如何使用觸感器件提高人機界面的感知能力

對更高效人機界面 (HMI) 和更高感知能力的需求，正在推動(dòng)觸感器件在工業(yè) 4.0 應用、汽車(chē)、醫療和現場(chǎng)急救系統、物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設備、可穿戴設備及其他消費電子設備中的采用。例如，觸感器件可以在基于 VR（虛擬現實(shí)）或 AR（增強現實(shí)）的醫療培訓和患者康復系統中提供反饋，或者在方向盤(pán)上提供增強的警報，告知司機潛在的不安全狀況。觸感器件還與其他 HMI 技術(shù)（如聲音）結合使用，以提供更具沉浸式效果和更真實(shí)的感官界面。

設計人員在使用觸感器件時(shí)會(huì )面臨一些挑戰，包括：選擇正確的觸感技術(shù)（偏心旋轉質(zhì)量 (ERM) 或線(xiàn)性諧振致動(dòng)器 (LRA)），正確地將其集成到系統中以達到所需的反饋水平，驅動(dòng)觸感器件，以及了解如何測試觸感器件的振動(dòng)、噪聲性能和可靠性。

本文首先簡(jiǎn)要回顧觸感反饋可以為幾種應用場(chǎng)景帶來(lái)的好處，然后介紹觸感技術(shù)選項以及來(lái)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中，包括一個(gè)觸感驅動(dòng)器 IC 的示例，最后詳細介紹了振動(dòng)和噪聲性能的測試方法。

多感官界面

觸感器件正在越來(lái)越多地與視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)反饋結合使用，以創(chuàng )建多感官環(huán)境和增強的人機交互效果。觸感界面可能包括衣服、手套、觸摸屏和其他物體，如移動(dòng)設備和電腦鼠標。

多感官交互尤其適合利用非視覺(jué) HMI 元素（如觸感或聲音）讓用戶(hù)保持對手頭任務(wù)的關(guān)注，例如遠程控制機器、手術(shù)工具或駕駛汽車(chē)。將觸感器件集成到 HMI 還能支持與虛擬環(huán)境或遠程操控的遠程系統實(shí)現增強的手動(dòng)交互。為了獲得將觸感器件集成到 HMI 的最大好處，設計人員需要了解觸感技術(shù)的性能權衡。

觸感器件技術(shù)

最常見(jiàn)的觸感技術(shù)包括 ERM 和 LRA。ERM 使用電機軸上的偏心質(zhì)量來(lái)制造失衡并產(chǎn)生振動(dòng)。ERM 器件使用相對簡(jiǎn)單的直流 (DC) 電壓驅動(dòng)。ERM 使用直流電，結合相對簡(jiǎn)單的機械設計，具有若干權衡：

優(yōu)勢：

· 驅動(dòng)簡(jiǎn)單
· 成本低
· 外形尺寸靈活
· 對某些設計而言，系統集成更簡(jiǎn)單

劣勢：

· 能耗高
· 反應速度慢
· 解決方案的尺寸較大

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

LRA 器件在相對較窄的諧振頻段（通常為 ±2 至 ±5 Hz）內高效運行。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，導致驅動(dòng)電路的設計異常復雜。與 ERM 器件相比，LRA 觸感器件給設計人員帶來(lái)了一系列優(yōu)勢和劣勢：

優(yōu)勢：

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

劣勢：

· 共振頻率可能變化
· 驅動(dòng)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(cháng)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(lái)源：PUI Audio）

硬幣式 ERM 器件

對可穿戴設備這類(lèi)可以從硬幣式 ERM 器件獲益的應用而言，設計人員可以使用來(lái)自 PUI Audio 的直徑 8 mm、厚度 3 mm 的 HD-EM0803-LW20-R。HD-EM0803-LW20-R 的規格包括：

· 額定轉速每分鐘 12,000 (±3,000) 轉 (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性的熱環(huán)境中工作的器件，設計人員可以改用 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、負直流電驅動(dòng)，以實(shí)現順時(shí)針或逆時(shí)針轉動(dòng)。它們包括 20 mm 的導線(xiàn)，可實(shí)現靈活的電氣連接，并產(chǎn)生最大 50 dBA 的聲學(xué)噪聲。