驅動(dòng)可穿戴設備中的觸覺(jué)振動(dòng)和反饋

2021-06-25

驅動(dòng)可穿戴設備中的觸覺(jué)振動(dòng)和反饋

增強現實(shí)、虛擬手術(shù)、肢體置換、醫療設備和其他新技術(shù)需要結合觸覺(jué)振動(dòng)電機和反饋，讓佩戴者全面了解他們如何與環(huán)境互動(dòng)。除非這些尖端應用包括觸覺(jué)振動(dòng)和反饋，否則用戶(hù)將被迫依靠其他四種感官來(lái)了解真實(shí)或虛擬環(huán)境。自翻蓋手機時(shí)代以來(lái)，支持觸覺(jué)反饋的低成本組件就已經(jīng)出現，以支持這些應用程序，而設計人員僅受其想象力的限制。

在最近一位新客戶(hù)的詢(xún)問(wèn)之后，我不得不跳入觸覺(jué)振動(dòng)和反饋的世界。如果您是音頻電子設計師，那么您可能熟悉換能器以及如何將它們與放大器、MCU 或其他組件配對。無(wú)論您是否熟悉傳感器，都有一個(gè)嵌入式軟件問(wèn)題需要解決，尤其是當您考慮使用傳感器觸發(fā)觸覺(jué)反饋時(shí)。

選擇觸覺(jué)振動(dòng)電機

觸覺(jué)振動(dòng)電機有兩種：可變振幅和可變頻率。顯然，這些電機可以分解為不同的電機結構，例如垂直振蕩、線(xiàn)性和偏心旋轉質(zhì)量 (ERM) 振動(dòng)電機。ERM 電機在舊式尋呼機和早期手機中很常見(jiàn)。立式擺動(dòng)電機和直線(xiàn)電機在驅動(dòng)包裝件上的力的方式上是相似的。這些電機可以通過(guò)一對電線(xiàn)安裝到電路板或封裝上。

一些觸覺(jué)振動(dòng)電機樣式

上面顯示的硬幣/煎餅樣式基本上是一個(gè)幅度控制的直流電機，通過(guò)改變電機看到的直流電壓，頻率可以在 ~10000 到 ~15000 RPM 之間變化。驅動(dòng)這些電機所需的直流電壓范圍通常為 2 至 5 V，而這些設備需要約 50 至約 100 mA。過(guò)去 20 年的多項研究發(fā)現，觸覺(jué)的最佳振動(dòng)頻率范圍為 150 Hz 至 180 Hz。AC 版本也可用（見(jiàn)下表）。

另一種觸覺(jué)振動(dòng)電機是線(xiàn)性共振致動(dòng)器 (LRA)。這種類(lèi)型的電機在窄帶寬內有很強的共振。這些設備不應與頻率控制的觸覺(jué)一起使用，但它們對于電壓控制的觸覺(jué)非常有用，因為它們將以驅動(dòng)頻率做出響應（即，它們是交流電機）。

阻抗匹配還是阻抗橋接？

將這些電機帶入實(shí)際系統并不是一個(gè)挑戰，因為它們不會(huì )產(chǎn)生與大型電機相同的傳導和輻射EMI 問(wèn)題。如果放置在電路板上（即作為 SMD 組件），它們應放置在靠近電路板邊緣和使用戶(hù)能夠最好地感知振動(dòng)的區域附近。像布置任何其他小型 DC/AC 電機一樣為這些組件布置電路板。

由于電壓和電流要求，在將振動(dòng)電機連接到驅動(dòng)器時(shí)，始終存在阻抗匹配與阻抗橋接的問(wèn)題。觸覺(jué)振動(dòng)電機本質(zhì)上是傳感器，可響應低頻電信號輸出特定的低頻機械振動(dòng)。

如果您閱讀了一些關(guān)于換能器的教程，即使是在技術(shù)含量很高的熱門(mén)網(wǎng)站上，您也會(huì )發(fā)現一些設計建議，即需要源 IC 和換能器之間的狀態(tài)阻抗匹配。這就是人們在 EDN 和 Hyperphysics 上會(huì )找到的此類(lèi)建議，直到一些投訴迫使網(wǎng)站所有者更改其內容。應該使用阻抗匹配還是阻抗橋接取決于驅動(dòng)器的性質(zhì)。

用于編碼盲文的觸覺(jué)振動(dòng)和反饋系統

如果驅動(dòng)器實(shí)際上是一個(gè)電流控制電壓源（即低輸出阻抗），則應使用阻抗橋接將高輸出電壓傳輸到電機。這基本上是現代音頻設備所做的。但是，如果驅動(dòng)器具有相反的功能，則應選擇電機，使其阻抗遠低于源阻抗。傳輸線(xiàn)效應在這里不相關(guān)，因為我們在 100 赫茲下工作。

觸覺(jué)反饋算法

觸覺(jué)反饋的一個(gè)重要部分是隨著(zhù)系統中其他一些輸入的變化而改變振動(dòng)感覺(jué)。數據可以與來(lái)自外部傳感器的一些測量值一起輸入系統，并用于控制觸覺(jué)振動(dòng)強度。這些系統可以是開(kāi)環(huán)或閉環(huán)系統，它們類(lèi)似于工業(yè)控制系統中使用的控制策略。

觸覺(jué)反饋算法足夠輕量級，可以嵌入到 MCU 或小型 FPGA 中，只要設備有足夠的輸入來(lái)支持產(chǎn)品中的其他功能。觸覺(jué)反饋算法仍然需要針對特定產(chǎn)品進(jìn)行設計，這些算法仍然是科學(xué)和工程研究的一個(gè)活躍領(lǐng)域。

如果您計劃將觸覺(jué)振動(dòng)和反饋集成到新的 PCB 中，您應該使用Altium Designer ? 中的 CAD 工具來(lái)布局您的新電路板并為您的觸覺(jué)振動(dòng)電機放置組件模型。MCAD 工具可以幫助您設計電路板以使其與外殼完美匹配并為制造做好準備。