CN111367404A - 局部压力触摸及反馈系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种局部压力触摸及反馈系统，其特征在于，包括人机操作界面，所述人机操作界面被划分为至少一个局部区域模块，所述局部区域模块用于独立实现触摸采集操作人员的触摸信号，并独立回馈此操作正确与否。本发明利用局部按压触摸采集技术，局部手感反馈技术，可以支持多种触摸整体面板或屏幕的解决方案，实现良好的用户体验，设计可以采用并行式以解决开发成本和时间，生产可采用积木式拼装，方便快捷。
Description
技术领域
本发明主要涉及电子触摸屏领域，尤其是一种局部压力触摸及反馈系统。
背景技术
近十年以来，消费电子行业或白色家电行业的触摸反馈技术逐渐应用于汽车行业，并且有迅速发展的趋势，整体触摸面板或整体触摸开关可以形成一个完整的面板而没有实体机械按键、操作拨杆、旋钮或操纵杆等，俗称黑面板技术，使控制区域设计非常简洁明了，提高整车的高级感；并且整体设备、整体触摸面板或整体触摸开关会减少整车零部件的数量和简化安装工序。但汽车有方向盘控制区域、门窗控制区域、灯光照明控制区域、行驶控制区域、多媒体控制区域、空调控制区域等，操作需要手指、手、手臂、眼睛、大脑等等密切合作才可以，故传统机械式人机操作设备是通过将这些功能分区以便于操作人员记忆，通过不同的操作方法、形状、接触纹理、操作反馈等等而尽量让操作人员实现盲操作，从而不会因不方便操纵人机界面而分心影响到行驶安全。若仅仅将触摸技术应用于汽车行业，由于人体各个部位都可以产生触摸信号而导致有误触摸人机界面的风险，且操纵人员需要查看触摸按键是否正确的被操作，会增加汽车行驶的安全风险。综上所述，整体面板有优点但也有缺点，目前还没有一套较完善的方案来提供非常好的用户体验。
近三年来汽车市场已有触摸压力液晶屏或整体面板并带有手感和声音的反馈，并且有部分反馈手感相对较好，但因液晶屏一般是规则的矩形形状且其尺寸精度非常高或一些面板形状较简单或面积较小，但此类人机界面都是采用整体设备、整体触摸面板或整体触摸开关进行操作反馈，且此类人机界面对零部件一致性、组装及和周边零部件安装配合等都有极高的要求，故目前仅仅是几个人机界面实施此触摸按压并带有手感反馈技术，并不具有广泛的推广性。以上方法或技术由于受零件尺寸和尺寸公差影响非常大，故仅适用于小尺寸的的整体设备、整体触摸面板或整体触摸开关，且很难模拟出实体机械操纵机构的带来的踏实感，并且在汽车行驶过程中的震动会更加减弱手感的体验，且很难模拟出按键和按键之间的手感反馈差别及模拟不同触感的实体机械按键，声音反馈因汽车周围环境噪音也很难实现清晰的反馈。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，如何设计一套更安全、应用范围更广的触摸屏系统，使得用户体验更为良好。
为了解决以上技术问题，本发明提供一种一种局部压力触摸及反馈系统，其特征在于，包括人机操作界面，所述人机操作界面被划分为至少一个局部区域模块，所述局部区域模块用于独立实现触摸采集操作人员的触摸信号，并独立回馈此操作正确与否；
所述触摸采集包括常规触摸采集和带压力触摸采集，所述常规触摸采集指根据采集操作人员接触操作界面的动作是否需要激发执行操作指令；所述带压力触摸采集指根据采集操作人员接触操作界面的动作与压力信号是否需要激发执行操作指令；
所述回馈包括主动回馈和被动回馈，所述被动回馈是指被操作界面伴随操作人员的所述触摸采集而产生的物理位移、力的改变或声音的改变，从而带来操作人员对是否操作正确的踏实感；所述主动回馈是指在操作人员实现触摸采集操作后，由传感器及微电脑控制器计算并给出执行动作，由执行器或执行设备模拟被动反馈的物理位移、力的改变或声音的改变，从而给操作人员带来是否操作正确的踏实感。
优选地，所述人机操作界面为平面、曲面、凸出面或凹陷面。
优选地，所述常规触摸信号通过电容式传感器、电阻式传感器或电磁式传感器来实现。
优选地，所述按压压力信号通过电容式传感器、电阻式传感器换算出按压压力信号，或通过压力传感器采集压力，或通过被动式反馈的力的改变来实现。
优选地，所述主动反馈中的执行器为振动偏心马达、电磁继电器、电磁线圈和振子、喇叭音圈或压电陶瓷片。
优选地，所述人机操纵界面包括整体面板，所述整体面板的材料为高分子材料PET膜、PC膜、橡胶材料表面、玻璃材料或刚性材料和柔性材料的混合表面。
优选地，所述局部区域模块包括：
触摸区域，用以被激发电容或电阻信号；
表面膜，用于在垂直或平行于触摸区域方向有轻微的位移；
面板，用以在非触摸区域支撑表面膜；
触摸和压力传感器，用以采集操作电容的变化及判定压力操作的数据；
运动传递件，用以传递驱动器的手感反馈或传递按压动作；
驱动器，用以提供振动或力的能量来源；
悬架阻尼器，用以提供驱动器和运动传递件的支撑；
电路板，用以采集触摸和按压的输入，并通过预先设定的程序执行反馈指令；
后盖，用以包裹电路板；
主体，用以安装所述面板、悬架阻尼器、电路板和后盖，并提供运动传递件的运动导向。
优选地，所述驱动器为电子螺线管和硅钢驱动棒。
优选地，所述悬架为橡胶弹性件。
优选地，所述触摸区域包括触摸按键或按键组合，采集操作人员的按压方向为垂直于触摸表面方向，主动手感反馈方向为垂直或平行于触摸表面方向。
优选地，所述触摸区域包括触摸旋钮，采集操作人员的按压方向为垂直于所述触摸旋钮顶部触摸表面方向，主动手感反馈方向为垂直于或者平行于旋钮顶部方向。
优选地，所述触摸区域包括触摸拨杆，采集操作人员的按压方向为垂直于拨杆顶部触摸表面方向，主动手感反馈方向为垂直于或者平行于拨杆顶部方向。
优选地，所述触摸区域包括触摸操纵杆，采集操作人员的按压方向为垂直于操纵杆顶部方向，主动手感反馈方向为垂直或平行于操纵杆顶部方向，或者垂直或平行于操纵杆周边曲面方向。
优选地，所述整体面板为汽车整体面板。
优选地，所述表面膜和面板设置在所述触摸区域的表面，运动传递件设置在所述触摸区域的下方，所述触摸和压力传感器设置在表面膜的下方；所述驱动器有动子的一端固定在所述运动传递部件上，所述驱动器的定子固定在主体或后盖上；所述悬架阻尼器的固定端固定在所述主体和面板上，其另一端被固定在运动传递件上。
附图说明
图1为本发明的局部压力触摸及反馈系统中一较佳实施例的局部触摸区域示意图。
图2A-图2E为本发明的局部压力触摸及反馈系统中不同类型操作设备触摸和压力采集及主动手感反馈的解决方案示意图。
图3本发明的局部压力触摸及反馈系统中另一较佳实施例的局部触摸区域示意图。
图4为本发明的局部压力触摸及反馈系统中一较佳实施例的局部触摸区域的组成框图。
图5本发明的局部压力触摸及反馈系统中一较佳实施例的分解示意图。
图6为本发明的局部压力触摸及反馈系统中一较佳实施例的剖面图。
附图标记说明
11 触摸按键 12 触摸旋钮
13 触摸拨杆 14 操纵杆
15 手写输入平板 21 触摸区域
22 面板 23 触摸和压力传感器
24 表面膜 25 驱动器
26 运动传递件 27 悬架阻尼器
28 后盖 29 电路板
30 主体
具体实施方式
下面结合附图对本发明一较佳实施例做详细说明。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。
本发明专利提供了一种局部压力触摸及反馈技术在汽车整体面板的实现方法。将整体设备、整体触摸面板或整体触摸开关划分为一个或多个局部区域，且可以和传统机械式操纵机构混合实施和应用，一般将这些区域称为功能区域，非功能区域也可称为装饰区域。在局部区域内实现触摸采集或带压力及触摸采集的操作，并有被动或主动回馈此操作操作正确与否的踏实感。其中触摸采集是指仅采集操作人员接触操作界面的动作是否需要激发执行操作指令，带压力及触摸采集是指采集操作人员接触操作界面的动作与压力信号是否需要激发执行操作指令，带压力及触摸采集更具有防止误操作的解决方案。其中被动回馈是指伴随操作人员的触摸和按压操作，被操纵界面有伴随此操作的物理位移、力的改变或声音的改变，从而带来操作人员对是否操作正确的踏实感；主动回馈是指触摸或压力触摸，由传感器及微电脑控制器计算并给出执行动作，由执行器或执行设备模拟被动反馈的物理位移、力的改变或声音的改变，从而给操作人员带来是否操作正确的踏实感。
汽车整体面板是指一块完整无任何物理分割的人机操纵界面，但此人机操纵界面可以是平面、曲面、凸出或凹陷的非规则形状的操作面等等形式，且可以有凹槽或凸台形式的虚拟分割，也可以有美化面板的一些造型、外观、色彩、纹理等等。整体面板可以由一种或多种材料组成，例如高分子材料PET膜、PC膜、橡胶材料表面、玻璃材料、刚性材料和柔性材料的混合表面等等。
“局部”是指将汽车整体设备、整体触摸面板或整体触摸开关划分为一个或多个局部区域，且可以和传统机械式操纵机构混合实施和应用。“局部区域”可以独立的进行触摸或压力的采集，并且可以独立的对操作人员进行主动或被动的反馈。“局部”是此发明专利的主要发明内容之一，是有别于其他技术方案或产品设计，“局部”的设计和产品可以像积木一样，搭建到适合的任何人机操作界面。
“局部区域”可以采集操作人员触摸操作信号或同时采集操作人员触摸及按压压力信号，一般触摸信号可以通过电容式传感器、电阻式传感器或电磁式传感器等等来实现，按压压力信号也可以通过电容式传感器、电阻式传感器换算出按压压力信号或者通过压力传感器采集压力等，按压压力信号也可以通过被动式反馈的力的改变来实现。
“局部区域”手感反馈的实现分为被动式和主动式。被动式是指伴随操作人员的触摸和按压操作，被操纵界面有伴随此操作的物理位移、力的改变或声音的改变，可以通过硅胶按键，微动开关，弹簧机构等等来实现反馈。主动式是控制器采集输入信号并处理和发出主动反馈信号，通过运动传递部件将驱动器的运动传递到操作人员，并可通过扬声器模拟按压声音，实现触摸面板良好的手感和听觉体验，让驾驶员有操作传统机械按键的感觉。其中驱动器可以由振动偏心马达ERM、电磁继电器solenoid、电磁线圈和振子、喇叭音圈voicecoil、压电陶瓷片piezo等等实现。手感反馈可以是垂直于面板表面，也可以平行于面板表面，在一个整体设备、整体触摸面板或整体触摸开关上可以实现不同的手感反馈。
局部被动式反馈可实现操作人员对操作正确的踏实感，提供良好的用户体验度。采用局部主动振动反馈手感的方法，方法上有别于目前汽车产品都是整体面板和整体振动反馈的方案。局部按压触摸技术，能精确的采集用户的操作某项功能的动作，例如按键输入、手势操作、旋转操作、操纵杆推拉操作、文字手写输入等，并能精确采集用户操作的力度，以判断是否是错误操作或者可以在一个操作区域根据不同的力实现不同的操作需求，微电脑控制器根据预先设定的程序，执行在操作区域振动反馈并可以提供声音或显示器信息显示反馈，让操作人员可以确认操作正确与否且可以得到操作正确的踏实感。
如图1所示，触摸区域21可由一个或多个触摸按键组成；触摸区域21可由一个或多个旋钮组成；局部触摸区域可由一个或多个触摸拨杆组成；局部触摸区域可由一个或多个手写触摸板或触摸屏幕；局部触摸区域可由一个或多个触摸操纵杆组成；局部触摸区域还包括其他一切有触摸或带按压的触摸形式；局部操作区域也可以由触摸按键11、触摸旋钮12、触摸手写输入平板15、触摸拨杆13、触摸操纵杆14等混合组成。
如图2所示，不同类型操纵设备，触摸和压力采集及主动手感反馈的解决方案。
图2A为触摸按键或按键组合、手写平板、屏幕方案一，触摸区域如图所示，按压方向为垂直于触摸表面方向，主动手感反馈方向为垂直于触摸表面方向。
图2B为触摸按键或按键组合、手写平板、屏幕方案二，触摸区域如图所示，按压方向为垂直于触摸表面方向，主动手感反馈方向为平行于触摸表面方向。
图2C为触摸旋钮方案，触摸区域如图所示，沿旋钮旋转方向，旋钮顶部也可以具有触摸功能。旋转按压方向为旋钮侧边的直径方向，按压方向为垂直于顶部触摸表面方向，主动手感反馈方向为垂直于或者平行于旋钮顶部方向。
图2D为触摸拨杆方案，触摸区域如图所示，拨杆侧边为触摸区域，拨杆顶部也可以具有触摸功能。侧向为按压方向，按压方向为垂直于顶部触摸表面方向，主动手感反馈方向为垂直于或者平行于拨杆顶部方向。
图2E为触摸操纵杆方案，触摸区域如图所示，操纵杆前后部操纵区域为触摸区域，操纵杆顶部也可以具有触摸功能。垂直于操纵方向为按压方向。主动手感反馈方向为垂直于或者平行于操纵杆顶部方向，也可以为垂直于或者平行于操纵杆周边曲面方向。
图3所示，是其中一种局部触摸区域的外观图，该触摸区域如虚线框所示，由四个触摸按键组成，可以采集操作人员手指触摸并按压x(N)的力，触发按键被激发功能，并可通过整个虚线区域的振动反馈给操作人员的手指，表示已经正确操作该按键。也可以采用滑动的操作方式，连续振动反馈给手指表示一个持续操作的正确输入。
如图4所示，为局部区域模块的侧视图，该局部区域模块包括：触摸区域21、表面膜24、面板22、触摸和压力传感器23、运动传递件26、驱动器25、悬架阻尼器27、主体30、电路板29、后盖28。
触摸区域21可以是电容、电阻等形式的传感器，并可被按压x(N)的力，触发按键被激发功能；触摸区域也可以被按压而采集第二个输入，以保证无误触。
表面膜24是由一种柔性或刚性材料薄膜构成，能够在垂直或平行于触摸区域方向有轻微的位移s，例如0.01mm至2mm，该轻微的位移，通过设计计算并可结合样品标定，得出想要的按压x(N)的力，例如3N至15N。此按压力就可以作为按键触发条件之一而达到防误触的目的。表面膜也可以由橡胶材料表面、玻璃材料、刚性材料和柔性材料的混合表面等等实现。
面板22是一种由高分子塑料的饰板，主要是用于在非触摸区域支撑表面膜的作用，触摸区域一般采用全部或局部镂空以提供按压和振动反馈的空间。
触摸和压力传感器23一般布置在表面膜的下方，运动传递件的上方，中间或下方。触摸技术一般可采用电容式传感器，例如触摸柔性电路板、导电塑料板、导电橡胶片等，主要是采集操作电容的变化，判定是否有操作动作。触摸技术也可以采用电阻式传感器，例如采用柔性电路板、压敏电阻。触摸技术可以采用电磁传感器，霍尔传感器采集磁场的变化。触摸技术还可以采用红外传感器。针对带按压的触摸输入，压力技术主要是提供压力操作的数据以判定，和触摸技术的输入是“与”关系，一并判定是否按键已经被正常激发。压力技术一般可通过电容式传感器实现，膜的轻微变形会提供电容的改变，结合换算的力和电容关系，判定按键是否被按压到触发值。压力技术也可以通过压敏电阻，压力传感器，位移传感器，距离传感器等等。
运动传递件26为可垂直或水平运动的零件，主要是传递驱动器的手感反馈，传递按压等动作。并且是悬架阻尼器的重要连接部件。
驱动器25是振动反馈驱动器件，提供振动或力的能量来源。可以为电子螺线管和硅钢驱动片/棒(solenoid)、线性马达(LRA)、偏心马达(ERM)、压电陶瓷片(Piezo) 等。
悬架阻尼器27主要提供驱动器和运动传递件的支撑，结合重量和悬架的固有特性，提供一定固有频率的震动系统，一般固有频率会接近振动反馈频率以实现共振运动。一般可以由弹簧系统，橡胶弹性件组成。阻尼器一般可结合悬架系统，也可以额外增加一组带阻尼特性的零件，以尽快的消减振动的余震。消减余震也可以通过驱动器实现。
主体30是安装固定面板、悬架阻尼器、电路板和后盖等零部件，并且提供运动传递件的运动导向。
电路板29是控制系统的集成，主要是采集触摸和按压的输入，通过预先设定的程序，执行振动反馈，声音反馈等指令。
后盖28主要是包裹电路板以防止被损坏。
一个触摸区域的设计方式如下。膜和面板被设置在最表面，为可直接操作的区域。运动传递件被放置于每个触摸区域下方，可以单个触摸区域使用一个运动传递部件或者几个触摸区域并联使用一套震动反馈。触摸和压力传感器被设置在膜的下方，可在运动传递部件之上，也可以被放置在运动传递部件中间集成起来或者下方。有动子的驱动器一端固定在运动传递部件上，定子固定在主体或后盖上；整体振动的驱动器会被完全的固定在运动传递件上。悬架阻尼器固定端会被固定在主体和面板上，另外一端会被固定在运动传递件上，这样运动传递件、驱动器、触摸和压力传感器及触摸区域就可以实现区域可以被按压或者被置于运动中。一般主体和后盖会把电路板固定在中间，电路板也可以被放置于主体上方。一个或多个触摸区域就可以组成一个面板系统。
本专利采用一种新型的触摸系统方案设计，可有效的解决精准的触摸输入，即正常操作并且可实现防误触，非常好的主动或被动的触觉反馈、声学反馈等，可以实现不同操作有不同手感或声音的反馈，提供非常准确的操作正确与否的用户体验。
本专利主要采用整体面板表面膜的技术，在一个或多个触摸输入按键表面的下部结构，采用局部可单独动作的方案设计，实现触摸输入区域可采集触摸信号或按压信号，并可被动式反馈手感，或主动式执行有轻微位移驱动器，通过运动传递部件将反馈运动传递到驾驶员操作部位，并通过扬声器发出声音反馈。
利用局部按压触摸采集技术，局部手感反馈技术，可以支持多种触摸整体面板或屏幕的解决方案，实现良好的用户体验，设计可以采用并行式以解决开发成本和时间，生产可采用积木式拼装，方便快捷。且整套方案成本较低，质量较好控制，可以被广泛的应用于汽车人机交互设备。
以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限定本发明。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (15)
1.一种局部压力触摸及反馈系统，其特征在于，包括人机操作界面，所述人机操作界面被划分为至少一个局部区域模块，所述局部区域模块用于独立实现触摸采集操作人员的触摸信号，并独立回馈此操作正确与否；
所述触摸采集包括常规触摸采集和带压力触摸采集，所述常规触摸采集指根据采集操作人员接触操作界面的动作是否需要激发执行操作指令；所述带压力触摸采集指根据采集操作人员接触操作界面的动作与压力信号是否需要激发执行操作指令；
所述回馈包括主动回馈和被动回馈，所述被动回馈是指被操作界面伴随操作人员的所述触摸采集而产生的物理位移、力的改变或声音的改变，从而带来操作人员对是否操作正确的踏实感；所述主动回馈是指在操作人员实现触摸采集操作后，由传感器及微电脑控制器计算并给出执行动作，由执行器或执行设备模拟被动反馈的物理位移、力的改变或声音的改变，从而给操作人员带来是否操作正确的踏实感。
2.如权利要求1所述的局部压力触摸及反馈系统，其特征在于，所述人机操作界面为平面、曲面、凸出面或凹陷面。
3.如权利要求1所述的局部压力触摸及反馈系统，其特征在于，所述常规触摸信号通过电容式传感器、电阻式传感器或电磁式传感器来实现。
4.如权利要求1所述的局部压力触摸及反馈系统，其特征在于，所述按压压力信号通过电容式传感器、电阻式传感器换算出按压压力信号，或通过压力传感器采集压力，或通过被动式反馈的力的改变来实现。
5.如权利要求1所述的局部压力触摸及反馈系统，其特征在于，所述主动反馈中的执行器为振动偏心马达、电磁继电器、电磁线圈和振子、喇叭音圈或压电陶瓷片。
6.如权利要求1所述的局部压力触摸及反馈系统，其特征在于，所述人机操纵界面包括整体面板，所述整体面板的材料为高分子材料PET膜、PC膜、橡胶材料表面、玻璃材料或刚性材料和柔性材料的混合表面。
7.如权利要求1-6中之一所述的局部压力触摸及反馈系统，其特征在于，所述局部区域模块包括：
触摸区域，用以被激发电容或电阻信号；
表面膜，用于在垂直或平行于触摸区域方向有轻微的位移；
面板，用以在非触摸区域支撑表面膜；
触摸和压力传感器，用以采集操作电容的变化及判定压力操作的数据；
运动传递件，用以传递驱动器的手感反馈或传递按压动作；
驱动器，用以提供振动或力的能量来源；
悬架阻尼器，用以提供驱动器和运动传递件的支撑；
电路板，用以采集触摸和按压的输入，并通过预先设定的程序执行反馈指令；
后盖，用以包裹电路板；
主体，用以安装所述面板、悬架阻尼器、电路板和后盖，并提供运动传递件的运动导向。
8.如权利要求7所述的局部压力触摸及反馈系统，其特征在于，所述驱动器为电子螺线管和硅钢驱动棒。
9.如权利要求7所述的局部压力触摸及反馈系统，其特征在于，所述悬架为橡胶弹性件。
10.如权利要求7所述的局部压力触摸及反馈系统，其特征在于，所述触摸区域包括触摸按键或按键组合，采集操作人员的按压方向为垂直于触摸表面方向，主动手感反馈方向为垂直或平行于触摸表面方向。
11.如权利要求7所述的局部压力触摸及反馈系统，其特征在于，所述触摸区域包括触摸旋钮，采集操作人员的按压方向为垂直于所述触摸旋钮顶部触摸表面方向，主动手感反馈方向为垂直于或者平行于旋钮顶部方向。
12.如权利要求7所述的局部压力触摸及反馈系统，其特征在于，所述触摸区域包括触摸拨杆，采集操作人员的按压方向为垂直于拨杆顶部触摸表面方向，主动手感反馈方向为垂直于或者平行于拨杆顶部方向。
13.如权利要求7所述的局部压力触摸及反馈系统，其特征在于，所述触摸区域包括触摸操纵杆，采集操作人员的按压方向为垂直于操纵杆顶部方向，主动手感反馈方向为垂直或平行于操纵杆顶部方向，或者垂直或平行于操纵杆周边曲面方向。
14.如权利要求7所述的局部压力触摸及反馈系统，其特征在于，所述整体面板为汽车整体面板。
15.如权利要求7所述的局部压力触摸及反馈系统，其特征在于，
所述表面膜和面板设置在所述触摸区域的表面，运动传递件设置在所述触摸区域的下方，所述触摸和压力传感器设置在表面膜的下方；所述驱动器有动子的一端固定在所述运动传递部件上，所述驱动器的定子固定在主体或后盖上；所述悬架阻尼器的固定端固定在所述主体和面板上，其另一端被固定在运动传递件上。
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