觸覺反饋技術:逼真震動體驗的改革者
作者:Eric Siegel,德州儀器 (TI) 觸摸屏控制器與觸覺驅動器部產品銷售工程師
關鍵詞:力反饋、觸摸屏、觸摸屏控制器、壓電、壓電觸覺、線性共振傳動器(LRA)、偏轉質量 (ERM)、線性共振傳動器、偏轉質量、震動模式、德州儀器、模擬、半導體
如果您使用觸摸屏手機,那么您一定有機會感受到觸覺反饋(Haptics)技術的魔力,它讓游戲機、觸摸屏設備和移動電子產品的用戶體驗上升到一個全新的水平。
人們為什么會給一種如此“酷”的功能性技術取一個如此怪異的名稱呢?就字面而言,讓我很是費解。“Haptics”這個詞來自希臘語“ἅπτω”,意思是“我盯著看,我觸摸。”基本上,具備觸覺功能的系統通過觸覺震動來實現操作反饋。希臘人發明這個詞以后使用的并不多,直到現代觸覺技術廣泛應用于各行各業中才賦予了它新的含義。航空領域首先應用了這種技術,它讓飛行員能夠在飛機發動機熄火時“感覺”到操縱桿的模擬震動。在老式飛機上,這種震動是真實出現的,但控制系統改進以后飛機會檢測到這種震動,然后強制反饋給系統。
這幾年,觸覺系統已擴展到仿真和電子產品領域。一些讓用戶可以感受和感覺遙遠(或者虛擬)環境中事物的設備,已經廣泛應用于挖掘、建筑設計、教育甚至是遠程醫療。在更加個人的層面上,觸覺反饋技術可以讓您在安靜地觀看電影的同時,被提醒還有會議要參加,或者被提醒收到了彩票中獎短信,而您的鄰座對此全然不知。在游戲世界,由于您的控制器集成了嵌入式傳動器并在游戲中編入了相應程序,因此當您的汽車將要駛出公路,或者您在《Halo grudge match》(Xbox 游戲)中受傷時,觸覺反饋技術都會提醒您。
這種技術對您何其重要我們不再累述,讓我們談談它的工作原理吧!基本上來說,在今天的市場上共有 2 種觸覺傳感技術:守舊派和新興派。但是,這兩派本質上都是基于馬達的。每種拓撲結構都有其自己的優缺點和獨特的功能。我們現在來深入研究每種拓撲。
偏轉質量 (ERM)--守舊派
偏轉質量是市場上較老也是較成熟的觸覺反饋技術。回想您童年時代的所有具備震動功能的設備,這種震動大多是由 ERM 實現的。如圖 1 所示,ERM 包含有一個偏心旋轉質量,它旋轉時形成一個全方向的震動,震動傳遍整個設備,例如,您的手機處于靜音或者震動模式時便利用震動提醒您。
圖 1 偏轉質量 (ERM) 觸覺傳動器結構圖
不幸的是,由于 ERM 的結構問題,形成復雜波形的能力有限。每個波的頻率和振幅一起耦合至輸入控制電壓,讓您僅能使用一個變量來產生不同的震動效果。一般而言,您僅能得到不同的脈沖或者速度組合,其與莫爾斯電碼差不多。相比更新的技術,喚醒馬達讓其工作隨后再停止的這種方法存在一定的局限性。當要求速度和響應時間時ERM便成為相對較慢的一種選擇。但是,這種技術的優點是,由于它已存在相當長一段時間,是目前可以使用的幾種高成本效益方案之一。
線性共振傳動器 (LRA)--新興派
新一代觸覺反饋技術是線性共振傳動器,它已得到許多新型手持設備廠商的廣泛采用。LRA 基本上就是一個連接彈簧的磁鐵,被一個線圈環繞,放置于一個盒形外殼內,如圖 2 所示。磁鐵受到控制,以線性方式移動,較終達到共振頻率。這種以共振頻率工作的方式,讓驅動器可以在更低功耗條件下運行,功耗比 ERM 平均低 30%;但是,會受限于這一頻率。
LRA 驅動頻率移至該共振頻帶以外時,效率和性能都會大大降低。這就成為一個需要解決的設計問題,因為彈簧常數會因損耗、溫度波動或者其他環境因素變化而改變,比如LRA 器件是否被卡住等(如果沒有,就不用擔心性能問題了。)
圖 2 線性共振傳動器 (LRA) 觸覺傳動器
盡管在頻率方面沒有了靈活性,但是仍然可以對輸入信號的振幅進行調整。發出該信號的作用是增加額外的自由度和獨特的波形,而這些是使用 ERM無法達到的。關于響應時間,LRA 也要勝過 ERM,因為它們可以在一秒鐘內輸入多個字母的操作提供按鍵確認反饋,從而讓其成為手機短信或者任何輸入應用的理想選擇。
我們已經介紹了觸覺傳動器的新舊兩派,但仍然還有另一種傳動器我們沒有涉及。這種傳動器并非為馬達型,它擁有驚人的響應時間,很高的能效,并擁有比 ERM 和 LRA 都要小得多的體積。這款理想的新型器件被稱為壓電傳動器。
壓電傳動器
準確地說,壓電技術并非尖端技術,因為已經存在了幾十年的時間,基本上都由一個軟片(震動-電壓轉換器)組成。以前,此技術被用于許多能量采集應用和驅動揚聲器中,但現在,它將帶來較為復雜、精細的觸覺反饋體驗。全新的應用把這種成熟的技術引入了一個新的領域。標準壓電傳動器技術使用一個很薄的長條或者一個圓盤,讓它們彎曲然后再反彈回去,通過在兩端施加電壓形成震動(圖 3)。使用薄長條的一種方法是將壓電長條端安裝至觸摸屏,然后再將長條的中心連接至設備殼。之后,把觸摸屏裝到一個外殼中,這樣長條便可以“浮動”,從而讓人們可以明顯地感覺到屏幕的壓電震動。這種體驗被稱作“局部觸覺”。您仍然可以感覺到設備本身的某些震動,但大部分卻來自于屏幕。如果不需要屏幕局部震動,則可以使用另一種被稱為落入式 (drop-in) 模塊的拓撲結構。它與壓電傳動器類似,但功能性更低一些:震動精密水平不如局部壓電觸覺高,但可以大大降低設計的復雜性。
圖 3 壓電觸覺傳動器通常使用一個薄長條或者平面圓盤,施加電壓時形成震動
壓電型觸覺技術沒有任何頻率或者振幅限制,設計人員可以達到比使用 LRA 和 ERM 所達不到的波形。盡管您無法感受到按下機械按鍵時獲得的精確觸覺反饋,但利用壓電型觸覺技術以后會讓兩者之間的感受非常接近。在某個設計中嵌入多個壓電模塊后,可產生高精度的觸覺反饋體驗,它可以讓觸摸屏的局部而非全部區域產生震動。在電容式觸摸驅動應用中,每個觸摸點(手指)都可以感受到其獨有的波響應,而非整個屏幕都震動。
壓電型傳動器的一個缺點是,大多數系統都要求約 100-200 伏峰值到峰值 (Vp-p) 電壓來驅動整個器件。多層壓電傳動器可以將該系統電壓降低至50 Vp-p,但這種多層壓電傳動器價格昂貴。圖 4 從速度和響應時間的角度描述了這種傳動器的特點。ERM 和 LRA 的響應時間范圍為 30 到 60 毫秒,而壓電傳動器的響應時間一般小于 2 毫秒!這種屬性,讓它們擁有比 ERM 和 LRA 高得多的功效。利用壓電技術,您可以獲得更高的速度,更快速地獲得理想震動波形,更快地回到靜止狀態,并且消耗的能量也更少。
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