触觉反馈技术:给你最真实的触觉感受

2013-10-15 09:46:36来源: 互联网

如果您使用触摸屏手机,那么您一定有机会感受到触觉反馈(Haptics)技术的魔力,它让游戏机、触摸屏设备和移动电子产品的用户体验上升到一个全新的水平。

人们为什么会给一种如此“酷”的功能性技术取一个如此怪异的名称呢?就字面而言,让我很是费解。“Haptics”这个词来自希腊语“?πτω”,意思是“我盯着看,我触摸。”基本上,具备触觉功能的系统通过触觉震动来实现操作反馈。希腊人发明这个词以后使用的并不多,直到现代触觉技术广泛应用于各行各业中才赋予了它新的含义。航空领域首先应用了这种技术,它让飞行员能够在飞机发动机熄火时“感觉”到操纵杆的模拟震动。在老式飞机上,这种震动是真实出现的,但控制系统改进以后飞机会检测到这种震动,然后强制反馈给系统。

这几年,触觉系统已扩展到仿真和电子产品领域。一些让用户可以感受和感觉遥远(或者虚拟)环境中事物的设备,已经广泛应用于挖掘、建筑设计、教育甚至是远程医疗。在更加个人的层面上,触觉反馈技术可以让您在安静地观看电影的同时,被提醒还有会议要参加,或者被提醒收到了彩票中奖短信,而您的邻座对此全然不知。在游戏世界,由于您的控制器集成了嵌入式传动器并在游戏中编入了相应程序,因此当您的汽车将要驶出公路,或者您在《Halo grudge match》(Xbox 游戏)中受伤时,触觉反馈技术都会提醒您。

这种技术对您何其重要我们不再累述,让我们谈谈它的工作原理吧!基本上来说,在今天的市场上共有 2 种触觉传感技术:守旧派和新兴派。但是,这两派本质上都是基于马达的。每种拓扑结构都有其自己的优缺点和独特的功能。我们现在来深入研究每种拓扑

偏转质量 (ERM)--守旧派

偏转质量是市场上最老也是最成熟的触觉反馈技术。回想您童年时代的所有具备震动功能的设备,这种震动大多是由 ERM 实现的。如图 1 所示,ERM 包含有一个偏心旋转质量,它旋转时形成一个全方向的震动,震动传遍整个设备,例如,您的手机处于静音或者震动模式时便利用震动提醒您。

图 1 偏转质量 (ERM) 触觉传动器结构图

不幸的是,由于 ERM 的结构问题,形成复杂波形的能力有限。每个波的频率和振幅一起耦合至输入控制电压,让您仅能使用一个变量来产生不同的震动效果。一般而言,您仅能得到不同的脉冲或者速度组合,其与莫尔斯电码差不多。相比更新的技术,唤醒马达让其工作随后再停止的这种方法存在一定的局限性。当要求速度和响应时间时ERM便成为相对较慢的一种选择。但是,这种技术的优点是,由于它已存在相当长一段时间,是目前可以使用的几种高成本效益方案之一。

线性共振传动器 (LRA)--新兴派

新一代触觉反馈技术是线性共振传动器,它已得到许多新型手持设备厂商的广泛采用。LRA 基本上就是一个连接弹簧的磁铁,被一个线圈环绕,放置于一个盒形外壳内,如图 2 所示。磁铁受到控制,以线性方式移动,最终达到共振频率。这种以共振频率工作的方式,让驱动器可以在更低功耗条件下运行,功耗比 ERM 平均低 30%;但是,会受限于这一频率。

LRA 驱动频率移至该共振频带以外时,效率和性能都会大大降低。这就成为一个需要解决的设计问题,因为弹簧常数会因损耗、温度波动或者其他环境因素变化而改变,比如LRA 器件是否被卡住等(如果没有,就不用担心性能问题了。)

图 2 线性共振传动器 (LRA) 触觉传动器

尽管在频率方面没有了灵活性,但是仍然可以对输入信号的振幅进行调整。发出该信号的作用是增加额外的自由度和独特的波形,而这些是使用 ERM无法达到的。关于响应时间,LRA 也要胜过 ERM,因为它们可以在一秒钟内输入多个字母的操作提供按键确认反馈,从而让其成为手机短信或者任何输入应用的理想选择。

我们已经介绍了触觉传动器的新旧两派,但仍然还有另一种传动器我们没有涉及。这种传动器并非为马达型,它拥有惊人的响应时间,很高的能效,并拥有比 ERM 和 LRA 都要小得多的体积。这款理想的新型器件被称为压电传动器。

压电传动器

准确地说,压电技术并非尖端技术,因为已经存在了几十年的时间,基本上都由一个软片(震动-电压转换器)组成。以前,此技术被用于许多能量采集应用和驱动扬声器中,但现在,它将带来最为复杂、精细的触觉反馈体验。全新的应用把这种成熟的技术引入了一个新的领域。标准压电传动器技术使用一个很薄的长条或者一个圆盘,让它们弯曲然后再反弹回去,通过在两端施加电压形成震动(图 3)。使用薄长条的一种方法是将压电长条端安装至触摸屏,然后再将长条的中心连接至设备壳。之后,把触摸屏装到一个外壳中,这样长条便可以“浮动”,从而让人们可以明显地感觉到屏幕的压电震动。这种体验被称作“局部触觉”。您仍然可以感觉到设备本身的某些震动,但大部分却来自于屏幕。如果不需要屏幕局部震动,则可以使用另一种被称为落入式 (drop-in) 模块的拓扑结构。它与压电传动器类似,但功能性更低一些:震动精密水平不如局部压电触觉高,但可以大大降低设计的复杂性。

图 3 压电触觉传动器通常使用一个薄长条或者平面圆盘,施加电压时形成震动

压电型触觉技术没有任何频率或者振幅限制,设计人员可以达到比使用 LRA 和 ERM 所达不到的波形。尽管您无法感受到按下机械按键时获得的精确触觉反馈,但利用压电型触觉技术以后会让两者之间的感受非常接近。在某个设计中嵌入多个压电模块后,可产生高精度的触觉反馈体验,它可以让触摸屏的局部而非全部区域产生震动。在电容式触摸驱动应用中,每个触摸点(手指)都可以感受到其独有的波响应,而非整个屏幕都震动。

压电型传动器的一个缺点是,大多数系统都要求约 100-200 伏峰值到峰值 (Vp-p) 电压来驱动整个器件。多层压电传动器可以将该系统电压降低至50 Vp-p,但这种多层压电传动器价格昂贵。图 4 从速度和响应时间的角度描述了这种传动器的特点。ERM 和 LRA 的响应时间范围为 30 到 60 毫秒,而压电传动器的响应时间一般小于 2 毫秒!这种属性,让它们拥有比 ERM 和 LRA 高得多的功效。利用压电技术,您可以获得更高的速度,更快速地获得理想震动波形,更快地回到静止状态,并且消耗的能量也更少。

图 4 相比 ERM 和 LRA 技术,压电触觉技术拥有极短的启动时间

同这些传动器一样很“酷”的是,在种类繁多的器件中仅只有一种组件适合于传动器。这种传动器之所以“伟大”,离不开许多其他产品的支持。给传动器最大支持的一个组件便是物理驱动器。市场上有许多这种物理驱动器,但只有少数是专为压电传动器驱动而设计的。

TI 的 DRV8662 是一款具有集成增压转换器的 200-Vp-p 压电触觉驱动器。这种压电驱动器拥有 1.5ms 的快速启动时间,具备多种功能,可用于任何高端压电触觉系统设计。输入电压可以为单端或者差分,并可以使用 3.0-5.5V 电源。由于集成了电源开关和二极管,不再需要变压器。因此,在使用小型封装时,上述规格意味着您可以使用更小的电路板空间,总系统成本更低。压电触觉反馈技术是今天触感解决方案的游戏规则改变者,它可以帮助客户获得最逼真、最意想不到的用户体验。

TI高性能模拟业务部高级副总裁Steve Anderson指出:“逼真的触觉反馈效果可显著提升触摸类消费电子产品的整体用户体验。DRV8662触觉驱动器的高集成度可帮助我们简化设计,将定位振动与频率变化等效果纳入触摸屏输入设备或非触摸屏设备,其中包括移动电话、平板电脑、计算机配件、家用电器以及工业自动化控制台等。”

TI压电式触觉驱动器DRV8662带给触摸屏用户真实的触觉(电子工程专辑)

压电式触觉驱动器DRV8662助力逼真的触觉设计

主要特性与优势

压电式模块可实现快速启动时间(1.5 毫秒)、支持纤薄的外形以及高带宽,从而可实现惯性传动器所无法企及的触觉效果;

可在300 Hz下驱动50至680纳法(nF)的压电式传动器电容,从而可支持各种高分辨率触觉效果,包括针对定位在特定设备区域的反馈以及可根据用户与设备互动交流的方法按频率改变的振动与脉冲等;

无变压器设计与3.0至5.5 V的宽泛电源配合直接电池连接,可缩小解决方案尺寸,降低成本;

热过载保护可避免器件过驱动造成的损坏。

关键字:触觉反馈

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/1015/article_20058.html
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