不同驅(qū)動技術(shù)下的觸覺反饋

在越來越智能化的HMI設(shè)計上，我們時常會和一類技術(shù)打交道——觸覺反饋。觸覺反饋目前在終端的主要表現(xiàn)形式是“振動”，觸覺反饋技術(shù)通過作用力、振動等一系列動作為使用者再現(xiàn)觸感。這一反饋增強(qiáng)了人機(jī)交互的“互動感”，并增強(qiáng)了對于機(jī)械設(shè)備、智能終端的操控。

目前主流觸覺反饋設(shè)計中常用的執(zhí)行器有三種：第一種是偏轉(zhuǎn)質(zhì)量馬達(dá)（ERM），第二種是線性共振致動器（LRA），第三種壓電式致動器。三者實現(xiàn)的振動反饋效果各不相同，但從原理上，這些傳動器產(chǎn)生振動效果都離不開觸覺驅(qū)動器。觸覺驅(qū)動器發(fā)送模擬或數(shù)字輸入信號，然后驅(qū)動器放大信號或從構(gòu)件中調(diào)用波形，并輸出到傳動器以產(chǎn)生振動效果。三種振動反饋雖然效果不同，發(fā)展到現(xiàn)在也都有自己獨特的優(yōu)勢，適用于各自不同的場景。

低成本的ERM觸覺反饋設(shè)計

ERM這種觸覺系統(tǒng)由高頻轉(zhuǎn)動偏心質(zhì)量的電機(jī)組成，作為最早出現(xiàn)的觸覺反饋方案，其歷史相當(dāng)悠久。隨著更好的觸覺反饋技術(shù)發(fā)展，ERM已被小型化，以適應(yīng)更小型的設(shè)備，憑借其低成本的優(yōu)勢在一些低質(zhì)量的應(yīng)用中發(fā)揮著作用。

相比于其他技術(shù)，ERM反應(yīng)時間顯得有些慢了，通常需要長達(dá)幾十毫秒才能達(dá)到峰值頻率，加速和減速的延遲會在達(dá)到峰值的開始和結(jié)束時產(chǎn)生輕微的不良振動。另一方面，ERM解決方案的頻率范圍也相當(dāng)有限，觸覺反饋效果不算完美。

就ERM技術(shù)本身來說，目前其驅(qū)動芯片功耗也降到了很低。為了降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，集成的波形存儲器允許觸覺序列預(yù)加載到驅(qū)動，觸覺序列也可以通過I2C或脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號從外部源流傳輸?shù)津?qū)動上。較小的尺寸、改進(jìn)的輸出驅(qū)動器效率，這些ERM驅(qū)動器上的改進(jìn)與補(bǔ)足讓該技術(shù)在一些成本敏感、觸覺效果要求并不嚴(yán)苛的應(yīng)用里仍舊占據(jù)著重要地位。

取代ERM的高效LRA

由于LRA需要的是一個交流信號，所以它的驅(qū)動相對于ERM要復(fù)雜一些。對于ERM，可以使用單個MOSFET和微控制器來驅(qū)動直流電機(jī)，但對于LRA，最簡單的選擇是使用專用驅(qū)動IC。LRA驅(qū)動具有較短的滯后和上升時間，能夠提供改進(jìn)的觸覺性能，相比ERM功率的消耗也更低。

專用于LRA驅(qū)動的輸入信號的振幅和頻率彼此獨立，允許輸入具有比ERM更復(fù)雜的波形。這可以產(chǎn)生更豐富的用戶觸覺體驗。有些原廠會配置單線制振動方案，內(nèi)置存儲器和可循環(huán)波形序列器，LRA驅(qū)動擁有自動過驅(qū)和制動功能，可以輕松生成清晰優(yōu)質(zhì)的觸覺效果的同時還能減輕處理單元的負(fù)擔(dān)。

不管是自動閉環(huán)反饋改進(jìn)響應(yīng)時間，自動校準(zhǔn)檢測閉環(huán)反饋系數(shù)，還是自諧振檢測感測LRA的諧振頻率，LRA驅(qū)動作為效率極高的觸覺反饋技術(shù)一直都在大大簡化觸覺反饋設(shè)計的難度。隨著LRA驅(qū)動進(jìn)一步降低功耗和尺寸，將帶來更敏銳、更強(qiáng)的觸覺效果。

更快響應(yīng)的壓電觸覺

壓電陶瓷執(zhí)行器并非上述兩種馬達(dá)型技術(shù)，作為一種新興技術(shù)，它使用壓電驅(qū)動器透過壓電驅(qū)動器的致動器材料發(fā)送高壓電源，使其變形并產(chǎn)生觸覺反饋，擁有極短的啟停響應(yīng)時間和更高的效率。

壓電式驅(qū)動近乎瞬時的反應(yīng)意味著觸覺反饋更精準(zhǔn)、更清晰，上圖中DRV2667的響應(yīng)時間不到2ms。器件會內(nèi)置一個波形存儲器，用于以最小的延遲保存并讀取波形，同時包含一個高級波形合成器，以最少的存儲空間構(gòu)建復(fù)雜觸覺波形，這種高清的觸覺反饋也是其他技術(shù)不能實現(xiàn)的。另外這種硬件加速的方式也減少了整個觸覺系統(tǒng)的工作量。Maxim（ADI）的TacTouch方案觸覺回放啟動時間更快（600us）。

壓電觸覺的無限頻率范圍是ERM和LRA無法實現(xiàn)的，帶寬不大很難創(chuàng)建不同的觸覺效果，無限的頻率范圍意味著提供各種觸覺效果的可能性。

小結(jié)

在LRA，ERM，還有壓電式的選擇上最終還是要視場景而定。歷史悠久的ERM在小尺寸、低成本應(yīng)用上仍然有用武之地。LRA更高的效能，更高的加速度，更好的觸覺反饋多年來一直是最有效的觸覺反饋方案。近乎瞬時反應(yīng)且沒有頻率限制的壓電觸覺反饋更是為未來各種各樣的觸覺效果實現(xiàn)提供了無限的可能。