如何使用觸感器件提高人機(jī)界面的感知能力

對更高效人機(jī)界面 (HMI) 和更高感知能力的需求，正在推動觸感器件在工業(yè) 4.0 應(yīng)用、汽車、醫(yī)療和現(xiàn)場急救系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備、可穿戴設(shè)備及其他消費(fèi)電子設(shè)備中的采用。例如，觸感器件可以在基于 VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）或 AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）的醫(yī)療培訓(xùn)和患者康復(fù)系統(tǒng)中提供反饋，或者在方向盤上提供增強(qiáng)的警報(bào)，告知司機(jī)潛在的不安全狀況。觸感器件還與其他 HMI 技術(shù)（如聲音）結(jié)合使用，以提供更具沉浸式效果和更真實(shí)的感官界面。

設(shè)計(jì)人員在使用觸感器件時(shí)會面臨一些挑戰(zhàn)，包括：選擇正確的觸感技術(shù)（偏心旋轉(zhuǎn)質(zhì)量 (ERM) 或線性諧振致動器 (LRA)），正確地將其集成到系統(tǒng)中以達(dá)到所需的反饋水平，驅(qū)動觸感器件，以及了解如何測試觸感器件的振動、噪聲性能和可靠性。

本文首先簡要回顧觸感反饋可以為幾種應(yīng)用場景帶來的好處，然后介紹觸感技術(shù)選項(xiàng)以及來自 PUI Audio 的真實(shí)觸感器件示例。文中討論了如何將觸感器件集成到系統(tǒng)中，包括一個(gè)觸感驅(qū)動器 IC 的示例，最后詳細(xì)介紹了振動和噪聲性能的測試方法。

多感官界面

觸感器件正在越來越多地與視覺和聽覺反饋結(jié)合使用，以創(chuàng)建多感官環(huán)境和增強(qiáng)的人機(jī)交互效果。觸感界面可能包括衣服、手套、觸摸屏和其他物體，如移動設(shè)備和電腦鼠標(biāo)。

多感官交互尤其適合利用非視覺 HMI 元素（如觸感或聲音）讓用戶保持對手頭任務(wù)的關(guān)注，例如遠(yuǎn)程控制機(jī)器、手術(shù)工具或駕駛汽車。將觸感器件集成到 HMI 還能支持與虛擬環(huán)境或遠(yuǎn)程操控的遠(yuǎn)程系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的手動交互。為了獲得將觸感器件集成到 HMI 的最大好處，設(shè)計(jì)人員需要了解觸感技術(shù)的性能權(quán)衡。

觸感器件技術(shù)

最常見的觸感技術(shù)包括 ERM 和 LRA。ERM 使用電機(jī)軸上的偏心質(zhì)量來制造失衡并產(chǎn)生振動。ERM 器件使用相對簡單的直流 (DC) 電壓驅(qū)動。ERM 使用直流電，結(jié)合相對簡單的機(jī)械設(shè)計(jì)，具有若干權(quán)衡：

優(yōu)勢：

· 驅(qū)動簡單
· 成本低
· 外形尺寸靈活
· 對某些設(shè)計(jì)而言，系統(tǒng)集成更簡單

劣勢：

· 能耗高
· 反應(yīng)速度慢
· 解決方案的尺寸較大

相反，LRA 器件沒有使用偏心質(zhì)量產(chǎn)生多軸振動，而是利用音圈、圓形磁鐵和彈簧，以直線運(yùn)動的方式產(chǎn)生振動。LRA 器件采用交流電 (AC) 驅(qū)動器為音圈供電。交流電在音圈中形成可變磁場，致使磁鐵上下移動。彈簧將磁鐵與器件外殼相連，將振動能量傳遞到系統(tǒng)。由于 LRA 器件以音圈為基礎(chǔ)，不依賴 ERM 中使用的電刷，因而在給定的振動強(qiáng)度下功耗較少。以 180° 相移驅(qū)動 LRA 器件可以實(shí)現(xiàn)制動，從而加快響應(yīng)速度。

LRA 器件在相對較窄的諧振頻段（通常為 ±2 至 ±5 Hz）內(nèi)高效運(yùn)行。由于制造公差、元器件老化、環(huán)境條件和安裝考量等諸多因素，LRA 器件的確切共振頻率可能各有不同，導(dǎo)致驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)異常復(fù)雜。與 ERM 器件相比，LRA 觸感器件給設(shè)計(jì)人員帶來了一系列優(yōu)勢和劣勢：

優(yōu)勢：

· 響應(yīng)速度更快
· 效率更高
· 加速度更快
· 可以制動
· 尺寸可能更小

劣勢：

· 共振頻率可能變化
· 驅(qū)動難度大
· 成本更高

除了操作上的差異外，ERM 和 LRA 器件還提供了多種封裝樣式。ERM 器件可采用硬幣或條形封裝，LRA 則采用硬幣、棱形（矩形）或桶形封裝（圖 1）。硬幣式 ERM 和 LRA 器件通常直徑約 8 mm，厚度約 3 mm。條形 ERM 觸感器件的尺寸較大，長約 12 mm，寬約 4 mm。


圖 1：ERM 提供條形或硬幣封裝，LRA 則提供硬幣、桶形或棱形格式。（圖片來源：PUI Audio）

硬幣式 ERM 器件

對可穿戴設(shè)備這類可以從硬幣式 ERM 器件獲益的應(yīng)用而言，設(shè)計(jì)人員可以使用來自 PUI Audio 的直徑 8 mm、厚度 3 mm 的 HD-EM0803-LW20-R。HD-EM0803-LW20-R 的規(guī)格包括：

· 額定轉(zhuǎn)速每分鐘 12,000 (±3,000) 轉(zhuǎn) (rpm)
· 端子電阻 38 Ω (±50%)
· 輸入電壓 3 V 直流
· 額定電流消耗 80 mA
· 工作溫度范圍 -20 至 +60 °C

對于需要在更具挑戰(zhàn)性的熱環(huán)境中工作的器件，設(shè)計(jì)人員可以改用 HD-EM1003-LW15-R，其額定工作溫度為 -30°C 至 +70°C。它與 HD-EM0803-LW20-R 具有相同的額定轉(zhuǎn)速和尺寸，其端子電阻為 46 Ω (±50%)，額定電流消耗為 85 mA。這兩種硬幣式 ERM 器件都可以使用正、負(fù)直流電驅(qū)動，以實(shí)現(xiàn)順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動。它們包括 20 mm 的導(dǎo)線，可實(shí)現(xiàn)靈活的電氣連接，并產(chǎn)生最大 50 dBA 的聲學(xué)噪聲。