CN110703952A - 一种基于双马达装置的法向虚拟按键渲染方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双马达装置的法向虚拟按键渲染方法，属于触摸屏技术领域。包括，获取用户手指与触摸屏交互时的位置；分别计算马达到该位置的距离和在该位置处产生反馈时的驱动时间差；获取用户手指与触摸屏交互过程中的接触面积，并初始化最大接触面积；根据接触面积计算用户施加的力；根据施加的力计算驱动信号的持续时间和电压以及两个脉冲之间的时间间隔；根据上述步骤在交互位置处生成虚拟按键并产生振动反馈。本发明优点是使用户在硬质触摸屏上感受到按下去的感觉，而且可以根据所要模拟物理按键的不同有不一样的反馈，增强人机交互体验，在减少视觉参与的同时不降低交互效率。

Description

一种基于双马达装置的法向虚拟按键渲染方法

技术领域

本发明涉及触摸屏技术领域，尤其涉及一种基于双马达装置的法向虚拟按键渲染方法。

背景技术

触摸屏因其具有易操作性、直观性、和灵活性等优点，已经成为各种移动通信设备的主要交互界面。随着触摸屏的发展，为了扩大触摸屏的交互区域，提供更好的交互效果，物理按键已经被虚拟按键所取代。然而与物理按键相比，虚拟按键缺少真实感触觉反馈，这就导致在交互过程中必须有视觉的参与，无法进行盲触。

目前对于触摸屏虚拟按键触觉反馈的研究主要集中在使其具有点击的感觉，或者是给予一定的振动反馈；还有是更改触摸屏上虚拟按键的产生方式以及触摸屏上虚拟按键的硬件结构以给予用户更好的用户体验或者是提升触摸屏的性能。而对按钮按下的整个过程，虚拟按键的真实感渲染，以及法向上触觉反馈的研究较少。因此，开发出具有真实感的虚拟按键触觉反馈渲染方法是十分必要的。

目前已经有了一些构建触摸屏上虚拟按键的方法。

2013年中国专利CN103620542B中公开了一种基于触摸屏的物理按键模拟方法及装置，它首先获取屏幕与手指交互时的接触面积，根据接触面积的不同与设定好的面积阈值进行对比，以判断当前接触面积下的触摸类型对应的物理按键事件。2015年中国专利CN204605364U中公开了一种基于玻璃电容式触摸屏上3D按键的涂层结构，它是利用该涂层的结构特性在按键区域形成3D立体效果，以增加按键的视觉效应。

2015年中国专利CN104850256A中公开了一种提供电子设备的触摸屏上的虚拟按键的物理存在的装置，它是利用该装置的双层结构，当要产生按钮时，被映射至屏幕上按钮位置的相应x和y坐标是膨胀的，借助该装置顶层小的透明的柱状物的矩阵使按钮位置处体积改变，使显示器的表面变得凸起，从而产生触摸的感觉。2017年中国专利107122088A中公开了一种3D按键触摸屏以及电子设备，通过感受3D按键处的不同压力来驱动触控执行单元执行不同的指令，产生不同的振动反馈，并且当操作者使用手指触摸3D按键触摸屏时，由于其本身的属性，3D按键表面为浮雕结构，从而可以感受到垂直位置的触摸信息。

2015年中国专利CN204615800U中公开了一种触摸式按键，它是通过更改按键图案连接的电极走线以及与驱动芯片的连接方式，从而提升触摸及显示效果。2017年中国专利CN106953628A中公开了一种新型触摸屏按键设计方法，它是通过改变触摸屏盖板底部实现按键对应图案的导电走线，从而提升按键触控性能，提高按键触控的灵敏度。

通过上述分析，现有可以产生具有类似真实物理按键感觉的虚拟按键方法非常少，大部分只是简单的给予一些振动反馈或者视觉反馈，而且缺乏对法向上触觉反馈的模拟和渲染，并且需要更改触摸屏或者按键区的硬件结构。目前已有的大部分电子设备触摸屏虚拟按键方法，强调虚拟按键与物理按键或者具体事件的对应，缺乏对按键感觉本身的模拟，还需研究基于按键的触觉反馈渲染方法，用该渲染方法来模拟按键，从而使虚拟按键具有更真实的触觉反馈。

发明内容

本发明提供一种基于双马达装置的法向虚拟按键渲染方法，使用户在与虚拟按键区交互时可以感觉到与物理按键类似的按下去的感觉，并且根据所选物理按键参数的不同，可以感知多种物理按键的振动触觉反馈。

本发明采取的技术方案是，包括以下步骤：

(1)获取用户手指与触摸屏交互时的位置；

(2)分别计算马达到该位置的距离d_a,d_b和在该位置处产生反馈时的驱动时间差t_m；

(3)获取用户手指与触摸屏交互过程中的接触面积S，并初始化最大接触面积为S_max；

(4)根据接触面积S计算用户施加的力F；

(5)根据施加的力F计算驱动信号的持续时间t_p和电压v_an,v_bn以及两个脉冲之间的时间间隔t_n；

(6)根据上述步骤在交互位置处生成虚拟按键并产生振动反馈。

本发明所述步骤(2)的计算方法如下：

<1>根据步骤(1)获取到的用户与触摸屏交互时的位置信息，分别确定马达到该位置的距离d_a,d_b；

<2>根据距离信息用下述公式计算马达的驱动时间差t_m；

d_a,d_b：马达a和马达b到手指与触摸屏交互位置的距离；

v_wave：振动波传播的速度；

t_m：马达a和马达b的驱动时间差。

本发明所述步骤(3)中在用户初次与触摸屏交互时，感应触摸屏上的触摸动作，获取用户常用手指在操作过程中的最大接触面积，将其初始化为S_max。

本发明所述步骤(4)的计算方法如下：

<1>手指与触摸屏的接触面积为0时，对应最小力F_min，手指与触摸屏的接触面积为S_max时，对应最大力F_max，按此映射关系，手指与触摸屏的接触面积和使物理按键弹簧产生形变X所需的力成比例映射，计算不同接触面积时用户所施加的力，映射关系为：

S:手指与触摸屏交互时的接触面积；

S_max:手指与触摸屏交互时的最大接触面积；

F:手指与触摸屏交互时施加的力；

F_max:当物理按键的弹簧产生最大形变量时所需的力；

F_min:当物理按键的弹簧即将产生形变量时所需的力。

本发明所述步骤(5)的计算方法如下：

<1>将所要模拟物理按键的力-形变量曲线进行划分，分别为平滑段，跳跃段，触底段三部分，

<2>根据F-F_friction＝K_∞*Z，对应力-形变量曲线图，确定各部分驱动信号组成，使驱动信号产生的合力F_friction与用户施加的力F尽可能相等；

F:手指与触摸屏交互时施加的力；

F_friction:驱动信号产生的合力；

K_∞:虚拟按键弹簧的劲度系数；

Z:虚拟按键产生的位移。

<3>根据步骤<2>，计算不同马达驱动信号的参数，包括输入信号持续时间t_p，输入信号振幅v_an,v_bn,第(n-1)个电压输入的下降沿与第n个电压输入上升沿之间的时间差t_n。驱动信号由以下公式计算。

u:单位阶跃函数；

v_an,v_bn：分别为马达a和马达b第n个方波脉冲的幅度；

t_p:一个脉冲输入的持续时间；

t_n:第(n-1)个电压输入的下降沿与第n个电压输入上升沿之间的时间差。

本发明根据上述步骤计算得到驱动信号所需的参数，在交互位置处生成虚拟按键，并由该驱动信号提供触觉反馈。即当马达振动产生法向上向下的运动感觉，而实际虚拟按键产生的位移Z为0时，给用户一种真实物理按钮按下的感觉。

本发明的优点在于：

1、不更改触摸屏本身的硬件结构，无需借助可穿戴设备，仅依靠触摸屏本身的性能特点，借助多个马达即可实现虚拟按键法向上的触觉反馈；

2、模拟效果一定程度上取决于所选定物理按键的参数，因此可在一种设备上对不同的物理按键进行模拟；

3、借助多个马达，可在按键区的任意位置实现触觉反馈；

4、对物理按键按下过程的力-形变量曲线进行分段模拟，提高了真实感，使用户在硬质平面屏幕上也可以有按下去的感觉，不仅增强了人机交互体验，还可以进行盲触，解放了一部分的视觉参与。

附图说明

图1是本发明提供的所模拟物理按键弹簧的力-形变量曲线划分示意图；

图2是力-形变量曲线图平滑段部分对应的驱动信号示意图；

图3是力-形变量曲线图跳跃段部分对应的驱动信号示意图；

图4是力-形变量曲线图触底段部分对应的驱动信号示意图；

图5a是双马达装置的示意图；

图5b是双马达装置的俯视图；

图6是双马达装置驱动电路的结构框图；

图7是本发明渲染方法框图；

图8是实例当中要模拟物理按键的力-形变量曲线图；

图9是多个马达在特定位置合成驱动信号的原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、特征和优点更加明显易懂，下面通过附图和实例来进行详细说明。

图5a、图5b为双马达装置的示意图，该装置包含:两个马达[101]和[102]，该马达可以为线性谐振器，压电陶瓷马达等,两个马达之间的按键区[103]，手机[302]和手机触摸屏[104]，以及驱动电路[301]。

图6为双马达装置驱动电路的结构框图，包括调用手机触摸屏交互位置模块[401]，核心控制模块[402],振动源驱动模块[403],以及振动驱动信号[404]；驱动电路通过获取手机触摸屏的位置信息来计算驱动信号所需的参数，并根据该参数生成驱动信号，从而在交互位置处产生虚拟按键并提供振动反馈。

当用户手指触摸按键区[103]时，会获取用户手指在按键区的位置信息，根据此位置信息，计算两个马达[101]和[102]到该位置的距离d_a,和d_b，从而计算两个马达的驱动时间差t_m，根据用户在交互过程中手指的接触面积S，并参考所要模拟物理按键的弹簧参数和力-形变量曲线图，图1，计算用户在按下过程中施加的力F，和驱动信号参数，包括输入信号持续时间t_p，输入信号振幅v_an,v_bn,第(n-1)个电压输入的下降沿与第n个电压输入上升沿之间的时间差t_n。最终在触摸屏表面按键区的任意位置实现振动反馈。

图9为多个马达在特定位置合成驱动信号的原理示意图，该图分别展示了在手机触摸屏按键区[103]的最左侧，中间，以及最右侧产生振动反馈的原理示意图。由于两个马达[101]和[102]到产生反馈位置处的距离不同，所以相同传播速度时，马达产生的振动波到达反馈位置处的时间不同，根据这个原理，计算两个马达的驱动时间差，从而实现在任意位置处实现振动反馈。图5和图9均为示意图，都使用了两个马达，还可在此装置的基础上增加马达的数量或者改变马达的摆放位置，相应改变的只有按键区域的分布，其他参数基本计算原理保持不变。

图1为所模拟物理按键弹簧的力-形变量曲线划分示意图，根据按下按键整个过程的特点，将其划分，并根据F-F_friction＝K_∞*Z选择不同的驱动信号波形进行分段模拟。图2,图3,图4分别为模拟三部分的驱动波形，其电压幅度以最大值分别为0.15V，0.3V，0.3V逐次递减。图2和图3每个电压脉冲的持续时间为3ms，图4每个电压脉冲的持续时间为2.5ms。

图7为一种基于双马达装置的法向虚拟按键渲染方法框图；

包括下列步骤：

步骤[201]：获取用户手指与触摸屏交互时的位置；

步骤[202]：分别计算马达到该位置的距离d_a,d_b和在该位置处产生反馈时的驱动时间差t_m；

步骤[203]：获取用户手指与触摸屏交互过程中的接触面积S，并初始化最大接触面积为S_max；

步骤[204]：根据接触面积计算用户施加的力F；

步骤[205]：根据施加的力计算驱动信号的持续时间t_p和电压v_an,v_bn以及两个脉冲之间的时间间隔t_n；

步骤[206]：根据上述步骤在交互位置处生成虚拟按键并产生振动反馈。

步骤[202]的计算方式如下：

<1>根据步骤[201]获取到的用户与触摸屏交互时的位置信息，分别确定马达到该位置的距离d_a,d_b；

<2>根据距离信息用下述公式计算马达的驱动时间差t_m；

d_a,d_b：马达a和马达b到手指与触摸屏交互位置的距离；

v_wave：振动波传播的速度；

t_m：马达a和马达b的驱动时间差。

步骤[203]中在用户初次与触摸屏交互时，感应触摸屏上的触摸动作，获取用户常用手指在操作过程中的最大接触面积，将其初始化为S_max。

步骤[204]的计算方式如下：

<1>手指与触摸屏的接触面积为0时，对应最小力F_min，手指与触摸屏的接触面积为S_max时，对应最大力F_max，按此映射关系，手指与触摸屏的接触面积和使物理按键弹簧产生形变X所需的力成比例映射，计算不同接触面积时用户所施加的力。映射关系为：

S:手指与触摸屏交互时的接触面积；

S_max:手指与触摸屏交互时的最大接触面积；

F:手指与触摸屏交互时施加的力；

F_max:当物理按键的弹簧产生最大形变量时所需的力；

F_min:当物理按键的弹簧即将产生形变量时所需的力。

步骤[205]的计算方式如下：

<1>将所要模拟物理按键的力-形变量曲线进行划分，分别为平滑段，跳跃段，触底段三部分，如图1；

<2>根据F-F_friction＝K_∞*Z，对应力-形变量曲线图，确定各部分驱动信号组成，使驱动信号产生的合力F_friction与用户施加的力F尽可能相等；

F:手指与触摸屏交互时施加的力；

F_friction:驱动信号产生的合力；

K_∞:虚拟按键弹簧的劲度系数；

Z:虚拟按键产生的位移。

<3>根据步骤<2>，计算不同马达驱动信号的参数，包括输入信号持续时间t_p，输入信号振幅v_an,v_bn,第(n-1)个电压输入的下降沿与第n个电压输入上升沿之间的时间差t_n。驱动信号由以下公式计算。

u:单位阶跃函数；

v_an,v_bn：分别为马达a和马达b第n个方波脉冲的幅度；

t_p:一个脉冲输入的持续时间；

t_n:第(n-1)个电压输入的下降沿与第n个电压输入上升沿之间的时间差。

最后，根据上述步骤计算得到的参数驱动马达[101]和[102]，在按键区[103]交互位置处生成虚拟按键，并提供触觉反馈。并且可根据所选物理按键参数的不同，在该装置上实现不同物理按键的法向振动反馈。

下面结合具体实例对本发明作进一步说明：

该实例用两个线性谐振器马达实现，分别放在手机的顶部和底部，在两个马达中间形成按键区，如图5所示。该实例只是简单示例说明，实际操作中可以增加马达数量，更改马达摆放位置，以形成对应的按键区，基本原理不变。

要模拟的物理按键为CHERRY MX Board 5.0的BLUE SWITCH Click pressurepoint，对应的最大力F_max为60cN，最小力F_min为20cN，如图8。

当手指与触摸屏交互的位置恰好为屏幕正中间时，步骤[203]计算用户常用手指最大接触面积为4.7cm²，手指与触摸屏的接触面积约为3.5cm²。根据步骤[204]计算此时施加的力约为45cN，且根据步骤[202]和[205]计算以及图1和图8所示的力-形变量曲线划分图当中的参数，判断出此时手指与触摸屏的接触面积对应的力恰好为平滑段。即此时要在交互位置处产生如图2所示的波形，则根据上述方法，利用以下公式计算。

u:单位阶跃函数；

v_an,v_bn：分别为马达a和马达b第n个方波脉冲的幅度；

t_p:一个脉冲输入的持续时间；

t_n:第(n-1)个电压输入的下降沿与第n个电压输入上升沿之间的时间差；

d_a,d_b：马达a和马达b到手指与触摸屏交互位置的距离；

v_wave：振动波传播的速度；

t_m：马达a和马达b的驱动时间差；

S:手指与触摸屏交互时的接触面积；

F:手指与触摸屏交互时施加的力；

F_max:当物理按键的弹簧产生最大形变量时所需的力；

F_min:当物理按键的弹簧即将产生形变量时所需的力。

此时n＝6，幅度V_an＝V_bn，V₁(t)和V₂(t)产生如图2所示的波形，每一个方波脉冲的电压依次分别为0.15V,-0.125V,0.1V,-0.75V,0.5V,-0.25V，tp＝tn＝3ms，时间差tm＝0。

十二个实验者分别触摸真实物理按键即CHERRY MX Board 5.0的BLUE SWITCHClick pressure poin和由以上数据产生的驱动信号形成的带有振动触觉反馈的虚拟按键，每人进行三次触摸实验后，以相似度或真实感为评价标准，在1-10分之间进行主观打分。得到的平均值和标准偏差分别为8.58和0.76，由此数据证明该渲染方法可以很好地模拟虚拟按键。

Claims (5)

1.一种基于双马达装置的法向虚拟按键渲染方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)获取用户手指与触摸屏交互时的位置；

(2)分别计算马达到该位置的距离d_a,d_b和在该位置处产生反馈时的驱动时间差t_m；

(3)获取用户手指与触摸屏交互过程中的接触面积S，并初始化最大接触面积为S_max；

(4)根据接触面积S计算用户施加的力F；

(5)根据施加的力F计算驱动信号的持续时间t_p和电压v_an,v_bn以及两个脉冲之间的时间间隔t_n；

(6)根据上述步骤在交互位置处生成虚拟按键并产生振动反馈。

2.根据权利要求1所述的一种基于双马达装置的法向虚拟按键渲染方法，其特征在于，所述步骤(2)的计算方法如下：

<1>根据步骤(1)获取到的用户与触摸屏交互时的位置信息，分别确定马达到该位置的距离d_a,d_b；

<2>根据距离信息用下述公式计算马达的驱动时间差t_m；

d_a,d_b：马达a和马达b到手指与触摸屏交互位置的距离；

v_wave：振动波传播的速度；

t_m：马达a和马达b的驱动时间差。

3.根据权利要求1所述的一种基于双马达装置的法向虚拟按键渲染方法，其特征在于，所述步骤(3)中在用户初次与触摸屏交互时，感应触摸屏上的触摸动作，获取用户常用手指在操作过程中的最大接触面积，将其初始化为S_max。

4.根据权利要求1所述的一种基于双马达装置的法向虚拟按键渲染方法，其特征在于，所述步骤(4)的计算方法如下：

<1>手指与触摸屏的接触面积为0时，对应最小力F_min，手指与触摸屏的接触面积为S_max时，对应最大力F_max，按此映射关系，手指与触摸屏的接触面积和使物理按键弹簧产生形变X所需的力成比例映射，计算不同接触面积时用户所施加的力，映射关系为：

S:手指与触摸屏交互时的接触面积；

S_max:手指与触摸屏交互时的最大接触面积；

F:手指与触摸屏交互时施加的力；

F_max:当物理按键的弹簧产生最大形变量时所需的力；

F_min:当物理按键的弹簧即将产生形变量时所需的力。

5.根据权利要求1所述的一种基于双马达装置的法向虚拟按键渲染方法，其特征在于，所述步骤(5)的计算方法如下：

<1>将所要模拟物理按键的力-形变量曲线进行划分，分别为平滑段，跳跃段，触底段三部分，

<2>根据F-F_friction＝K_∞*Z，对应力-形变量曲线图，确定各部分驱动信号组成，使驱动信号产生的合力F_friction与用户施加的力F尽可能相等；

F:手指与触摸屏交互时施加的力；

F_friction:驱动信号产生的合力；

K_∞:虚拟按键弹簧的劲度系数；

Z:虚拟按键产生的位移；

<3>根据步骤<2>，计算不同马达驱动信号的参数，包括输入信号持续时间t_p，输入信号振幅v_an,v_bn,第(n-1)个电压输入的下降沿与第n个电压输入上升沿之间的时间差t_n，驱动信号由以下公式计算；

u:单位阶跃函数；

v_an,v_bn：分别为马达a和马达b第n个方波脉冲的幅度；

t_p:一个脉冲输入的持续时间；

t_n:第(n-1)个电压输入的下降沿与第n个电压输入上升沿之间的时间差。

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