PLAYER ONE IS READY,一“触”即发!

admin 2022年4月22日00:29:49安全闲碎评论16 views6188字阅读20分37秒阅读模式

2021年10月4日,诺贝尔生理学或医学奖授予戴维·朱利叶斯(David Julius)和阿登·帕塔普蒂安(Ardem Patapoutian),以表彰他们在“发现温度和触觉感受器”方面作出的贡献。


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图1:2021年诺贝尔生理学或医学奖



人类面临的最大谜团之一就是我们如何感知环境。几千年以来,听、视、嗅、味、触等感官机制始终激发着我们的好奇心。



随着元宇宙概念爆发期的到来,我们时刻幻想着实现《头号玩家》中虚拟世界和现实世界的完美互动,《阿凡达》的潘多拉星球似乎就在我们眼前。如今,视觉、听觉技术已形成稳定积累;嗅觉、味觉技术的沉浸式体验有待脑机接口的进一步突破;触觉技术正是当下亟待攻克的难关。



这几年,触觉反馈已经广泛覆盖消费电子、汽车电子、家电、游戏、教育,甚至是远程医疗。触觉反馈技术在各个领域日趋受到关注,需求也在不断增加,越来越多的物联网技术、触摸屏、VR手套和可穿戴设备利用触觉反馈来提升触觉体验,高品质的触觉技术潜在价值巨大。举个栗子,微信2020年上线的“拍一拍”功能,和之后“炸弹”“爆竹”表情,都通过振动丰富了用户体验,这其实也属于触觉反馈技术。



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技术路径



目前三大主流触觉反馈技术路径是:偏心旋转质量(Eccentric Rotating Mass, ERM,又称振动电机、转子马达)、线性谐振致动器(Linear Resonant Actuator, LRA,又称线性马达)和压电触觉致动器(Piezoelectric Haptic Actuator,简称压电)。此外,我们经常看到国内外实验室发布的新形态触感设备,其中也不乏奇思妙想。



主流触觉反馈技术的交互过程见图2。用户触压屏幕之后,给出MCU处理器一个触摸事件,MCU分析触摸事件所需对应的振动反馈类型,产生特定的模拟或数字信号给到驱动器,驱动器IC驱动致动器产生振动。整个振动反馈过程的速度越快,自然对于用户的体验更好。


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图2:主流触觉反馈技术的交互过程



转子马达


转子马达是一种由触觉系统组成的电机,利用高频旋转形成的离心惯量产生振动。转子马达是传统马达,有定子和转子以及偏心轮。偏心轮的重量和转速决定了振动幅度和频率。


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图3:转子马达的结构



技术原理和特点


线性马达供电通常为1V至5V,小尺寸圆柱形马达供电一般为2.7V,内阻35欧姆。转子马达为直流驱动,电压越高,振动频率越快,如果要停止振动,需要加一个反向电压(图4展示了一个典型的转子马达驱动电压波形)。转子马达通常有圆柱形(如图3)和纽扣形两种形态


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图4:转子马达驱动电压波形



转子马达诞生于20世纪60年代,但为了适应更小的设备,这项技术不得不进行小型化调整。凭借低成本优势,转子马达仍然在很多设备中用于产生触觉反馈,但是它们开始被性能更好的技术所取代。



线性马达


线性马达是当前应用范围最广的触觉技术,能够产生比ERM更好的触觉反馈。与ERM相比,具有更高的加速度、更快的响应时间和更清晰的触觉反馈。LRA与ERM电机一样,也利用了惯性。区别在于,线性马达相当于把转子马达定子展平,转子在磁场作用下在展平的定子上运动。举个形象的栗子,磁悬浮列车就是转子,带线圈的轨道是定子。


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图5:线性马达的结构



技术原理和特点


通电后,转子在定子上运动,但在线性马达里,转子上有永磁体和配重,并且用弹簧与马达壳体连接。通电后,转子开始共振(谐振)。每个马达都有它的谐振频率,这个谐振频率也受马达实际应用场景的影响。



我们可以把手机上用的线性马达简单的理解为一个弹簧+配重+磁铁+线圈的组合,通电后配重被推出后吸回,也可以理解为抵抗或者释放弹簧的能量,形成共振。线性马达通常有长方体形(iPhone的Haptics)和纽扣形(如图5)。虽然转子马达和线性马达都能做成纽扣形,但是线性马达比较复杂,通常比转子马达厚。



线性马达供电为交流电,通常为2Vrms(图6展示了一个典型的线性马达驱动电压波形)。由于谐振特点,线性马达只要给与适当的驱动,即可实现振动效果,功耗比转子马达小,而且启动快。TI曾经做过测试,线性马达功耗是转子马达的一半。如果想要实现更好的触觉效果,可以搭配专用的马达驱动IC,产生快速的高压波形,获得更好的启动和停止速度。


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图4:线性马达驱动电压波形



压电触觉


压电触觉反馈技术利用压电陶瓷产品的正逆压电效应,同时接收压力信号和发出触觉信号,触控振动二合一,适用于各种智能设备、家电中的触摸面板,节省设备内部空间,提供更丰富的振动反馈。



技术原理


压电效应允许压电元件在受到压力时产生电荷。用户可以测量执行器的电势以确定施加了多大的力量,因此力传感器经常使用压电材料。压电效应也是一个可逆的过程,执行器在带电时会自行变形,因此可以使用压电执行器生成触觉反馈。


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图7:压电触觉反馈技术的原理



当对压电材料施以物理压力,材料体内之电偶极矩会因压缩而变短,压电材料为抵抗变化,会在材料相对的表面上产生等量正负电荷,以保持原状。这种由于形变而产生电极化的现象称为“正压电效应”。正压电效应实质上是机械能转化为电能的过程。


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图8:正压电效应的原理



当在压电材料表面施加电场,因电场作用时电偶极矩会被拉长,压电材料为抵抗变化,会沿电场方向伸长。这种通过电场作用而产生机械形变的过程称为“逆压电效应”。逆压电效应实质上是电能转化为机械能的过程。(图9展示了正压电效应的原理)


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图9:逆压电效应的原理



特点


压电式模块可实现快速启动时间(1.5ms)、支持纤薄的外形以及高带宽,从而可实现惯性传动器所无法企及的触觉效果;可在300Hz下驱动50至680纳法(nF)的压电式传动器电容,从而可支持各种高分辨率触觉效果,包括针对定位在特定设备区域的反馈以及可根据用户与设备互动交流的方法按频率改变的振动与脉冲等;无变压器设计,与3.0至5.5V的宽泛电源配合直接电池连接,可缩小解决方案尺寸,降低成本;热过载保护可避免器件过驱动造成的损坏。



LRA和压电的对比


计算机OEM厂商对触觉触控板的最大追求是其纤薄度机械触控板(LRA)的厚度通常超过3mm,而触觉触控板(压电)的尺寸则可以低于3mm。LRA模块最厚的部分是LRA本身。虽然有一些较薄的LRA,但代价是触觉反馈质量相差很多。糟糕的触觉反馈会导致微弱和未完善的(软)点击,影响用户体验。要获得良好的触觉体验,就要使用更大的LRA,通常3mm厚度才能达到用户可以接受的性能水平。而压电执行器则有不同的外形尺寸,可以比LRA薄得多,可低至1.5mm.



LRA和压电触觉触控板之间的另一个显著区别,是触觉效果(点击)的质量。反馈质量有两个主要因素:振动轴和执行器上升时间。



将LRA集成到触控板模块并保持模块纤薄的唯一方法,是将执行器水平放置,这使得执行器在X或Y轴上横向振动。这意味着触控板可以左右移动(X轴),或者从用户方向(Y轴)前后移动。虽然移动速度很快,但它并不能产生最令人满意的按钮点击效果,因为人们习惯于感觉按钮在Z轴(垂直)方向上抵着手指移动。而压电执行器可以平放在表面上,在Z轴上产生触觉反馈。这意味着触控板模块会对手指产生作用力,就像普通按钮操作一样,用户的感觉更加自然。



压电执行器则使用压电效应来产生运动。压电执行器在高压电流下几乎瞬间变形,因此其上升时间(脉冲从全振幅的10%上升到90%所需的时间)明显快于LRA的上升时间,从而产生更清晰的点击效果。由于LRA需要更多时间才能达到最大振幅,因此产生触觉效果的过程中,在点击开始和结束时会产生不需要的“嗡嗡”噪音,这就是是造成点击不爽快的原因。


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图10:压电触觉反馈技术反馈速度更快



压电执行器的另一大特点是其出色的功率效率。虽然执行器本身非常高效,但它需要高压电流来产生有效的触觉反馈。厂商为执行器所选择的压电驱动器将会显著影响模块的功耗。



ERM, LRA和压电的综合对比


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如表1所示,LRA相比ERM在响应速度、功耗、振动加速度方面有较大的优势,目前是成本、性能和功耗平衡之后的较好的选择;ERM的优势就是价格低廉。随着用户端对于触觉反馈的体验也有了愈来愈高的要求,ERM已逐渐被LRA取代;压电则成为未来发展的主要方向。




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产品展示



LRA(bHaptics: TactGlove


2021年底,触觉技术公司bHaptics宣布推出VR触觉手套TactGlove。这是其首款面向消费者的触觉手套,采用了兼容基于摄像头的手部跟踪系统,类似Meta Quest和Ultraleap的Leap Motion。TactGlove的每个指尖都有10个LRA,这些单独的电机能够通过bHaptics SDK进行控制。用户佩戴这款产品,可以感受到在手中滚动的球。据该公司称,利用基于摄像头的系统可以提高触觉反馈的质量,同时降低整体价格。



TactGlove由弹力面料制成,发布时将提供三种尺寸:中号、大号和特大号,还会附赠一个套内手套方便换洗。兼容性方面,目前支持少数以手部追踪为中心的游戏和应用程序,包括《Unplugged: Air Guitar》《Hand Physics Lab》和《bHaptics Player》。续航方面,支持4小时的无线播放时间。价格方面,每双售价299美元。开发者套装将于2022年第二季度发售,而C端版本将于2022年第四季度发售。




除主流触觉反馈技术LRA之外,一些实验室中的新奇技术未来或许也会在产品端大放异彩。



外骨骼技术&微流体触觉反馈

(HaptX: Gloves DK2


2021年1月,HaptX宣布了其最新的VR输入设备HaptX Gloves DK2的新版本。HaptX手套可以通过微流体触觉反馈提供“真实接触的触觉”,每只手套都有133个触觉反馈点,可以物理作用在手指皮肤上来模拟触摸到物体的纹理。通过外骨骼技术,该手套除了振动反馈之外,还能提供40镑的力反馈,以及亚毫米级精度的运动追踪。



HaptX手套已经用于军事训练,日产设计,外科手术训练和其他企业用例。HaptX暂未公开Gloves DK2的价格,有兴趣的企业可以私聊报价。不过确定的是,HaptX目前还不是消费产品,价格将是5位数字。



超声波触觉反馈(Emerge: Emerge Home


2022年2月,Emerge宣布了Emerge Home VR触觉系统,它使用超声波为整个虚拟空间中的手提供触觉反馈。Emerge Wave-1设备几乎可以放置于任何平坦的表面上,投射出一个看不见的声音场,重现虚拟物体的轮廓,使它们能够像真实物体一样被感知到。投影力场可以到达90cm高的上方空间和120度的Wave,这些都可以通过Emerge Home移动应用程序进行控制。



“从本质上讲,超声波和声音都是机械波,在移动时携带压力。因此,当它们加热皮肤时,可以感觉到它们产生的压力。就像爱抚一样,”联合创作者Sly Lee说道,并指出这种感觉不一定会产生阻力,但可以施加足够的压力,给人一种物体存在的感觉。Emerge Home和Emerge Wave-1于2022年2月在KickStarter上向公众开放,价格为500美元,2022年4月众筹成功。



 气动触觉技术(格拉斯哥BEST小组) 


气动触觉系统将体积显示技术与跳跃运动传感器和精确控制的空气喷射相结合,在用户的手、手指和手腕上创造触感。该系统由该大学的可弯曲电子和传感技术(BEST)研究小组开发,2021年9月对外公开。



该系统有3个主要组件,分别是伪全息显示、手势识别模块和触觉反馈设备。这些组件被连接到主计算机,并通过基于Unity平台的内部构建程序进行控制。其中,伪全息显示基于Pepper的幽灵投影方案,创造了一种物体“漂浮”在空中的错觉;手势识别模块使得用户可用手势与虚拟对象进行交互。



除了视觉反馈外,该系统通过提供触觉反馈来提供更真实的交互感。其触觉反馈设备名为Aerohaptics,当用户操纵虚拟物体时,该设备使用指向用户手上的加压空气喷射,来复制触摸感觉,同时它还提供位置和强度控制,以适应各种交互场景。



图片及资料来源


央视网:2021年生理学或医学诺奖揭晓 官方解读来了https://news.cctv.com/2021/10/05/ARTI841Yojj3UY7w20QKxGha211005.shtml  

Solutions for ERM and LRA Actuators https://www.ti.com/lit/ml/sszb151/sszb151.pdf

振动反馈如何给你细腻的沉浸式体验?Cirrus Logic从触觉驱动器上给你答案 https://www.21ic.com/article/794932.html

转子马达和线性马达 https://blog.csdn.net/AirCity123/article/details/102759621

触觉技术的较量-第1部分:Boréas Technologies的CapDrive压电IC vs. 偏心旋转质量(ERM) https://www.boreas.ca/blogs/piezo-haptics/haptic-technologies-showdown-part-1-boreas-technologies-piezo-driver-ic-vs-eccentric-rotating-mass-erm

触觉技术的较量-第2部分:Boréas Technologies的 CapDrive压电 IC vs. 线性谐振致动器(LRA) https://www.boreas.ca/blogs/piezo-haptics/boreas-technologies-piezo-driver-ic-vs-linear-resonant-actuator-lra-haptic-technologies-showdown-part-2

压电v.s LRA触觉计算机触控板:应该选择哪种技术https://www.ednchina.com/news/a7551.html

触觉反馈 | 让触觉与你“互动” https://zhuanlan.zhihu.com/p/429768149

bHaptics宣布推出VR触觉手套TactGlove 售价299美元 http://vr.sina.com.cn/news/hot/2021-12-29/doc-ikyakumx7051231.shtml

我想抚摸你-HaptX https://zhuanlan.zhihu.com/p/347380858

创新前沿 | 可以伸手触摸元宇宙的VR Emerge Home https://mp.weixin.qq.com/s/I2OhjcFuqeFUhXRqMZnFOA

Glasgow team creates aerohaptics holographic projections https://www.theengineer.co.uk/glasgow-team-creates-aerohaptics-holographic-projections/

科学家发明能摸到的全息投影,拍虚拟篮球触感宛如真球 https://www.cnbeta.com/articles/science/1174589.htm


视频来源于各公司官网

原文始发于微信公众号(赛博新经济):PLAYER ONE IS READY,一“触”即发!

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  • 本文由 发表于 2022年4月22日00:29:49
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