摘要：將新型In cell交互技術引入到教育一體機系統(tǒng)中，設計了交互協(xié)作的新型應用系統(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)同教學中高效、健康的交互解決方案。并結合實際應用場景，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(shù)，技術賦能教育，協(xié)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(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(shù)字化教學器材，協(xié)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(xù)迭代發(fā)展，新型的交互技術具有高靈敏度，高精準度，高畫質體現(xiàn)的研究特性[1]。

技術引領創(chuàng)新，本著協(xié)同工具助力教育發(fā)展的觀念，本文設計了交互協(xié)同教學系統(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(xiàn)嶄新而多元化的教學模式。

二、機電自動化的教育機交互協(xié)同系統(tǒng)概述

在教學交互協(xié)同系統(tǒng)設計，教學場景的應用研究、關鍵用戶的系統(tǒng)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(huán)系統(tǒng)。

在交互系統(tǒng)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(lián)，層層遞進，鏈接關系展開為：架構層的電源和系統(tǒng)控制主板架構，通過信號層將圖像傳輸?shù)奖彻饽＝M，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(xiàn)[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(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技術和全貼合工藝）為中心，鏈接3個正相關子系統(tǒng)，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(xié)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(xiàn)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(lián)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(fā)生偏轉改變來自背光源發(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(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(tǒng)得出，其具備的高集成度、輕薄、成本低、高可靠性，呈現(xiàn)出技術成果轉化的優(yōu)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(yōu)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(guī)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(shù)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(tǒng)的3倍數(shù)。

2. 響應快（8ms），提升20%～53%。

3. 觸摸通道數(shù)936條，提升4倍。

兩者數(shù)據比對來看，In cell在精準度和響應時間具有絕對優(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)據效能轉換為8ms的快速響應速度，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

屏幕的生產工藝，傳統(tǒng)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(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，畫質呈現(xiàn)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(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(tǒng)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(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(shù)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(shù)設定為最佳方案，將此方案導入到產品的交互系統(tǒng)，定義為關鍵參數(shù)。

六、結語

本文依據目標優(yōu)化的技術方法，建立了交互系統(tǒng)架構模型和優(yōu)化算法，并設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(shù)定義，以及輕薄化的產品結構形態(tài)數(shù)據。將實驗和計算機仿真模擬得到的數(shù)據和交互系統(tǒng)正常工作時的數(shù)據進行對比，發(fā)現(xiàn)產品性能得到大幅地提升。數(shù)據進一步轉化為產品解決方案，并連接成一個完整的閉環(huán)體系，用于提升教學場景的效率和信息化體驗感。交互協(xié)作系統(tǒng)，結合軟件的應用新型探索，為系統(tǒng)的拓展和多元化未來教育，提供一定的研究基礎。

參考文獻

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

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[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(tǒng)研究[J].現(xiàn)代工業(yè)經濟和信息化，2016，6（13）：103-104.