基于機電自動化的教育機交互協(xié)同系統(tǒng)研究

摘要：將新型In cell交互技術(shù)引入到教育一體機系統(tǒng)中，設(shè)計了交互協(xié)作的新型應(yīng)用系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的性能進行了試驗研究和仿真模擬，得到了在人工協(xié)同教學(xué)中高效、健康的交互解決方案。并結(jié)合實際應(yīng)用場景，開發(fā)出高仿真體驗的協(xié)同工具。為了進一步驗證算法的有效性，對產(chǎn)品的核心層進行了相應(yīng)的試驗測試，得到了各關(guān)鍵因子的正相關(guān)點，并定義了相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)，技術(shù)賦能教育，協(xié)同工具輔助教學(xué)減負，讓學(xué)生們享受更美好的課堂，同時也為相關(guān)的研究提供了理論和技術(shù)實踐參考。

關(guān)鍵詞：機電自動化；交互觸控；人工協(xié)同；機器輔助教育效率

一、前言

依照國家教育信息化、數(shù)字化、智慧化的升級戰(zhàn)略，智慧硬件智能化和交互協(xié)作書寫的工具重要性凸顯。由于粉塵對健康的影響，傳統(tǒng)教學(xué)中的粉筆書寫方式已遠不能適應(yīng)如今的教學(xué)場景。而采用新型的數(shù)字化教學(xué)器材，協(xié)同工具輔助教學(xué)的研究，應(yīng)用于實際的教室場景，對于教育效率和教學(xué)質(zhì)量有顯著的提升作用。交互技術(shù)由紅外觸控，電容觸控，In cell 觸控持續(xù)迭代發(fā)展，新型的交互技術(shù)具有高靈敏度，高精準(zhǔn)度，高畫質(zhì)體現(xiàn)的研究特性[1]。

技術(shù)引領(lǐng)創(chuàng)新，本著協(xié)同工具助力教育發(fā)展的觀念，本文設(shè)計了交互協(xié)同教學(xué)系統(tǒng)，并將系統(tǒng)獲得的觸覺、視覺體驗正負反饋，可以分析得到最優(yōu)的解決方案。填補教學(xué)交互智能化的市場空白，提升教師和學(xué)生的教學(xué)產(chǎn)品體驗，為課堂呈現(xiàn)嶄新而多元化的教學(xué)模式。

二、機電自動化的教育機交互協(xié)同系統(tǒng)概述

在教學(xué)交互協(xié)同系統(tǒng)設(shè)計，教學(xué)場景的應(yīng)用研究、關(guān)鍵用戶的系統(tǒng)鏈接比較凸顯，在交互的過程中，由教師—學(xué)生—校園三方連接為一個閉環(huán)系統(tǒng)。

在交互系統(tǒng)中，依照層級架構(gòu)，展開為八個層次：架構(gòu)層、信號層、光學(xué)層、顯示層、交互層、畫質(zhì)層、保護層、體驗層，如圖1所示。八個層級相互關(guān)聯(lián)，層層遞進，鏈接關(guān)系展開為：架構(gòu)層的電源和系統(tǒng)控制主板架構(gòu)，通過信號層將圖像傳輸?shù)奖彻饽＝M，LCM光學(xué)層提供均勻的背光源輸入到Panel的顯示層，得出畫面和圖像的呈現(xiàn)[2]。交互層和顯示層通過新技術(shù)結(jié)合在一起，在圖像層上可投射畫面和交互書寫。為保持產(chǎn)品的可靠和安全性，在表層增加鋼化玻璃的保護層，鋼化玻璃和Panel的結(jié)合，使用新型的全貼合結(jié)構(gòu)，使產(chǎn)品輕薄化和保持圖像的清晰度。以上層層組合，形成整體的交互協(xié)作系統(tǒng)，可呈現(xiàn)圖像和交互書寫。

在交互系統(tǒng)的八個層次中，本文以交互核心層（交互層In cell技術(shù)和全貼合工藝）為中心，鏈接3個正相關(guān)子系統(tǒng)，包含光學(xué)層—背光源，顯示層—高成像度研究，保護層－鋼化玻璃特性，展開深入研究和模擬測試。

三、交互協(xié)作層模型和算法設(shè)計

從觸控技術(shù)的原理和觸摸方式來看，實現(xiàn)觸摸的方式主要有三種：紅外式、外掛電容式、內(nèi)置電容式（即帶觸摸功能的液晶面板）。相對于紅外式和外掛式的電容觸摸屏，In touch模型將顯示層和觸控層結(jié)合在Panel上，通過In cell的植入，如圖2所示，將觸摸面板功能嵌入到液晶像素中的方法，即在顯示層內(nèi)部聯(lián)入電容觸摸功能，形成電容觸摸感應(yīng)+面板集成的新型模型。

通過簡化后的架構(gòu)比對，液晶顯示屏（Liquid Crystal Display，LCD）是指液晶在電壓改變時發(fā)生偏轉(zhuǎn)改變來自背光源發(fā)出光的強度，再透過彩膜層形成彩色圖像的顯示設(shè)備。新型In touch液晶顯示觸摸屏，在此基礎(chǔ)增加了觸控IC，使其具備了觸摸功能，并實現(xiàn)了20個觸摸點的觸摸效果。手指或筆碰觸后，通過觸控IC形成電位差，將電位差產(chǎn)生USB信號傳輸至主板從而達到定位和觸摸效果，如圖3所示。其中實現(xiàn)觸摸功能屏幕的主要構(gòu)成有：偏光片、LC玻璃、取向膜、液晶、彩膜、背光源以及觸控IC。因此，從內(nèi)置電容式組成系統(tǒng)得出，其具備的高集成度、輕薄、成本低、高可靠性，呈現(xiàn)出技術(shù)成果轉(zhuǎn)化的優(yōu)勢[3]。

進一步深入研究觸摸感應(yīng)+面板集成的底層邏輯，對交互層進行優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計主要和觸控感應(yīng)線路的通道技術(shù)有關(guān)，依照通道規(guī)則，感應(yīng)觸控Touch原理 ，建立設(shè)計如下：

方案一：從電容技術(shù)線路原理看，電容屏技術(shù)的特色。

1. 感應(yīng)設(shè)計的走線繞彎，距離遠，因此信號傳輸阻值高，精準(zhǔn)度（3mm）。

2. 響應(yīng)時間慢（10～15ms）。

3. 觸摸通道數(shù)216條。

方案二：從In cell技術(shù)線路原理看。

1. 感應(yīng)設(shè)計直線通道，精準(zhǔn)度高（1mm），是傳統(tǒng)的3倍數(shù)。

2. 響應(yīng)快（8ms），提升20%～53%。

3. 觸摸通道數(shù)936條，提升4倍。

兩者數(shù)據(jù)比對來看，In cell在精準(zhǔn)度和響應(yīng)時間具有絕對優(yōu)勢。

由此可以解出新型交互系統(tǒng)組合輸入后，得到最小距離傳輸通道，最大最密集的通道數(shù)。 輸出的形態(tài)和數(shù)據(jù)效能轉(zhuǎn)換為8ms的快速響應(yīng)速度，進一步呈現(xiàn)觸控精良的效果。

四、交互協(xié)作層，全貼合工藝的測試實驗研究

屏幕的生產(chǎn)工藝，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)由保護玻璃+觸控層+顯示層，三層疊合組成，形成5～7mm的貼合厚度。本文研究的方案，結(jié)合In cell技術(shù)，直接在顯示屏內(nèi)部嵌入觸摸傳感器，利用1次貼合工序，形成0空氣層，得到“0”貼合輕薄設(shè)計，相比框貼變薄80%，相比全貼變薄60%，同時隔絕灰塵水汽，具備更高可靠性和打造出更薄機身，因此得到絕佳的In cell智慧屏[4]，如圖4所示。得力于全貼合技術(shù)，教學(xué)操作書寫可一氣呵成，解決了傳統(tǒng)紅外屏與傳統(tǒng)電容屏存在的書寫不流暢的問題。

為了驗證本文設(shè)計的模型和算法有效性和可靠性，對系統(tǒng)進行實驗和計算機數(shù)值仿真模擬，仿真試驗由圖片/視頻為載體，反射率為算法，增加Touch 功能后，畫質(zhì)呈現(xiàn)的PQ效果清晰度水準(zhǔn)顯著提升[5]，反射率由9.4%下降為6.7%，如圖5所示。

進一步，用觸控書寫進行仿真模擬，如圖6所示，通過檢測新模型的體驗，觸摸反應(yīng)速度隨著間隙的縮短，更加迅捷流暢。

五、保護層的交互設(shè)計，鋼化玻璃對感應(yīng)穿透算法技術(shù)研究

觸摸感應(yīng)的直觀體現(xiàn)在手指或筆為載體的體驗，為了將成果進行量化比對，并客觀衡量增加保護層后的性能特性，將試驗轉(zhuǎn)為算法邏輯，設(shè)計了感應(yīng)算法，如圖7所示。

公式釋義：

ε0 = dielectric constant of free space

εr = dielectric permittivity

A = area

D = distance from finger to electrode

air εr = 1 / water εr = 80

圖7表示對機電系統(tǒng)機組觸控感應(yīng)效果的計算方式，為進一步驗證在此機組疊加鋼化玻璃后的性能反應(yīng)，以及驗證本文設(shè)計的檢測模型和算法的有效性，本文對交互系統(tǒng)中的保護層進行故障診斷[6]，診斷的試驗載體為鋼化玻璃，其關(guān)鍵特性為玻璃厚度，分別設(shè)置為1.85t，3.0t，2.0t，通過計算得到了故障診斷的數(shù)據(jù)分布表。

由模擬測試，得出鋼化玻璃的厚度在1.85t，OCR thickness 700um時，參數(shù)設(shè)定為最佳方案，將此方案導(dǎo)入到產(chǎn)品的交互系統(tǒng)，定義為關(guān)鍵參數(shù)。

六、結(jié)語

本文依據(jù)目標(biāo)優(yōu)化的技術(shù)方法，建立了交互系統(tǒng)架構(gòu)模型和優(yōu)化算法，并設(shè)計了基于機電自動化的教育機交互協(xié)同系統(tǒng)研究。對交互協(xié)同系統(tǒng)的性能進行了實驗和計算機仿真，得到了高感應(yīng)速度觸控性能，高流暢度書寫體驗，高清晰度的畫面成像。對保護層的交互設(shè)計研究及觸摸感應(yīng)穿透算法的研究，結(jié)合試驗驗證，產(chǎn)出高性能需求的關(guān)鍵參數(shù)定義，以及輕薄化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形態(tài)數(shù)據(jù)。將實驗和計算機仿真模擬得到的數(shù)據(jù)和交互系統(tǒng)正常工作時的數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品性能得到大幅地提升。數(shù)據(jù)進一步轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品解決方案，并連接成一個完整的閉環(huán)體系，用于提升教學(xué)場景的效率和信息化體驗感。交互協(xié)作系統(tǒng)，結(jié)合軟件的應(yīng)用新型探索，為系統(tǒng)的拓展和多元化未來教育，提供一定的研究基礎(chǔ)。

參考文獻

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[4]孫紅彪，段青鵬，趙乃輝.從全貼合技術(shù)發(fā)展分析觸控面板市場發(fā)展趨勢[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2013，42（6）：45-49.

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