触觉反馈技术:逼真震动体验的改革者

2012-04-28 15:15:46来源: 德州仪器 (TI)

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“ἅπτω”,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。

关键字:力反馈  触摸屏  触摸屏控制器  压电  压电触觉  线性共振传动器(LRA)  偏转质量

编辑:eric 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2012/0428/article_11516.html
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