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三种主流触觉震动反馈技术及其优缺点介绍
触觉反馈技术(Haptics)是指通过力度、振动等皮肤感觉反馈传递信息的技术,对于这一技术,相信大家都不太陌生,因为它已经在智能手机、平板、可穿戴设备、VR/AR等行业广泛应用。


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图 iPhone home键触觉反馈系统

而在车载领域,随着汽车智能化发展,座舱内的传统物理按键逐渐被触控显示屏及智能表面替代,触觉反馈技术可提高驾驶安全性及体验感,已经被宝马、奔驰、奥迪、保时捷、凯迪拉克、吉利、长安等国内外车企应用于汽车中控、车门、方向盘、操控杆、座椅、空调面板、踏板等座舱内各个领域。

例如,奔驰全新的交互系统——MBUX Hyperscreen的大尺寸三联屏下配有12个传感器,手指在接触到屏幕中的特定点时,便会在玻璃面屏上触发有形的振动。

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图 奔驰MBUX Hyperscreen

三种常见的触觉反馈技术


典型的触觉技术系统是几个子模块的组合,即:带电容式按钮的触觉界面、处理器、驱动电路和执行器。

触觉技术系统的输入可以是触摸,即按下触摸屏上的电容式按钮,这用作发送到触摸屏控制器的输入或触发信号。设备中的传感器感知施加的力的变化、输入角度的变化并将信息发送到处理器。

该信息被进一步处理,生成一个可以是模拟或数字波形的波形,作为驱动电路的输入,并将特定指令提供给致动器以生成产生振动的模式,来自致动器的反馈返回到触摸屏设备作为力反馈,用户因此虚拟地感觉到这种力反馈。

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图 典型的触觉技术系统

常见的触觉震动执行器主要有三种,偏心电机(ERM),线性马达(LRA)和陶瓷马达(Piezo)。

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1. 偏心电机(ERM)


偏心电机(Eccentric Rotary Mass,ERM)的工作原理类似于直流电机。在偏心电机的中央有一个偏心转子,当偏心电机旋转时,偏心转子会产生一个离心力,这种离心力使偏心电机发生微小的位移,从而产生震动,人们感受到的这种震动反馈就称为触觉反馈。

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图 偏心电机,来源于Boréas Technologies

偏心电机的震动依靠旋转产生,启停需要时间,因此震动加速度相对较小,响应速度慢,噪声较大,同时全方位的震动缺乏指向性,无法完成复杂的震动效果,且能耗相对较高。

特点如下:

优点:驱动简单,成本较低。
缺点:响应速度慢,震动强度弱,震动体验感觉不细腻,功耗大。

2. 线性马达(LRA)


线性马达触觉震动器主要是一个由弹簧,质量块和线圈组成的弹簧系统。弹簧将线圈悬浮在线性马达内部,当线圈中有电流流过时,线圈会产生磁场。线圈和带有磁性的质量块相连,当流过线圈的电流改变时,磁场的方向和强弱也会改变,质量块就会在变化的磁场中上下移动,这种运动被人们感知就会产生触觉效果。

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图 线性马达,来源于Boréas Technologies


线性马达的震动依靠磁性质量块的上下运动,因而线性马达只会在垂直方向产生震动,不会在其他方向产生能量的浪费,这一运动的方向优势有助于节省功耗。

特点如下:

优点:响应速度快,震动强度大,震动体验感觉细腻,功耗低,声学噪声小。
缺点:谐振频率的细微偏移会噪声震动强度的大幅下降,减弱震动效果。

3. piezo 压电陶瓷


压电陶瓷触觉震动器是采用压电陶瓷材料制成。当有电压加在压电陶瓷上时,压电陶瓷材料会迅速的产生形变,压电陶瓷震动器的震动即来源于形变。压电陶瓷材料使压电陶瓷震动器成为了一种高精度的触觉震动器,意为响应速度更快,震动控制更精确。它可以接受更宽的驱动电压频率,声学噪声更小,震动强度和震动体验感觉比偏心电机和线性马达更强,更真实。

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图 当电压施加在压电陶瓷上时产生的形变  来源TDK

压电陶瓷震动器有单层和多层之分。压电陶瓷震动器是容性负载,因而单层和多层压电陶瓷对驱动电压的要求不同。通常单层压电陶瓷震动器需要更高的电压,而多层压电陶瓷震动器只需较低的电压,但是却需要更大的驱动电流。


压电陶瓷马达的震动是由压电陶瓷马达材料的形变引起的,因而它的震动强度也只产生在单一方向。同时,由于这种震动器的震动强度更强,响应速度更快,这些优点也有助于节省功耗。

特点如下:

优点:响应速度更快,驱动频带宽,震动强度大,震动体验感觉细腻真实,声学噪声小,功耗低。
缺点:需要高电压驱动。

下面,通过表格方式更加简介的来总结一下偏心电机,线性马达和压电陶瓷震动器各自的优缺点:


偏心电机

线性马达

单层压电陶瓷

多层压电陶瓷

综合评价

很好

最好

最好

震动加速度(G)

~1G

~1-2G

~3-5G

~3-5G

声学噪声

中等

安静

安静

响应时间

~50ms

~30ms

0.5ms

0.5ms

功耗

更低

更低

高精度触觉震动器

价格

较低


文章整理自:TI资料《触觉震动反馈技术的功耗分析》及网络信息


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