高分辨率触觉体验:不一样的感觉!

2012-09-26 10:52:17来源: EEWORLD

尽管大多数智能手机和平板电脑用户都已经体验过触觉技术,但是触觉学这个术语本身却很少为消费者所了解。就其基本定义而言,“触觉学”是指触觉反馈科学。触觉技术最为基本的应用形式是,手机通过振动提示用户来电或者收件箱有一条新的短信。在这些情况下,手机利用触觉技术,引起用户的请注意。

约有三分之一的智能手机都使用了触觉反馈技术,其实现的功能已不仅仅只是振动提醒。一个常见例子是,当使用手机编写电子邮件或者发短信时,用户会感受到细微的振动反馈。成功按下某个按键后,手机就会振动确认一次。在使用触觉反馈的情况下,用户很少会出现的输入错误,并且操作体验也更满意。

利用触觉技术增强用户体验

越来越多的移动设备,例如:手机和平板电脑等,都在使用触摸功能。触摸界面是如此的简单和直观,以至于三岁小孩也会解锁智能手机,然后点击YouTube图标查看视频播放列表。但是,触摸屏存在一个严重的局限性:因为没有物理或者机械反馈,无法实现用户互动或者提醒。设计优秀的触觉反馈功能,可以极大增强触摸式移动设备的整体用户体验。

触觉技术的应用远不止用户提醒或者按键确认那么简单。标准的手势操作,例如:滑动解锁、手指缩放图片以及上下拖动翻页等,都可以拥有属于自己的触觉/感知特性。当用户将图片放至最大尺寸观看时,触觉反馈强度也会增加。快速滚动操作时,触觉反馈也会更快。如果这种情景敏感型反馈同声音反馈相结合,所得到的用户体验会令人高度满意,也更加直观。

另外,触觉反馈还带来了另一种乐趣。许多人都使用移动设备玩游戏。触觉反馈技术可以极大地改善游戏体验。例如,在第一人称射击游戏中,游戏主角可以真实地感受到武器射击带来的震撼。用户可以在赛车游戏中感觉到车载的碰撞和颠簸,在流行的“愤怒的小鸟”游戏中感受释放弹弓绳时的弹力,在演奏游戏中真实感受吉他琴弦或者钢琴键等等,诸如此类。游戏开发者的想象力将创造出无限的体验可能性!

惯性触觉传动器(ERM/LRA)

手机中的标准触觉反馈功能,通过一个被称作偏心旋转质量传动器 (ERM) 的小型马达来实现。该马达受到电压驱动开始旋转,用户便可感觉到振动。触觉反馈驱动器芯片以差动方式驱动马达,因此马达在正电压起作用时旋转,而在反极性即负电压起作用时停止。用于振动提醒时,这种方法十分有效。但是,当把ERM用于其他触觉反馈应用时,例如:游戏等,设备电池电量迅速下降。

ERM存在惯性,需要过驱动才能更快速地旋转。启动时间是指马达达到90%额定加速度所需的时间,其范围通常为50到100 ms。马达制动或者停止的时间范围类似。触发一个非常简单的触觉反馈事件(例如:点击),耗时约100到200 ms。如果应用要求重复触觉反馈事件,则马达型触觉反馈的延迟便不那么理想。

ERM的另一个方面是旋转马达产生的嗡嗡声,即人耳可以听见的噪声。如果触觉反馈与声音反馈结合使用,可以部分缓解这个问题。但是,在安静的会议室里,如果有人在发短信,则所有人都能听到这种噪声。另外,ERM的触觉反馈效果会因用户操作而变得不明显。振动频率和振幅,与单控制电压有关。

另一种惯性传动器即线性共振传动器(LRA),用于一些智能手机中,实现触觉反馈和振动提醒。相比ERM,LRA的机械结构不同。它包含一个安装在弹簧上的质量块,以线性运动方式振动。LRA必须在窄共振频率下受到驱动。另外,它的启动时间稍好于ERM。

根据不同的制造厂商,启动时间范围为40到60 ms(图1),相比ERM的启动时间(50到100ms)要好一些。通过对共振载波振幅进行调制,可以产生各种不同的触觉反馈效果。

 


图 1 LRA 的典型启动时间为 40 到 60ms

高分辨率触觉反馈

高清 (HD) 电视比标清电视的分辨率更高,因此能够提供更加锐丽和清晰的画面。同样,相比惯性传动器的嗡嗡振动,高分辨率触觉反馈也可以让用户感受到更明显的振动效果。压电 (piezo) 或者陶瓷式触觉反馈传动器用于实现HD触觉反馈,提供与ERM/LRA不一样的美好体验。

压电式传动器

当在压电式传动器两端施加差动电压时,它会弯曲变形,从而产生振动。压电式传动器需要高压才能变形。根据不同的制造厂商,电压可以为50到150VPP。电压更高时,要求压电层数减少;因此,电压为150VPP时,压电式传动器约有4层,而电压为50VPP时,则可能有16到24层。更高电压时,由于层数减少,压电式传动器的电容更小。换句话说,驱动低电容触觉反馈传动器所需的电流更小。

压电传动器使用圆盘或者矩形条的形式,也被称作弯曲器。压电盘垂直变形,可用于Z轴振动。压电弯曲器可直接安装在一块“漂浮”式触摸屏上,以实现屏幕振动(图2a)。压电弯曲器还可以贴装到一个小型模块中,而该模块又可以安装到设备的外壳或者PCB上,从而实现整个设备振动(图2b)。压电模块之所以流行,是因为它的机械集成很简单。


图 2 压电式传动器的形状系数

是什么让压电式传动器拥有高分辨率?

四大因素让压电式传动器区别于惯性传动器:

1、 启动更快:由于其固有机械属性,压电式传动器的启动时间非常短—一般小于15ms,比ERM快3到4倍。相比ERM,总体触觉反馈事件持续时间缩短70ms。图3对此进行了详细的描述。

2、 带宽更高:压电式传动器的更高带宽(参见图4),可提供更细腻的触觉反馈组合,实现更多的效果。

3、 噪声更低:与ERM不同,压电式传动器没有旋转质量产生的机械噪声。

4、 振动更强:压电式模块可产生更高的振动强度。图5显示了一个市售压电式模块的加速特性,而图6显示了一个市售LRA的加速特性。我们可以看到,相比LRA低于1.5 GPP的峰值到峰值加速度,压电式传动器产生了3 GPP的峰值到峰值加速度。这种更高的振动强度意味着,压电式模块是大屏幕智能手机和平板电脑的理想选择。

 


 

 

图 3 压电式模块的典型启动时间为~14 ms
 

 

 

图 4 压电式传动器(理想模块)的带宽更高

 


 

 

图 5 压电式模块的加速特性
 

 


 

图 6 LRA 的加速特性

压电式传动器的电流消耗

尽管压电式传动器所需电压高于标准惯性传动器,但是实际电流消耗却低于ERM,大小与LRA一样(参见表1)。

表 1 触觉反馈传动器的功耗


结论

相比惯性传动器,压电式传动器拥有较大的性能和成本优势。它具有更短的启动时间,帮助键盘应用程序实现强烈而轻快的点击确认。它的高带宽优点,可帮助实现用户更易感知的触觉效果,这一点对游戏应用至关重要。压电式传动器具有更强的振动,可以为一些大尺寸消费类设备(例如:平板电脑和电子阅读器等)带来触觉反馈功能。总之,压电式触觉反馈技术拥有许多引人注目的特性,可以增强触觉反馈体验,帮助提高移动设备的整体用户体验。

 

 

关键字:德州仪器

编辑:eric 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/szds/2012/0926/article_4734.html
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