【導讀】由于我們更多地依賴電子用戶界面,我們需要觸覺反饋來幫助我們了解系統(tǒng)正在做什么。觸覺技術不僅使我們獲得更令人滿意的體驗,還有助于改善控制,擴展功能和增強系統(tǒng)用戶的安全性,同時幫助制造商區(qū)將其產(chǎn)品差異化。
客座博主 Shantanu Balu 是SomaTIc Labs的聯(lián)合創(chuàng)建人,創(chuàng)立了Moment,Moment是一種創(chuàng)新的可穿戴設備,完全通過觸覺與用戶通信。
LRA結構圖
線性諧振傳動器(LRA)是在單個軸上產(chǎn)生振蕩力的振動電機。與直流偏心旋轉(zhuǎn)質(zhì)量(ERM)電機不同,線性諧振傳動器依靠交流電壓來驅(qū)動壓靠與彈簧連接的移動質(zhì)量塊的音圈。當音圈在彈簧的共振頻率下被驅(qū)動時,整個傳動器以可感知的力振動。雖然可以通過改變交流輸入來調(diào)節(jié)線性諧振傳動器的頻率和振幅,但是傳動器必須在其諧振頻率下被驅(qū)動,以產(chǎn)生大電流有意義的力。
在產(chǎn)生振動,壓靠移動質(zhì)量塊時,音圈在裝置內(nèi)部保持靜止。通過相對于彈簧向上和向下驅(qū)動磁體,LRA作為整體發(fā)生移位,產(chǎn)生振動?;A機制類似于揚聲器產(chǎn)生聲音。在揚聲器中,通過將交流電頻率和振幅轉(zhuǎn)變?yōu)檎駝宇l率和振幅使空氣通過錐體并且以不同的頻率發(fā)生位移。在內(nèi)部,揚聲器通過以快速變化的交流電移動磁鐵質(zhì)量塊來完成該任務。與可以以任意頻率驅(qū)動的揚聲器不同,LRA在特定頻率范圍內(nèi)的觸覺應用才是有用的。
除了將由音圈產(chǎn)生的力直接傳遞到皮膚,該裝置還通過利用彈簧的共振頻率來優(yōu)化功耗。如果音圈在彈簧的共振頻率下推動磁鐵質(zhì)量塊抵靠彈簧,則裝置可以更有效地產(chǎn)生更高振幅的振動。由于音圈由交流電驅(qū)動,對振動的期望頻率和振幅進行建模,可以獨立地修改頻率和振幅。這不同于ERM電機,ERM電機與所產(chǎn)生振動的兩個性質(zhì)耦合。
盡管頻率可以改變,但是LRA通常將在窄頻率范圍內(nèi)操作以優(yōu)化其功耗——如果裝置在彈簧諧振頻率下被驅(qū)動,則產(chǎn)生相等幅度的振動將消耗更少的功率。無論如何,這種改進本身提供了優(yōu)于ERM電機的獨特優(yōu)勢:隨時間變化強度的精確波形可以在具有固定頻率的LRA中再現(xiàn),而ERM電機中的變化強度的波形也將產(chǎn)生變化的振動頻率。
LRA的典型起動時間約為10ms,是ERM電機產(chǎn)生振動所需時間的一小部分。當電流施加到裝置內(nèi)的音圈時,磁鐵質(zhì)量塊立即移動,產(chǎn)生這種不可思議的速度。在ERM電機中,只有在電機達到運行速度之后才能產(chǎn)生振動——即使在過度驅(qū)動電機產(chǎn)生更快的加速度時,電機在達到期望的振動強度之前可能需要20-50ms。不幸的是,LRA的停止時間明顯長于ERM電機。由于運行期間內(nèi)部彈簧中持續(xù)存儲動能,LRA可能需要300 ms的時間來停止振動。值得慶幸的是,主動制動機構也可以用于LRA,通過執(zhí)行提供給傳動器的交流信號的180度相移,可以通過產(chǎn)生與振蕩彈簧相反的力非??焖俚兀ㄔ诖蠹s10ms內(nèi))停止振動。
許多現(xiàn)代手機使用LRA而不是其他類型的振動電機,以便以更小的功率產(chǎn)生更寬范圍的振動觸覺效應。像視頻游戲控制器等其他消費電子產(chǎn)品也利用線性諧振傳動器來為觸摸板提供觸覺反饋。 Adafruit Industries出售DRV2605分線板,該分線板適用于使用LRA的設備的模擬原型。上述分線板可以很容易地與任何電子原型平臺進行集成。您還可以在線查找分線板的其他變體。
現(xiàn)成的芯片可以簡化一些應用的開發(fā)過程。TI的DRV2605和DRV2605等觸覺驅(qū)動器可驅(qū)動LRA以及ERM電機。當我們設計具有豐富觸覺反饋的可穿戴設備Moment時,我們使用DRV2605 在四個線性諧振傳動器提供沉浸式觸覺效果
Moment轉(zhuǎn)動使用精確定時的觸覺效果來產(chǎn)生在皮膚上的運動感覺。這為創(chuàng)建信息的觸覺表達提供了獨特的機會——例如,內(nèi)置的觸覺羅盤可以使用戶總是感覺到真正北方的位置。Moment還配備了一個計時器,將時間的流逝轉(zhuǎn)變?yōu)樵谟脩羰滞笊弦苿拥母杏X,提高他們對不同任務花費多少時間的意識。DRV2605使我們可以快速對器件進行原型設計,開發(fā)這些獨特的應用,而不必擔心驅(qū)動LRA的復雜性。
由于DRV2605簡化了以正確諧振頻率驅(qū)動LRA的過程,因此我們能夠更快地對硬件設計的其他部分進行迭代。此外,通過其I2C接口將 DRV2605實現(xiàn) 為具有微控制器的電路非常簡單,而且占用空間小,除了驅(qū)動器芯片之外僅需要去耦電容器。為您的設計選擇LRA也可以幫助提高精度和壽命。
盡管線性諧振傳動器在定制設計中似乎很難實現(xiàn),但是如TIDRV2605等觸覺驅(qū)動器芯片可以簡化過程,提高性能并降低總體功耗。
TI的驅(qū)動器旨在驅(qū)動觸覺傳動器,通過消除不必要的功能和軟件控制簡化設計過程。提高性能和簡化設計涉及到幾項功能。例如,自動閉環(huán)反饋改進了ERM和LRA的響應。自動校準檢測和配置每個傳動器的閉環(huán)反饋系數(shù),并且自諧振檢測感測LRA的諧振頻率。
因為根據(jù)用戶的需要定制,LRA可以提供更好的整體觸覺體驗。LRA還在不斷發(fā)展,努力降低功耗和電路板占用面積,同時產(chǎn)生更敏銳、更強的觸覺效果。
由于我們更多地依賴電子用戶界面,我們需要觸覺反饋來幫助我們了解系統(tǒng)正在做什么。觸覺技術不僅使我們獲得更令人滿意的體驗,還有助于改善控制,擴展功能和增強系統(tǒng)用戶的安全性,同時幫助制造商區(qū)將其產(chǎn)品差異化。