觸覺(jué)反饋技術(shù)：逼真震動(dòng)體驗(yàn)的改革者

關(guān)鍵詞：力反饋、觸摸屏、觸摸屏控制器、壓電、壓電觸覺(jué)、線性共振傳動(dòng)器(LRA)、偏轉(zhuǎn)質(zhì)量 (ERM)、線性共振傳動(dòng)器、偏轉(zhuǎn)質(zhì)量、震動(dòng)模式、德州儀器、模擬、半導(dǎo)體

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

人們?yōu)槭裁磿?huì)給一種如此“酷”的功能性技術(shù)取一個(gè)如此怪異的名稱呢？就字面而言，讓我很是費(fèi)解。“Haptics”這個(gè)詞來(lái)自希臘語(yǔ)“ἅπτω”，意思是“我盯著看，我觸摸。”基本上，具備觸覺(jué)功能的系統(tǒng)通過(guò)觸覺(jué)震動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)操作反饋。希臘人發(fā)明這個(gè)詞以后使用的并不多，直到現(xiàn)代觸覺(jué)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(dòng)機(jī)熄火時(shí)“感覺(jué)”到操縱桿的模擬震動(dòng)。在老式飛機(jī)上，這種震動(dòng)是真實(shí)出現(xiàn)的，但控制系統(tǒng)改進(jìn)以后飛機(jī)會(huì)檢測(cè)到這種震動(dòng)，然后強(qiáng)制反饋給系統(tǒng)。

這幾年，觸覺(jué)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(jué)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(gè)人的層面上，觸覺(jué)反饋技術(shù)可以讓您在安靜地觀看電影的同時(shí)，被提醒還有會(huì)議要參加，或者被提醒收到了彩票中獎(jiǎng)短信，而您的鄰座對(duì)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(dòng)器并在游戲中編入了相應(yīng)程序，因此當(dāng)您的汽車(chē)將要駛出公路，或者您在《Halo grudge match》（Xbox 游戲）中受傷時(shí)，觸覺(jué)反饋技術(shù)都會(huì)提醒您。

這種技術(shù)對(duì)您何其重要我們不再累述，讓我們談?wù)勊墓ぷ髟戆?！基本上?lái)說(shuō)，在今天的市場(chǎng)上共有 2 種觸覺(jué)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(lái)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(chǎng)上最老也是最成熟的觸覺(jué)反饋技術(shù)?；叵肽陼r(shí)代的所有具備震動(dòng)功能的設(shè)備，這種震動(dòng)大多是由 ERM 實(shí)現(xiàn)的。如圖 1 所示，ERM 包含有一個(gè)偏心旋轉(zhuǎn)質(zhì)量，它旋轉(zhuǎn)時(shí)形成一個(gè)全方向的震動(dòng)，震動(dòng)傳遍整個(gè)設(shè)備，例如，您的手機(jī)處于靜音或者震動(dòng)模式時(shí)便利用震動(dòng)提醒您。

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

不幸的是，由于 ERM 的結(jié)構(gòu)問(wèn)題，形成復(fù)雜波形的能力有限。每個(gè)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(gè)變量來(lái)產(chǎn)生不同的震動(dòng)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(shí)間時(shí)ERM便成為相對(duì)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(zhǎng)一段時(shí)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(dòng)器 (LRA)--新興派

新一代觸覺(jué)反饋技術(shù)是線性共振傳動(dòng)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(gè)連接彈簧的磁鐵，被一個(gè)線圈環(huán)繞，放置于一個(gè)盒形外殼內(nèi)，如圖 2 所示。磁鐵受到控制，以線性方式移動(dòng)，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(dòng)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(huì)受限于這一頻率。

LRA 驅(qū)動(dòng)頻率移至該共振頻帶以外時(shí)，效率和性能都會(huì)大大降低。這就成為一個(gè)需要解決的設(shè)計(jì)問(wèn)題，因?yàn)閺椈沙?shù)會(huì)因損耗、溫度波動(dòng)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(méi)有，就不用擔(dān)心性能問(wèn)題了。）

圖 2 線性共振傳動(dòng)器 (LRA) 觸覺(jué)傳動(dòng)器

盡管在頻率方面沒(méi)有了靈活性，但是仍然可以對(duì)輸入信號(hào)的振幅進(jìn)行調(diào)整。發(fā)出該信號(hào)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(wú)法達(dá)到的。關(guān)于響應(yīng)時(shí)間，LRA 也要?jiǎng)龠^(guò) ERM，因?yàn)樗鼈兛梢栽谝幻腌妰?nèi)輸入多個(gè)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(jué)傳動(dòng)器的新舊兩派，但仍然還有另一種傳動(dòng)器我們沒(méi)有涉及。這種傳動(dòng)器并非為馬達(dá)型，它擁有驚人的響應(yīng)時(shí)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(dòng)器。

壓電傳動(dòng)器

準(zhǔn)確地說(shuō)，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(shí)間，基本上都由一個(gè)軟片（震動(dòng)-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(dòng)揚(yáng)聲器中，但現(xiàn)在，它將帶來(lái)最為復(fù)雜、精細(xì)的觸覺(jué)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(gè)新的領(lǐng)域。標(biāo)準(zhǔn)壓電傳動(dòng)器技術(shù)使用一個(gè)很薄的長(zhǎng)條或者一個(gè)圓盤(pán)，讓它們彎曲然后再反彈回去，通過(guò)在兩端施加電壓形成震動(dòng)（圖 3）。使用薄長(zhǎng)條的一種方法是將壓電長(zhǎng)條端安裝至觸摸屏，然后再將長(zhǎng)條的中心連接至設(shè)備殼。之后，把觸摸屏裝到一個(gè)外殼中，這樣長(zhǎng)條便可以“浮動(dòng)”，從而讓人們可以明顯地感覺(jué)到屏幕的壓電震動(dòng)。這種體驗(yàn)被稱作“局部觸覺(jué)”。您仍然可以感覺(jué)到設(shè)備本身的某些震動(dòng)，但大部分卻來(lái)自于屏幕。如果不需要屏幕局部震動(dòng)，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(dòng)器類(lèi)似，但功能性更低一些：震動(dòng)精密水平不如局部壓電觸覺(jué)高，但可以大大降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

圖 3 壓電觸覺(jué)傳動(dòng)器通常使用一個(gè)薄長(zhǎng)條或者平面圓盤(pán)，施加電壓時(shí)形成震動(dòng)

壓電型觸覺(jué)技術(shù)沒(méi)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(wú)法感受到按下機(jī)械按鍵時(shí)獲得的精確觸覺(jué)反饋，但利用壓電型觸覺(jué)技術(shù)以后會(huì)讓兩者之間的感受非常接近。在某個(gè)設(shè)計(jì)中嵌入多個(gè)壓電模塊后，可產(chǎn)生高精度的觸覺(jué)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(dòng)。在電容式觸摸驅(qū)動(dòng)應(yīng)用中，每個(gè)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(gè)屏幕都震動(dòng)。

壓電型傳動(dòng)器的一個(gè)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(lái)驅(qū)動(dòng)整個(gè)器件。多層壓電傳動(dòng)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(dòng)器價(jià)格昂貴。圖 4 從速度和響應(yīng)時(shí)間的角度描述了這種傳動(dòng)器的特點(diǎn)。ERM 和 LRA 的響應(yīng)時(shí)間范圍為  30  到  60  毫秒，而壓電傳動(dòng)器的響應(yīng)時(shí)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(dòng)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(jué)技術(shù)擁有極短的啟動(dòng)時(shí)間

同這些傳動(dòng)器一樣很“酷”的是，在種類(lèi)繁多的器件中僅只有一種組件適合于傳動(dòng)器。這種傳動(dòng)器之所以“偉大”，離不開(kāi)許多其他產(chǎn)品的支持。給傳動(dòng)器最大支持的一個(gè)組件便是物理驅(qū)動(dòng)器。市場(chǎng)上有許多這種物理驅(qū)動(dòng)器，但只有少數(shù)是專(zhuān)為壓電傳動(dòng)器驅(qū)動(dòng)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(jué)驅(qū)動(dòng)器。這種壓電驅(qū)動(dòng)器擁有 1.5ms 的快速啟動(dòng)時(shí)間，具備多種功能，可用于任何高端壓電觸覺(jué)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(kāi)關(guān)和二極管，不再需要變壓器。因此，在使用小型封裝時(shí)，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(jué)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)。