基于機電自動化的教育機交互協同系統研究

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

關鍵詞：機電自動化；交互觸控；人工協同；機器輔助教育效率

一、前言

依照國家教育信息化、數字化、智慧化的升級戰略，智慧硬件智能化和交互協作書寫的工具重要性凸顯。由于粉塵對健康的影響，傳統教學中的粉筆書寫方式已遠不能適應如今的教學場景。而采用新型的數字化教學器材，協同工具輔助教學的研究，應用于實際的教室場景，對于教育效率和教學質量有顯著的提升作用。交互技術由紅外觸控，電容觸控，In cell 觸控持續迭代發展，新型的交互技術具有高靈敏度，高精準度，高畫質體現的研究特性[1]。

技術引領創新，本著協同工具助力教育發展的觀念，本文設計了交互協同教學系統，并將系統獲得的觸覺、視覺體驗正負反饋，可以分析得到最優的解決方案。填補教學交互智能化的市場空白，提升教師和學生的教學產品體驗，為課堂呈現嶄新而多元化的教學模式。

二、機電自動化的教育機交互協同系統概述

在教學交互協同系統設計，教學場景的應用研究、關鍵用戶的系統鏈接比較凸顯，在交互的過程中，由教師—學生—校園三方連接為一個閉環系統。

在交互系統中，依照層級架構，展開為八個層次：架構層、信號層、光學層、顯示層、交互層、畫質層、保護層、體驗層，如圖1所示。八個層級相互關聯，層層遞進，鏈接關系展開為：架構層的電源和系統控制主板架構，通過信號層將圖像傳輸到背光模組，LCM光學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[2]。交互層和顯示層通過新技術結合在一起，在圖像層上可投射畫面和交互書寫。為保持產品的可靠和安全性，在表層增加鋼化玻璃的保護層，鋼化玻璃和Panel的結合，使用新型的全貼合結構，使產品輕薄化和保持圖像的清晰度。以上層層組合，形成整體的交互協作系統，可呈現圖像和交互書寫。

在交互系統的八個層次中，本文以交互核心層（交互層In cell技術和全貼合工藝）為中心，鏈接3個正相關子系統，包含光學層—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、交互協作層模型和算法設計

從觸控技術的原理和觸摸方式來看，實現觸摸的方式主要有三種：紅外式、外掛電容式、內置電容式（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，即在顯示層內部聯入電容觸摸功能，形成電容觸摸感應+面板集成的新型模型。

通過簡化后的架構比對，液晶顯示屏（Liquid Crystal Display，LCD）是指液晶在電壓改變時發生偏轉改變來自背光源發出光的強度，再透過彩膜層形成彩色圖像的顯示設備。新型In touch液晶顯示觸摸屏，在此基礎增加了觸控IC，使其具備了觸摸功能，并實現了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。其中實現觸摸功能屏幕的主要構成有：偏光片、LC玻璃、取向膜、液晶、彩膜、背光源以及觸控IC。因此，從內置電容式組成系統得出，其具備的高集成度、輕薄、成本低、高可靠性，呈現出技術成果轉化的優勢[3]。

進一步深入研究觸摸感應+面板集成的底層邏輯，對交互層進行優化設計，設計主要和觸控感應線路的通道技術有關，依照通道規則，感應觸控Touch原理 ，建立設計如下：

方案一：從電容技術線路原理看，電容屏技術的特色。

1. 感應設計的走線繞彎，距離遠，因此信號傳輸阻值高，精準度（3mm）。

2. 響應時間慢（10～15ms）。

3. 觸摸通道數216條。

方案二：從In cell技術線路原理看。

1. 感應設計直線通道，精準度高（1mm），是傳統的3倍數。

2. 響應快（8ms），提升20%～53%。

3. 觸摸通道數936條，提升4倍。

兩者數據比對來看，In cell在精準度和響應時間具有絕對優勢。

由此可以解出新型交互系統組合輸入后，得到最小距離傳輸通道，最大最密集的通道數。 輸出的形態和數據效能轉換為8ms的快速響應速度，進一步呈現觸控精良的效果。

四、交互協作層，全貼合工藝的測試實驗研究

屏幕的生產工藝，傳統的結構由保護玻璃+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，結合In cell技術，直接在顯示屏內部嵌入觸摸傳感器，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，教學操作書寫可一氣呵成，解決了傳統紅外屏與傳統電容屏存在的書寫不流暢的問題。

為了驗證本文設計的模型和算法有效性和可靠性，對系統進行實驗和計算機數值仿真模擬，仿真試驗由圖片/視頻為載體，反射率為算法，增加Touch 功能后，畫質呈現的PQ效果清晰度水準顯著提升[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，觸摸反應速度隨著間隙的縮短，更加迅捷流暢。

五、保護層的交互設計，鋼化玻璃對感應穿透算法技術研究

觸摸感應的直觀體現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，將試驗轉為算法邏輯，設計了感應算法，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表示對機電系統機組觸控感應效果的計算方式，為進一步驗證在此機組疊加鋼化玻璃后的性能反應，以及驗證本文設計的檢測模型和算法的有效性，本文對交互系統中的保護層進行故障診斷[6]，診斷的試驗載體為鋼化玻璃，其關鍵特性為玻璃厚度，分別設置為1.85t，3.0t，2.0t，通過計算得到了故障診斷的數據分布表。

由模擬測試，得出鋼化玻璃的厚度在1.85t，OCR thickness 700um時，參數設定為最佳方案，將此方案導入到產品的交互系統，定義為關鍵參數。

六、結語

本文依據目標優化的技術方法，建立了交互系統架構模型和優化算法，并設計了基于機電自動化的教育機交互協同系統研究。對交互協同系統的性能進行了實驗和計算機仿真，得到了高感應速度觸控性能，高流暢度書寫體驗，高清晰度的畫面成像。對保護層的交互設計研究及觸摸感應穿透算法的研究，結合試驗驗證，產出高性能需求的關鍵參數定義，以及輕薄化的產品結構形態數據。將實驗和計算機仿真模擬得到的數據和交互系統正常工作時的數據進行對比，發現產品性能得到大幅地提升。數據進一步轉化為產品解決方案，并連接成一個完整的閉環體系，用于提升教學場景的效率和信息化體驗感。交互協作系統，結合軟件的應用新型探索，為系統的拓展和多元化未來教育，提供一定的研究基礎。

參考文獻

[1]張逸. 液晶屏LOCA全貼合工藝及改善[D].蘇州：蘇州大學，2013.

[2]張立. 電容式柔性觸控系統的研究與實現[D].廣州：廣東工業大學，2015.

[3]康龍.基于機電自動化的電視機音響振動系統研究[J].現代工業經濟和信息化，2016，6（11）：55-58.

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

[5]戴自立.IN-CELL觸控技術專利分析[J].科技展望，2016，26（23）：148.

[6]田磊，靳果，于曉楠.基于計算機輔助測試的電視機故障排除智能系統研究[J].現代工業經濟和信息化，2016，6（13）：103-104.