机或风扇的速度、音量、光强度或其它参数调节振动幅度；

4)滚屏显示可以在每个项目显示时提供一个脉冲,并提供特殊振动来指示到达第一个或最后一个项目。

集成触觉反馈技术

触觉反馈技术可应用于各种尺寸的触摸屏和数字开关控制面板。该技术已经成功用在许多产品设计中,整个亚洲、欧洲和美国市场上业已售出数百万采用这种技术的设备。

图4:触觉反馈技术可方便地集成进各种产品设计中。

触觉反馈系统架构包括:(1)执行机构,可以是振动电机或更大型的用户定制设计器件；(2)控制软件,可以安装在控制板上,也可以嵌入在产品的主微处理器中；(3)触觉效果库；(4)用于从主程序调用触觉效果的程序接口。

执行机构

需要认真选择执行机构以满足性能和寿命要求。执行机构安装和控制电路的设计也是触觉反馈系统的一部分。为了驱动较大的触摸屏,可以选用两种尺寸的执行机构,经过优化的这两种执行机构只需少量位移就能产生很大的动力。执行机构的类型和数量取决于触摸屏或面板的尺寸、重量和实现方法。执行机构的定位和安装方法非常灵活,因而可将触觉反馈技术集成进各种产品设计中。此外,一些触摸屏可能还需要承载架来实现机械集成。

控制软件

对中/大屏幕系统而言,业界已开发出支持RS-232或USB通信的特殊应用电路板。对于USB通信,可利用USB集线器方便地连接到子系统。如果采用嵌入式方法,还提供了运行时(runtime)可执行程序。

触觉效果库

触觉效果库包含大量丰富的效果,可以清晰地分辨出各种触摸屏控制和不同的功能。触觉反馈系统为设计师提供了非常便利的方法来选择合适的效果,并将它们纳入HMI中。

程序接口

软件集成指南介绍了用流线型API从主程序调用触觉效果的方法。针对某些实现可以用软件开发套件,该套件向设计师提供了多种编程功能,包括Windows ActiveX控制、源代码形式的跨平台API以及用户接口通信支持。系统中还包括将触觉反馈增加进主程序的样例代码和详细的过程描述。带例程的触摸屏演示单元可用来评估触觉反馈技术。

设计具有触觉反馈功能的HMI

在使用带触觉反馈功能的设备时,如果没有感觉到响应,系统不会记录用户的选择。通过为每种功能(如回车、开始、结束)提供独特的触觉提示,触觉反馈可用来改进HMI性能。准确的提示有助于通知用户作出正确的选择,或警告用户没有达到目的。另外,应用程序还允许用户针对特殊功能在多种触觉效果中进行选择,从而实现个性化功能。

触觉反馈技术的应用场合包括以下方面:

1)大型和小型家用设备。尤其对于常用设备,触觉反馈功能可为人们提供熟悉的机械感觉,从而有助于用户适应从传统到现代先进电子控制的转变,并逐步认识到其价值。

2)全球定位/导航系统。通过迅速的触觉提示,用户无需等待可视响应,因而可以减少查看仪器的时间,更多地注意路面状况。

3)遥控。确认型触觉响应可以改进小型按键的可用性,特别是在光线较暗的情况下。此外也可用于替代那些干扰音乐或视频效果的声音提示。

4)医疗诊断设备。在医疗设备中,声音提示可能打扰或令病人不安,而触觉反馈可以提供正确无误的确认信息,从而使护士更专注于病人而不是设备。采用最人性化的触觉感受,触觉反馈可以用来增强自诊断设备的陪护感觉。

5)测试与测量设备。触觉提示可以提高准确性和工作效率,特别是在喧闹的环境中。

6)便携式终端。触摸提供的附加确认有助于用户完成多个任务,更全面地支持便携性所带来的自由移动和各种活动能力,并且也支持更快、更准确的数据输入。

7)自动服务终端和信息站。自动服务过程中的触觉反馈可以向用户提供他们的选择已经被接收、服务正在处理的直观确认。通过提供与用户触摸输入相匹配的响应可以使用户获得更好的控制感觉,从而提高用户的满意度,增加自助服务功能的使用率。

8)游戏设备、媒体播放器、娱乐系统。通过触觉反馈增强交互功能,从而可提供更加有趣、参与度更高的用户体验。

尽管带触觉反馈的触摸屏刚刚开始进入市场,但在改善HMI性能以及向用户提供更直观、更吸引人和更满意的用户体验方面,该产品已经显示出良好的发展前景。

作者:Michael D. Levin

触觉界面产品部副总裁兼总经理

Immersion公司

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