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驱动可穿戴设备中的触觉振动和反馈
驱动可穿戴设备中的触觉振动和反馈
增强现实、虚拟手术、肢体置换、医疗设备和其他新技术需要结合触觉振动电机和反馈，让佩戴者全面了解他们如何与环境互动。除非这些尖端应用包括触觉振动和反馈，否则用户将被迫依靠其他四种感官来了解真实或虚拟环境。自翻盖手机时代以来，支持触觉反馈的低成本组件就已经出现，以支持这些应用程序，而设计人员仅受其想象力的限制。
在最近一位新客户的询问之后，我不得不跳入触觉振动和反馈的世界。如果您是音频电子设计师，那么您可能熟悉换能器以及如何将它们与放大器、MCU 或其他组件配对。无论您是否熟悉传感器，都有一个嵌入式软件问题需要解决，尤其是当您考虑使用传感器触发触觉反馈时。
选择触觉振动电机
触觉振动电机有两种：可变振幅和可变频率。显然，这些电机可以分解为不同的电机结构，例如垂直振荡、线性和偏心旋转质量 (ERM) 振动电机。ERM 电机在旧式寻呼机和早期手机中很常见。立式摆动电机和直线电机在驱动包装件上的力的方式上是相似的。这些电机可以通过一对电线安装到电路板或封装上。
一些触觉振动电机样式
上面显示的硬币/煎饼样式基本上是一个幅度控制的直流电机，通过改变电机看到的直流电压，频率可以在 ~10000 到 ~15000 RPM 之间变化。驱动这些电机所需的直流电压范围通常为 2 至 5 V，而这些设备需要约 50 至约 100 mA。过去 20 年的多项研究发现，触觉的最佳振动频率范围为 150 Hz 至 180 Hz。AC 版本也可用（见下表）。
另一种触觉振动电机是线性共振致动器 (LRA)。这种类型的电机在窄带宽内有很强的共振。这些设备不应与频率控制的触觉一起使用，但它们对于电压控制的触觉非常有用，因为它们将以驱动频率做出响应（即，它们是交流电机）。
阻抗匹配还是阻抗桥接？
将这些电机带入实际系统并不是一个挑战，因为它们不会产生与大型电机相同的传导和辐射EMI 问题。如果放置在电路板上（即作为 SMD 组件），它们应放置在靠近电路板边缘和使用户能够最好地感知振动的区域附近。像布置任何其他小型 DC/AC 电机一样为这些组件布置电路板。
由于电压和电流要求，在将振动电机连接到驱动器时，始终存在阻抗匹配与阻抗桥接的问题。触觉振动电机本质上是传感器，可响应低频电信号输出特定的低频机械振动。
如果您阅读了一些关于换能器的教程，即使是在技术含量很高的热门网站上，您也会发现一些设计建议，即需要源 IC 和换能器之间的状态阻抗匹配。这就是人们在 EDN 和 Hyperphysics 上会找到的此类建议，直到一些投诉迫使网站所有者更改其内容。应该使用阻抗匹配还是阻抗桥接取决于驱动器的性质。
用于编码盲文的触觉振动和反馈系统
如果驱动器实际上是一个电流控制电压源（即低输出阻抗），则应使用阻抗桥接将高输出电压传输到电机。这基本上是现代音频设备所做的。但是，如果驱动器具有相反的功能，则应选择电机，使其阻抗远低于源阻抗。传输线效应在这里不相关，因为我们在 100 赫兹下工作。
触觉反馈算法
触觉反馈的一个重要部分是随着系统中其他一些输入的变化而改变振动感觉。数据可以与来自外部传感器的一些测量值一起输入系统，并用于控制触觉振动强度。这些系统可以是开环或闭环系统，它们类似于工业控制系统中使用的控制策略。
触觉反馈算法足够轻量级，可以嵌入到 MCU 或小型 FPGA 中，只要设备有足够的输入来支持产品中的其他功能。触觉反馈算法仍然需要针对特定产品进行设计，这些算法仍然是科学和工程研究的一个活跃领域。
如果您计划将触觉振动和反馈集成到新的 PCB 中，您应该使用Altium Designer ® 中的 CAD 工具来布局您的新电路板并为您的触觉振动电机放置组件模型。MCAD 工具可以帮助您设计电路板以使其与外壳完美匹配并为制造做好准备。