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驅動可穿戴設備中的觸覺振動和反饋
驅動可穿戴設備中的觸覺振動和反饋
增強現實、虛擬手術、肢體置換、醫療設備和其他新技術需要結合觸覺振動電機和反饋，讓佩戴者全面了解他們如何與環境互動。除非這些尖端應用包括觸覺振動和反饋，否則用戶將被迫依靠其他四種感官來了解真實或虛擬環境。自翻蓋手機時代以來，支持觸覺反饋的低成本組件就已經出現，以支持這些應用程序，而設計人員僅受其想象力的限制。
在最近一位新客戶的詢問之后，我不得不跳入觸覺振動和反饋的世界。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。無論您是否熟悉傳感器，都有一個嵌入式軟件問題需要解決，尤其是當您考慮使用傳感器觸發觸覺反饋時。
選擇觸覺振動電機
觸覺振動電機有兩種：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、線性和偏心旋轉質量 (ERM) 振動電機。ERM 電機在舊式尋呼機和早期手機中很常見。立式擺動電機和直線電機在驅動包裝件上的力的方式上是相似的。這些電機可以通過一對電線安裝到電路板或封裝上。
一些觸覺振動電機樣式
上面顯示的硬幣/煎餅樣式基本上是一個幅度控制的直流電機，通過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。過去 20 年的多項研究發現，觸覺的最佳振動頻率范圍為 150 Hz 至 180 Hz。AC 版本也可用（見下表）。
另一種觸覺振動電機是線性共振致動器 (LRA)。這種類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一起使用，但它們對于電壓控制的觸覺非常有用，因為它們將以驅動頻率做出響應（即，它們是交流電機）。
阻抗匹配還是阻抗橋接？
將這些電機帶入實際系統并不是一個挑戰，因為它們不會產生與大型電機相同的傳導和輻射EMI 問題。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能夠最好地感知振動的區域附近。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，在將振動電機連接到驅動器時，始終存在阻抗匹配與阻抗橋接的問題。觸覺振動電機本質上是傳感器，可響應低頻電信號輸出特定的低頻機械振動。
如果您閱讀了一些關于換能器的教程，即使是在技術含量很高的熱門網站上，您也會發現一些設計建議，即需要源 IC 和換能器之間的狀態阻抗匹配。這就是人們在 EDN 和 Hyperphysics 上會找到的此類建議，直到一些投訴迫使網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器的性質。
用于編碼盲文的觸覺振動和反饋系統
如果驅動器實際上是一個電流控制電壓源（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。傳輸線效應在這里不相關，因為我們在 100 赫茲下工作。
觸覺反饋算法
觸覺反饋的一個重要部分是隨著系統中其他一些輸入的變化而改變振動感覺。數據可以與來自外部傳感器的一些測量值一起輸入系統，并用于控制觸覺振動強度。這些系統可以是開環或閉環系統，它們類似于工業控制系統中使用的控制策略。
觸覺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支持產品中的其他功能。觸覺反饋算法仍然需要針對特定產品進行設計，這些算法仍然是科學和工程研究的一個活躍領域。
如果您計劃將觸覺振動和反饋集成到新的 PCB 中，您應該使用Altium Designer ? 中的 CAD 工具來布局您的新電路板并為您的觸覺振動電機放置組件模型。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。