基于MEMS技術(shù)的多通道人機(jī)界面設(shè)計(jì)研究

[摘要] MEMS技術(shù)的日益成熟及完善，使得其應(yīng)用范圍越來越廣泛。而MEMS技術(shù)在產(chǎn)品中的應(yīng)用，使得現(xiàn)有的人機(jī)交互界面和交互方式正在發(fā)生變化，尤其是將MEMS與消費(fèi)類電子產(chǎn)品的結(jié)合，打破了這些產(chǎn)品中用戶界面的單調(diào)操作方式，給用戶的交互帶來新鮮、愉悅的體驗(yàn)。

[關(guān)鍵詞] MEMS技術(shù) 多通道人機(jī)界面

1.引言

人對機(jī)器的操作和機(jī)器對人操作的運(yùn)行及結(jié)果的反饋都是通過界面來實(shí)現(xiàn)的。人機(jī)交互界面作為人-機(jī)系統(tǒng)中十分重要的組成部分，其作用不僅在對人機(jī)交互信息進(jìn)行提示，人機(jī)界面自身的美工、圖像顯示、聲音、反饋信息的多樣性及人機(jī)交互等多個方面，也逐漸被產(chǎn)品設(shè)計(jì)師所重視并不斷被應(yīng)用到新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中去。

圖1 人機(jī)交互模型

2.MEMS技術(shù)

以微電子技術(shù)和微細(xì)加工技術(shù)為基礎(chǔ)，機(jī)械基礎(chǔ)構(gòu)件如電機(jī)、齒輪、軸承和彈簧開始微細(xì)化，并開始采用半導(dǎo)體技術(shù)將其在硅芯片上集成，這種把電子和集成機(jī)械相結(jié)合的產(chǎn)品，被稱作微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical Systems)，也稱微型機(jī)械(Micromachine)，簡稱MEMS。MEMS是感知、計(jì)算和執(zhí)行的融合，也是一種先進(jìn)的制造技術(shù)。從根本上說，MEMS將電子和機(jī)械兩種特性結(jié)合了起來，使得這一新的系統(tǒng)可以同時執(zhí)行物理、化學(xué)甚至生物等的方面的功能。MEMS的微型化、多樣化、集成化、批量化等諸多特點(diǎn)使得在將來有十分廣泛的應(yīng)用前景。

由于MEMS技術(shù)開始引入到消費(fèi)類電子產(chǎn)品，傳統(tǒng)的按鍵、旋鈕操作界面正在面臨革新。例如蘋果的音樂播放器Ipod nano4就采用了MEMS技術(shù)。播放器控制鍵的操作方式采用了滑動的操作方式，其歌曲的切換不是通過傳統(tǒng)的按鍵操作，而是變?yōu)樗硬シ牌鞯牟僮?。?dāng)甩動播放器時，播放器就會自動切換并播放下一首歌曲，而且屏幕顯示的內(nèi)容會根據(jù)機(jī)器的狀態(tài)自動做出調(diào)整。如今，以動作感應(yīng)為主的MEMS技術(shù)正漸漸地改變?nèi)藗儗Ξa(chǎn)品的操作習(xí)慣。因此基于MEMS技術(shù)的產(chǎn)品整體化界面設(shè)計(jì)將成為將來產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主要方面而最終代替現(xiàn)有的操作界面設(shè)計(jì)。

圖2 Ipod nano4的自動改變屏幕顯示方向

3.基于MEMS技術(shù)的多通道人機(jī)界面概念設(shè)計(jì)

多通道人機(jī)界面（MMI）是基于視線跟蹤、語音識別、手勢輸入、感覺反饋等新的交互技術(shù)。它允許用戶利用多個通道以并行方式與系統(tǒng)進(jìn)行交互，提高了人機(jī)交互的自然性和高效性。

多通道的人機(jī)界面是由四個要素構(gòu)成的，即人的器官、信息表示、機(jī)器交互設(shè)備和機(jī)器信息表示。多通道用戶界面主要關(guān)注人機(jī)界面中用戶向計(jì)算機(jī)輸入信息以及計(jì)算機(jī)對用戶意圖理解的問題，達(dá)到交互的自然性和交互的高效性。而MEMS技術(shù)在多通道交互系統(tǒng)中機(jī)器交互設(shè)備中的應(yīng)用，必然會對多通道的人機(jī)交互產(chǎn)生巨大而深遠(yuǎn)的影響。

圖3 多通道人機(jī)交互模型

3.1 MEMS動作輸入系統(tǒng)概念模型

鍵盤作為主流的人機(jī)交互設(shè)備，雖已占統(tǒng)治地位數(shù)十年之久，然而隨著設(shè)計(jì)的創(chuàng)新和技術(shù)的發(fā)展使其局限性也愈加凸顯?，F(xiàn)今的觸摸屏等技術(shù)雖為人機(jī)交互提供了新的體驗(yàn)，如蘋果ipod Touch4支持多點(diǎn)觸摸技術(shù)及其他的個性化觸摸體驗(yàn)，但該技術(shù)是基于特定軟件和硬件設(shè)備上的專用技術(shù)，必須針對應(yīng)用環(huán)境而定制，所以缺乏一般的通用性。

基于MEMS技術(shù)的動作輸入系統(tǒng)，是一種通過人手部的動作來進(jìn)行操作的智能化輸入系統(tǒng)，其主要部分是依賴于MEMS加速度傳感器。采用MEMS加速度傳感器的輸入端對使用者手部動作進(jìn)行識別，并將識別結(jié)果以預(yù)處理方式傳送給系統(tǒng)，系統(tǒng)再根據(jù)收到的信息進(jìn)行相應(yīng)的操作，并最終將操作的結(jié)果輸出反饋給使用者而最終完成整個人機(jī)交互過程。MEMS技術(shù)的輸入系統(tǒng)概念模型如下所示。

采用MEMS的輸入系統(tǒng)作為新的人機(jī)交互設(shè)備，使得人們的信息輸入不再像鍵盤輸入那樣具有被動性和固定性，MEMS輸入系統(tǒng)將依靠系統(tǒng)自身來進(jìn)行用戶動作的判斷和信息的輸入，使用戶在交互方式上更符合其自身的特點(diǎn)，整個交互的互動感和現(xiàn)實(shí)感更為逼真，更具有靈活性和應(yīng)用性。同時，采用MEMS的動作輸入系統(tǒng)凸顯了交互的個性化，而輸入系統(tǒng)其最終的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)動作的個性化定制。使得用戶可根據(jù)自身特點(diǎn)對MEMS的動作系統(tǒng)進(jìn)行定制，從而實(shí)現(xiàn)真正與眾不同的操作方式。

3.2 MEMS 3D動態(tài)界面顯示模型

MEMS 3D動態(tài)界面顯示系統(tǒng)包括了MEMS顯示屏和MEMS動態(tài)界面調(diào)整系統(tǒng)兩個部分。

目前最成功的光學(xué)MEMS顯示產(chǎn)品，正是由TI的DLP專利技術(shù)所制造的微面鏡器件。DLP芯片包含了最多達(dá)220萬用鉸鏈安裝的微型運(yùn)動鏡面組成的矩形數(shù)組，每片微型鏡面的大小都不超過人類頭發(fā)絲厚度的五分之一，對應(yīng)投影圖像中的一個像素。因此單芯片的DLP投影系統(tǒng)可以產(chǎn)生至少1670萬種顏色，而專業(yè)產(chǎn)品與DLP影院投影系統(tǒng)中的三芯片系統(tǒng)甚至能夠產(chǎn)生35萬億種以上的色彩。由此可以看出采用MEMS光學(xué)技術(shù)的顯示屏最大的優(yōu)點(diǎn)是色域的寬廣、色彩飽和度高，能夠十分生動地進(jìn)行圖像顯示，同時也節(jié)省能源。

顯示界面的動態(tài)三維顯示則依靠MEMS動態(tài)界面的調(diào)整。配合MEMS陀螺儀傳感器，使得界面能夠根據(jù)機(jī)器所處空間位置的不同而做出相應(yīng)的調(diào)整，其原理與水平儀相類似，當(dāng)人對機(jī)器的視角發(fā)生改變后，動態(tài)界面調(diào)整系統(tǒng)根據(jù)人與機(jī)器相對位置的變化自動判斷，并對界面的顯示做出相應(yīng)的調(diào)整，使顯示的界面總能夠與使用者眼睛所在平面處于相平行的狀態(tài)，最終呈現(xiàn)出動態(tài)三維的效果，解決了傳統(tǒng)顯示器的顯示視角問題。

4.結(jié)語

隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展及近年來國際上MEMS的專利數(shù)呈指數(shù)規(guī)律增長說明MEMS技術(shù)的全面發(fā)展階段已經(jīng)到來。MEMS技術(shù)在產(chǎn)品中的引入對現(xiàn)有的人機(jī)界面來說是一種極大的推動，并且更多的MEMS技術(shù)的融合，對多通道界面的交互方式是一種極大的拓展，也使得多通道人機(jī)界面的交互更為方便和高效。

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[4] 李國峰，王錦等.基于MEMS加速度傳感器的智能輸入系統(tǒng)[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2009.05.

作者簡介

王力（1986- ），男，漢族，陜西寶雞人，陜西科技大學(xué)設(shè)計(jì)與藝術(shù)學(xué)院碩士研究生。研究方向：工業(yè)設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)管理。

任工昌(1962- )，男，漢族，陜西西安人，陜西科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院教授，博士，碩士生導(dǎo)師。研究方向：現(xiàn)代設(shè)計(jì)、產(chǎn)品創(chuàng)新理論、機(jī)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控和工業(yè)設(shè)計(jì)方面研究。