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谁是未来王者?当前市场三大触觉反馈技术深度剖析

2012-05-02 11:21
空白小盒子
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  如果您使用触摸屏手机,那么您一定有机会感受到触觉反馈(Haptics)技术的魔力,它让游戏机、触摸屏设备和移动电子产品的用户体验上升到一个全新的水平。人们为什么会给一种如此“酷”的功能性技术取一个如此怪异的名称呢?就字面而言,让我很是费解。“Haptics”这个词来自希腊语“ἅπτω”,意思是“我盯着看,我触摸。”基本上,具备触觉功能的系统通过触觉震动来实现操作反馈。希腊人发明这个词以后使用的并不多,直到现代触觉技术广泛应用于各行各业中才赋予了它新的含义。航空领域首先应用了这种技术,它让飞行员能够在飞机发动机熄火时“感觉”到操纵杆的模拟震动。在老式飞机上,这种震动是真实出现的,但控制系统改进以后飞机会检测到这种震动,然后强制反馈给系统。

  这几年,触觉系统已扩展到仿真和电子产品领域。一些让用户可以感受和感觉遥远(或者虚拟)环境中事物的设备,已经广泛应用于挖掘、建筑设计、教育甚至是远程医疗。在更加个人的层面上,触觉反馈技术可以让您在安静地观看电影的同时,被提醒还有会议要参加,或者被提醒收到了彩票中奖短信,而您的邻座对此全然不知。在游戏世界,由于您的控制器集成了嵌入式传动器并在游戏中编入了相应程序,因此当您的汽车将要驶出公路,或者您在《Halo grudge match》(Xbox 游戏)中受伤时,触觉反馈技术都会提醒您。

  这种技术对您何其重要我们不再累述,让我们谈谈它的工作原理吧!基本上来说,在今天的市场上共有 2 种触觉传感技术:守旧派和新兴派。但是,这两派本质上都是基于马达的。每种拓扑结构都有其自己的优缺点和独特的功能。我们现在来深入研究每种拓扑。

  偏转质量 (ERM)--守旧派

  偏转质量是市场上最老也是最成熟的触觉反馈技术。回想您童年时代的所有具备震动功能的设备,这种震动大多是由 ERM 实现的。如图1所示,ERM包含有一个偏心旋转质量,它旋转时形成一个全方向的震动,震动传遍整个设备,例如,您的手机处于静音或者震动模式时便利用震动提醒您。

  偏转质量 (ERM) 触觉传动器结构图

  图1 偏转质量 (ERM) 触觉传动器结构图

  不幸的是,由于ERM的结构问题,形成复杂波形的能力有限。每个波的频率和振幅一起耦合至输入控制电压,让您仅能使用一个变量来产生不同的震动效果。一般而言,您仅能得到不同的脉冲或者速度组合,其与莫尔斯电码差不多。相比更新的技术,唤醒马达让其工作随后再停止的这种方法存在一定的局限性。当要求速度和响应时间时ERM便成为相对较慢的一种选择。但是,这种技术的优点是,由于它已存在相当长一段时间,是目前可以使用的几种高成本效益方案之一。

  线性共振传动器 (LRA)--新兴派

  新一代触觉反馈技术是线性共振传动器,它已得到许多新型手持设备厂商的广泛采用。LRA基本上就是一个连接弹簧的磁铁,被一个线圈环绕,放置于一个盒形外壳内,如图2所示。磁铁受到控制,以线性方式移动,最终达到共振频率。这种以共振频率工作的方式,让驱动器可以在更低功耗条件下运行,功耗比 ERM 平均低30%;但是,会受限于这一频率。

  LRA驱动频率移至该共振频带以外时,效率和性能都会大大降低。这就成为一个需要解决的设计问题,因为弹簧常数会因损耗、温度波动或者其他环境因素变化而改变,比如LRA器件是否被卡住等(如果没有,就不用担心性能问题了。)

  线性共振传动器 (LRA) 触觉传动器

  图2 线性共振传动器 (LRA) 触觉传动器

  尽管在频率方面没有了灵活性,但是仍然可以对输入信号的振幅进行调整。发出该信号的作用是增加额外的自由度和独特的波形,而这些是使用ERM无法达到的。关于响应时间,LRA也要胜过ERM,因为它们可以在一秒钟内输入多个字母的操作提供按键确认反馈,从而让其成为手机短信或者任何输入应用的理想选择。

  我们已经介绍了触觉传动器的新旧两派,但仍然还有另一种传动器我们没有涉及。这种传动器并非为马达型,它拥有惊人的响应时间,很高的能效,并拥有比ERM和LRA都要小得多的体积。这款理想的新型器件被称为压电传动器。

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