觸覺反饋技術(shù)：逼真震動體驗(yàn)的改革者

如果您使用觸摸屏手機(jī)，那么您一定有機(jī)會感受到觸覺反饋（Haptics）技術(shù)的魔力,它讓游戲機(jī)、觸摸屏設(shè)備和移動電子產(chǎn)品的用戶體驗(yàn)上升到一個全新的水平。

人們?yōu)槭裁磿o一種如此“酷”的功能性技術(shù)取一個如此怪異的名稱呢？就字面而言，讓我很是費(fèi)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(tǒng)通過觸覺震動來實(shí)現(xiàn)操作反饋。希臘人發(fā)明這個詞以后使用的并不多，直到現(xiàn)代觸覺技術(shù)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中才賦予了它新的含義。航空領(lǐng)域首先應(yīng)用了這種技術(shù)，它讓飛行員能夠在飛機(jī)發(fā)動機(jī)熄火時“感覺”到操縱桿的模擬震動。在老式飛機(jī)上，這種震動是真實(shí)出現(xiàn)的，但控制系統(tǒng)改進(jìn)以后飛機(jī)會檢測到這種震動，然后強(qiáng)制反饋給系統(tǒng)。

這幾年，觸覺系統(tǒng)已擴(kuò)展到仿真和電子產(chǎn)品領(lǐng)域。一些讓用戶可以感受和感覺遙遠(yuǎn)（或者虛擬）環(huán)境中事物的設(shè)備，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于挖掘、建筑設(shè)計(jì)、教育甚至是遠(yuǎn)程醫(yī)療。在更加個人的層面上，觸覺反饋技術(shù)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(yīng)程序，因此當(dāng)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(shù)都會提醒您。

這種技術(shù)對您何其重要我們不再累述，讓我們談?wù)勊墓ぷ髟戆?！基本上來說，在今天的市場上共有 2 種觸覺傳感技術(shù)：守舊派和新興派。但是，這兩派本質(zhì)上都是基于馬達(dá)的。每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都有其自己的優(yōu)缺點(diǎn)和獨(dú)特的功能。我們現(xiàn)在來深入研究每種拓?fù)洹?/p>

偏轉(zhuǎn)質(zhì)量 (ERM)--守舊派
偏轉(zhuǎn)質(zhì)量是市場上最老也是最成熟的觸覺反饋技術(shù)?；叵肽陼r代的所有具備震動功能的設(shè)備，這種震動大多是由 ERM 實(shí)現(xiàn)的。如圖 1 所示，ERM 包含有一個偏心旋轉(zhuǎn)質(zhì)量，它旋轉(zhuǎn)時形成一個全方向的震動，震動傳遍整個設(shè)備，例如，您的手機(jī)處于靜音或者震動模式時便利用震動提醒您。

 
圖 1 偏轉(zhuǎn)質(zhì)量 (ERM) 觸覺傳動器結(jié)構(gòu)圖

不幸的是，由于 ERM 的結(jié)構(gòu)問題，形成復(fù)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(chǎn)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(shù)，喚醒馬達(dá)讓其工作隨后再停止的這種方法存在一定的局限性。當(dāng)要求速度和響應(yīng)時間時ERM便成為相對較慢的一種選擇。但是，這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是，由于它已存在相當(dāng)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(shù)是線性共振傳動器，它已得到許多新型手持設(shè)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(huán)繞，放置于一個盒形外殼內(nèi)，如圖 2 所示。磁鐵受到控制，以線性方式移動，最終達(dá)到共振頻率。這種以共振頻率工作的方式，讓驅(qū)動器可以在更低功耗條件下運(yùn)行，功耗比 ERM 平均低 30%；但是，會受限于這一頻率。

LRA 驅(qū)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(shè)計(jì)問題，因?yàn)閺椈沙?shù)會因損耗、溫度波動或者其他環(huán)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(dān)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(jìn)行調(diào)整。發(fā)出該信號的作用是增加額外的自由度和獨(dú)特的波形，而這些是使用 ERM無法達(dá)到的。關(guān)于響應(yīng)時間，LRA 也要勝過 ERM，因?yàn)樗鼈兛梢栽谝幻腌妰?nèi)輸入多個字母的操作提供按鍵確認(rèn)反饋，從而讓其成為手機(jī)短信或者任何輸入應(yīng)用的理想選擇。

我們已經(jīng)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(dá)型，它擁有驚人的響應(yīng)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(zhǔn)確地說，壓電技術(shù)并非尖端技術(shù)，因?yàn)橐呀?jīng)存在了幾十年的時間，基本上都由一個軟片（震動-電壓轉(zhuǎn)換器）組成。以前，此技術(shù)被用于許多能量采集應(yīng)用和驅(qū)動揚(yáng)聲器中，但現(xiàn)在，它將帶來最為復(fù)雜、精細(xì)的觸覺反饋體驗(yàn)。全新的應(yīng)用把這種成熟的技術(shù)引入了一個新的領(lǐng)域。標(biāo)準(zhǔn)壓電傳動器技術(shù)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(shè)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(yàn)被稱作“局部觸覺”。您仍然可以感覺到設(shè)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。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(shè)計(jì)的復(fù)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(shù)沒有任何頻率或者振幅限制，設(shè)計(jì)人員可以達(dá)到比使用 LRA 和 ERM 所達(dá)不到的波形。盡管您無法感受到按下機(jī)械按鍵時獲得的精確觸覺反饋，但利用壓電型觸覺技術(shù)以后會讓兩者之間的感受非常接近。在某個設(shè)計(jì)中嵌入多個壓電模塊后，可產(chǎn)生高精度的觸覺反饋體驗(yàn)，它可以讓觸摸屏的局部而非全部區(qū)域產(chǎn)生震動。在電容式觸摸驅(qū)動應(yīng)用中，每個觸摸點(diǎn)（手指）都可以感受到其獨(dú)有的波響應(yīng)，而非整個屏幕都震動。

壓電型傳動器的一個缺點(diǎn)是，大多數(shù)系統(tǒng)都要求約 100-200 伏峰值到峰值 (Vp-p) 電壓來驅(qū)動整個器件。多層壓電傳動器可以將該系統(tǒng)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(yīng)時間的角度描述了這種傳動器的特點(diǎn)。ERM 和 LRA 的響應(yīng)時間范圍為  30  到  60  毫秒，而壓電傳動器的響應(yīng)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(shù)，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?fàn)顟B(tài)，并且消耗的能量也更少。

圖 4 相比 ERM 和 LRA 技術(shù)，壓電觸覺技術(shù)擁有極短的啟動時間

同這些傳動器一樣很“酷”的是，在種類繁多的器件中僅只有一種組件適合于傳動器。這種傳動器之所以“偉大”，離不開許多其他產(chǎn)品的支持。給傳動器最大支持的一個組件便是物理驅(qū)動器。市場上有許多這種物理驅(qū)動器，但只有少數(shù)是專為壓電傳動器驅(qū)動而設(shè)計(jì)的。

TI 的 DRV8662 是一款具有集成增壓轉(zhuǎn)換器的 200-Vp-p 壓電觸覺驅(qū)動器。這種壓電驅(qū)動器擁有 1.5ms 的快速啟動時間，具備多種功能，可用于任何高端壓電觸覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)。輸入電壓可以為單端或者差分，并可以使用 3.0-5.5V 電源。由于集成了電源開關(guān)和二極管，不再需要變壓器。因此，在使用小型封裝時，上述規(guī)格意味著您可以使用更小的電路板空間，總系統(tǒng)成本更低。壓電觸覺反饋技術(shù)是今天觸感解決方案的游戲規(guī)則改變者，它可以幫助客戶獲得最逼真、最意想不到的用戶體驗(yàn)。