王松濱

（1．中航華東光電有限公司，安徽 蕪湖 241002；2．國(guó)家企業(yè)技術(shù)中心，安徽 蕪湖 241002）

0 引言

隨著觸控屏技術(shù)和人機(jī)交互方式的進(jìn)步，當(dāng)人手指作為觸摸標(biāo)記的感應(yīng)式輸入時(shí)，其接觸屏幕上的圖形應(yīng)用，屏幕上的觸覺(jué)反饋系統(tǒng)可以根據(jù)預(yù)先開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序驅(qū)動(dòng)各種連接設(shè)備，從而取代機(jī)械式按鍵導(dǎo)光面板輸入，并借助顯示畫(huà)面響應(yīng)預(yù)設(shè)的交互功能，進(jìn)而提高觸控靈敏度和準(zhǔn)確度，使人機(jī)交互采用觸控方式逐漸廣泛地應(yīng)用到各種機(jī)載顯示器設(shè)備上。為了保證觸控顯示器在觸控時(shí)反饋平面位置坐標(biāo)的精準(zhǔn)度評(píng)價(jià)的客觀性，需要提出一種自動(dòng)化水平較高的觸控精準(zhǔn)度測(cè)試系統(tǒng)，用觸控仿真、量化計(jì)算的方式對(duì)人機(jī)交互方式觸控顯示器產(chǎn)品觸控精準(zhǔn)度進(jìn)行有效評(píng)估。

1 觸控精準(zhǔn)度測(cè)試系統(tǒng)

目的：測(cè)試觸摸傳感器和模塊相對(duì)其目標(biāo)位置報(bào)告觸摸位置的接近程度（偏差量）。

原理：利用機(jī)械臂系統(tǒng)的物理平面坐標(biāo)精度去評(píng)價(jià)觸摸顯示器觸摸位置的偏差量。

機(jī)械臂系統(tǒng)搭載直徑合適的觸摸探頭（模擬人的手指觸摸面積，例如?5、?6、?7和?8等）。測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)跨越整個(gè)觸控區(qū)域并沿X，Y方向均勻分布，示例如圖1所示。

在圖1中，P（m，n）為平均擬合測(cè)試點(diǎn)（X、Y方向上分別擬合的坐標(biāo)數(shù)量點(diǎn)，每個(gè)擬合點(diǎn)觸控測(cè)試采集不少于5次）。

擬合網(wǎng)格坐標(biāo)計(jì)算如公式（1）[2]所示。

式中：d為水平和垂直方向平均擬合測(cè)試點(diǎn)的均勻間距。Xbest、Ybest是通過(guò)距離的導(dǎo)數(shù)等于0等到的，如公式（2）[2]所示。

對(duì)每個(gè)目標(biāo)網(wǎng)格點(diǎn)（i，j）來(lái)說(shuō)，通過(guò)上、下提升觸控探頭來(lái)收集P次觸摸得到的報(bào)告，以觸摸坐標(biāo)。定義目標(biāo)坐標(biāo)和平均報(bào)告坐標(biāo)的距離為精準(zhǔn)度，示例如圖2所示。

在圖2中，P（m，n）i，j為觸摸探頭在某個(gè)P（i，j）目標(biāo)網(wǎng)點(diǎn)，點(diǎn)擊P點(diǎn)K次（5次）分別得到K次坐標(biāo)1、2、3、4和5，根據(jù)公式（3）計(jì)算得到平均報(bào)告坐標(biāo)

目標(biāo)坐標(biāo)與平均報(bào)告坐標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)偏差的最大值為評(píng)估觸控顯示器的精度，如公式（4）所示。

式中：i、j和k為目標(biāo)點(diǎn)位（i，j）報(bào)告的第k個(gè)數(shù)據(jù)；P為目標(biāo)點(diǎn)報(bào)告的數(shù)目（1、2、3、4和5）；為測(cè)試點(diǎn)平均報(bào)告坐標(biāo)；Acci,j為目標(biāo)坐標(biāo)與平均報(bào)告坐標(biāo)的偏差距離。

觸控精度測(cè)試系統(tǒng)框架圖如圖3所示。

機(jī)械機(jī)構(gòu)的工作原理如下：機(jī)械臂和可放置觸摸傳感器的平臺(tái)如圖4所示，機(jī)械臂和平臺(tái)是可以調(diào)整的，以保證觸控探頭可以在觸摸屏上任意移動(dòng)。

在測(cè)試中，有3種定位關(guān)系，即目標(biāo)坐標(biāo)、實(shí)際坐標(biāo)和報(bào)告坐標(biāo)。目標(biāo)坐標(biāo)是在觸控屏表面參考固定基準(zhǔn)下擬合平面坐標(biāo)系上的測(cè)試點(diǎn)坐標(biāo)。實(shí)際坐標(biāo)是參考同樣固定基準(zhǔn)下測(cè)試中觸摸的實(shí)際位置，由于觸控探頭的安放誤差，因此其與目標(biāo)坐標(biāo)有差別。報(bào)告坐標(biāo)是觸摸控制器報(bào)告的坐標(biāo)位置。

測(cè)試時(shí)應(yīng)將待測(cè)觸摸屏放置在平臺(tái)上并連接到電氣接口，選定相應(yīng)直徑的觸控探頭連接到機(jī)械臂上，然后標(biāo)定觸摸屏和測(cè)試平臺(tái)的坐標(biāo)位置，以消除因基準(zhǔn)坐標(biāo)漂移而導(dǎo)致實(shí)際觸摸點(diǎn)位與目標(biāo)點(diǎn)位之間的偏差。

該系統(tǒng)由3個(gè)模塊（機(jī)械臂、觸控探頭、觸摸測(cè)試控制系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)測(cè)試和評(píng)價(jià)觸控顯示器產(chǎn)品的觸控精度的功能。

1.1 機(jī)械臂模塊

主機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口RJ45連接機(jī)械臂控制器運(yùn)動(dòng)[3]。

硬件：機(jī)械臂（ER3B-C10）是由機(jī)械本體組成的，機(jī)械本體由底座部分、大臂、小臂部分以及手腕部件等6 個(gè)部件組成?？刂莆灰凭葹?.1 mm，角度精度為0.1°。機(jī)械臂加載觸控探頭方式如圖5所示。

坐標(biāo)系統(tǒng)管理：為了保證機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確度，引入坐標(biāo)系統(tǒng)控制，該坐標(biāo)系可以確定觸控探頭和觸控顯示器的觸控坐標(biāo)位置。

控制設(shè)計(jì)：利用Delphi開(kāi)發(fā)工具在機(jī)械臂控制器中預(yù)設(shè)被觸控屏上擬合預(yù)觸控測(cè)試的網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)（水平方向和垂直方向各i、j個(gè)點(diǎn)）[4]；通過(guò)RJ45網(wǎng)口Modbus數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)械臂控制器作為客戶端（TCP Server），利用TclientSocket組件[5]控制發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，即主機(jī)控制模塊發(fā)送目標(biāo)運(yùn)動(dòng)命令，機(jī)械臂被驅(qū)動(dòng)后將數(shù)據(jù)反饋給主機(jī)，主機(jī)將數(shù)據(jù)解析成為坐標(biāo)數(shù)據(jù)并被記錄、計(jì)算。

1.2 觸控探頭

觸控探頭用來(lái)仿真手指點(diǎn)擊觸控顯示器表面，機(jī)械臂將實(shí)時(shí)的觸摸頭坐標(biāo)數(shù)據(jù)反饋給測(cè)試系統(tǒng)。

觸控探頭分為伸縮支架和觸摸頭（定位機(jī)構(gòu)控制精度為±0.1 mm，角度精度為±0.1 °），如圖6所示。

1.3 觸摸測(cè)試控制系統(tǒng)

觸控測(cè)試系統(tǒng)主要包括主控工控機(jī)箱（IPC-610MB-30LDE）、主板（AIMB-701G2-CTA1）、256 G固態(tài)硬盤(pán)、CPU（I5-2400）、8 G內(nèi)存、2路RJ45網(wǎng)口、用于觸控反饋收集的RS232和RS422串行、64位Windows 7操作系統(tǒng)以及Delphi開(kāi)發(fā)軟件等，控制流程如圖7所示。

主控測(cè)試軟件具備以下功能：1）校準(zhǔn)模塊。使觸控測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試范圍與觸控屏的報(bào)告坐標(biāo)范圍相匹配。2）機(jī)械臂控制模塊。觸控測(cè)試系統(tǒng)將根據(jù)被測(cè)試的觸控顯示器的面板尺寸擬合測(cè)試控制坐標(biāo)網(wǎng)點(diǎn)P（m，n），將網(wǎng)點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)解析為控制位移指令，通過(guò)網(wǎng)口發(fā)送給機(jī)械臂控制系統(tǒng)，控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)至擬合坐標(biāo)點(diǎn)位。3）物理坐標(biāo)模塊。接收網(wǎng)口反饋的機(jī)械臂的當(dāng)前坐標(biāo)數(shù)據(jù)，并將其解析為物理坐標(biāo)數(shù)據(jù)，告知觸控測(cè)試系統(tǒng)觸頭的當(dāng)前坐標(biāo)位置。4）觸控報(bào)告坐標(biāo)模塊。接收被測(cè)試的觸控顯示器通信端口報(bào)告的觸控坐標(biāo)位置，將其解析為報(bào)告坐標(biāo)數(shù)據(jù)并反饋給觸控測(cè)試系統(tǒng)。5）數(shù)據(jù)處理模塊。分析測(cè)試結(jié)果，根據(jù)公式計(jì)算目標(biāo)坐標(biāo)與平均報(bào)告坐標(biāo)數(shù)據(jù)的偏差量，從而得到觸控精準(zhǔn)度。

硬件：主控計(jì)算機(jī)工控機(jī)（IPC-610MB-30LDE）。主機(jī)根據(jù)測(cè)試時(shí)機(jī)要求，利用Delphi開(kāi)發(fā)工具的串口控件（SPComm）實(shí)現(xiàn)串口讀取測(cè)試時(shí)觸控顯示器反饋的觸控坐標(biāo)數(shù)據(jù)的功能。

2 測(cè)試

為了保證測(cè)試機(jī)構(gòu)的精度要求，采用高精度激光跟蹤儀對(duì)用于機(jī)械臂（ER3B-C10）的觸控探頭的最大移動(dòng)范圍（600 mm×400 mm）進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而驗(yàn)證觸控實(shí)際坐標(biāo)精度和重復(fù)偏差度。

機(jī)械臂帶動(dòng)觸控探頭的最大移動(dòng)軌跡（圖8），重復(fù)逆時(shí)針采集（5次）觸控探頭的坐標(biāo)精度誤差和重復(fù)誤差。

測(cè)得最大重復(fù)誤差和最大精度誤差見(jiàn)表1，最大重復(fù)誤差為0.026 mm，最大精度誤差為0.173 mm，可以判斷該機(jī)械臂坐標(biāo)系統(tǒng)精度滿足做為觸控測(cè)試的精度要求，可以評(píng)測(cè)觸控顯示器的觸摸精準(zhǔn)度。

表1 對(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)誤差測(cè)量結(jié)果

3 結(jié)果與分析

根據(jù)觸控顯示器技術(shù)要求，給機(jī)械臂安裝?5 mm（近似手指觸控面積）的觸控探頭，該觸控精準(zhǔn)度測(cè)試系統(tǒng)對(duì)SENSOR-15.4型觸控顯示器精準(zhǔn)度進(jìn)行測(cè)試，把顯示的前面板按水平和垂直方向尺寸分別擬合成9×9平均網(wǎng)點(diǎn)，設(shè)定每個(gè)擬合網(wǎng)點(diǎn)觸控5 次，系統(tǒng)坐標(biāo)反饋測(cè)試坐標(biāo)結(jié)果。經(jīng)過(guò)重復(fù)5 次測(cè)試并綜合觸控精準(zhǔn)度偏差計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2。

測(cè)試對(duì)該型號(hào)觸控顯示器的觸控精準(zhǔn)度，對(duì)每個(gè)擬合點(diǎn)進(jìn)行5次觸控測(cè)試，經(jīng)過(guò)計(jì)算可以得知被測(cè)觸控顯示器樣品的觸控精準(zhǔn)度最大值為3.274 mm，滿足不大于4 mm的要求。精準(zhǔn)度測(cè)量的偏離度為1.7%，可以滿足觸控位置精準(zhǔn)度小于2%的客觀評(píng)估要求。

4 結(jié)論

對(duì)交互式觸控顯示器的觸控精準(zhǔn)度測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證，證明了該系統(tǒng)可以用于觸控精準(zhǔn)度測(cè)量，其克服了檢測(cè)人員無(wú)法手動(dòng)對(duì)觸控產(chǎn)品手動(dòng)進(jìn)行重復(fù)精準(zhǔn)測(cè)控、測(cè)試數(shù)據(jù)量大、分析容易出錯(cuò)以及無(wú)法量化觸控精準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果等主觀問(wèn)題。該測(cè)試系統(tǒng)是控制機(jī)械臂帶動(dòng)觸摸探頭與觸控顯示器進(jìn)行交互仿真的，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)度檢測(cè)的功能，可以完全替代人工測(cè)量，還可以準(zhǔn)確地對(duì)觸控顯示器的觸摸精準(zhǔn)度指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。