原标题：如何使用触觉改善人机界面的感知

　　对更有效的人机界面 (HMI) 和改进感知的需求正在推动触觉在工业4.0 应用、汽车、医疗和急救系统、物联网 (IoT) 设备、可穿戴设备和其他消费设备中的采用。例如，触觉设备可以在基于 VR(虚拟现实)或 AR(增强现实)的医疗培训和患者康复系统中提供反馈，或者它们可以在方向盘中提供增强警报，以告知驾驶员潜在的不安全状况。触觉还与声音等其他 HMI 技术结合使用，以提供更加身临其境和逼真的感官界面。

　　设计人员在使用触觉时面临的一些挑战是选择正确的触觉技术——偏心旋转质量 (ERM) 或线性共振执行器 (LRA)——将其正确集成到系统中以实现所需的反馈水平、驱动它并了解如何测试其振动、噪声性能和可靠性。

　　本文首先简要回顾了触觉反馈可以为几个应用场景带来的好处。然后介绍了触觉技术选项以及来自PUI Audio的触觉设备的真实示例。它讨论了如何将触觉设备集成到系统中，包括一个触觉驱动器 IC 的示例，最后详细介绍了测试振动和噪声性能的方法。

　　多感官接口

　　触觉越来越多地与视觉和听觉反馈结合使用，以创建多感官环境并增强人机之间的交互。触觉界面可以包括衣服、手套、触摸屏和其他对象，例如移动设备和计算机鼠标。

　　多感官交互在非视觉 HMI 元素(例如触觉或声音)可以使用户专注于手头任务的环境中特别有用，例如远程控制机械或手术工具，或驾驶汽车。将触觉集成到 HMI 中还支持与虚拟环境或远程操作的远程系统的增强手动交互。为了从将触觉集成到 HMI 中获得最大收益，设计人员需要了解触觉技术的性能权衡。

　　触觉设备技术

　　最常见的触觉技术是 ERM 和 LRA。ERM 使用电机轴上的偏心质量来导致不平衡并产生振动。ERM 器件由相对简单的直流 (DC) 电压驱动。使用直流电源，结合其相对简单的机械设计，有几个权衡：

　　优点：

　　驾驶简单

　　低成本

　　灵活的外形

　　某些设计的系统集成更简单

　　缺点：

　　高能耗

　　反应慢

　　更大的解决方案尺寸

　　LRA 设备不是使用偏心质量来产生多轴振动，而是使用音圈、圆形磁铁和弹簧以线性运动方式振动。LRA 设备需要交流电 (AC) 驱动器来为音圈供电。交流电在音圈中产生可变磁场，使磁铁上下移动。弹簧将磁铁连接到设备外壳，将振动能量传递给系统。由于 LRA 设备基于音圈并且不依赖于 ERM 中使用的电刷，因此对于给定的振动强度，它们消耗的功率更少。可以通过驱动具有 180° 相移的 LRA 设备来实现制动，从而加快响应时间。

　　LRA 设备在相对较窄的谐振频带(通常为 ±2 至 ±5 赫兹 (Hz))中高效运行。由于制造公差、组件老化、环境条件和安装考虑因素，LRA 设备的准确谐振频率可能会发生变化，从而使驱动电路的设计复杂化。与 ERM 设备相比，LRA 触觉为设计人员提供了一组不同的优点和缺点：

　　优点：

　　更快的响应时间

　　更高的效率

　　增加加速度

　　可以刹车

　　尺寸可以更小

　　缺点：

　　共振频率可以变化

　　挑战驾驶

　　成本较高

　　除了操作上的差异之外，ERM 和 LRA 器件还提供多种封装样式。ERM 器件可以采用硬币或条形封装，而 LRA 采用硬币形、棱柱形(矩形)或桶形封装(图 1)。硬币式 ERM 和 LRA 设备的直径往往约为 8 毫米 (mm)，厚度约为 3 毫米。条形 ERM 触觉设备更大，长约 12 毫米，宽约 4 毫米。

　　图 1：ERM 有条形或硬币形包装，而 LRA 有硬币形、桶形或棱柱形。(图片来源：PUI Audio)

　　硬币式 ERM 设备

　　对于可以从硬币式 ERM 设备中受益的可穿戴设备等应用，设计人员可以使用 PUI Audio 的 8 mm 直径 x 3 mm 厚HD-EM0803-LW20-R。HD-EM0803-LW20-R 的规格包括：

　　额定转速为每分钟 12,000 (±3,000) 转 (rpm)

　　终端电阻 38 欧姆 (Ω) (±50%)

　　3伏直流输入电压

　　标称电流消耗 80 毫安 (mA)

　　工作温度范围为 -20 至 +60 摄氏度 (°C)

　　对于需要在更具挑战性的热环境中运行的设备，设计人员可以使用HD-EM1003-LW15-R，额定工作温度范围为 -30°C 至 +70°C。它与 HD-EM0803-LW20-R 具有相同的额定速度和相同的尺寸，并具有 46 Ω (±50%) 的终端电阻和 85 mA 的标称电流消耗。这两种硬币式 ERM 设备都可以用正或负 DC 驱动，以顺时针或逆时针移动。它们包括用于灵活电气连接的 20 毫米引线，并产生最大 50 分贝环境 (dBA) 的噪声。

　　酒吧 ERM

　　HD-EM1206-SC-R长12.4 毫米，宽 3.8 毫米。当使用 3 伏直流电驱动时，它的额定速度为 12,000 (±3,000) rpm。它的额定工作温度为 -20 至 +60°C，最大可产生 50 dBA 的噪音。需要较低噪声水平的设计可以使用HD-EM1204-SC-R(图 2)。这产生的最大噪音仅为 45 dBA。与 HD-EM1206-SC-R 相比，它还具有 13,000 (±3,000) rpm 的更高额定转速和 -30°C 至 +70°C 的更宽工作温度范围。两款器件均具有 30 Ω (±20%) 的低终端电阻和 90 mA 的标称电流消耗。

　　图 2：HD-EM1204-SC-R ERM 适用于需要低噪音水平的应用。(图片来源：PUI Audio)

　　LRA 设备

　　需要更快响应时间、更高能效和更强振动的设计可以使用 PUI Audio 的 8 毫米直径 x 3.2 毫米高HD-LA0803-LW10-R LRA 设备(图 3)。相对于 ERM 触觉，LRA 设备更精确。例如，ERM 器件的电阻范围为 30 (±20%) 至 46 Ω (±50%)，而 HD-LA0803-LW10-R 的电阻指定为 25 Ω (±15%)。HD-LA0803-LW10-R 的功耗约为 180 毫瓦 (mW)，(2 V RMS x 90 mA)，而上述 ERM 设备的功耗为 240 至 270 mW。该 LRA 设备的工作温度范围为 -20 至 +70°C。

　　图 3：HD-LA0803-LW10-R LRA 结合了强振动、快速响应时间和能源效率。(图片来源：PUI Audio)

　　系统集成

　　使用双面胶带是硬币式触觉设备的首选组装方法，它为系统提供了最佳的振动耦合。双面胶带设备包括需要通孔连接和手工焊接到电路板上的引线。条形、筒形和棱柱形设备有两种不同的系统集成样式：双面胶带和弹簧触点。当使用双面胶带时，这些设备包括手工焊接的引线，如硬币式设备。弹簧触点的使用结合了振动耦合和电气连接的功能。弹簧触点消除了手工焊接的需要，简化了组装并降低了成本。此外，使用弹簧触点可以简化现场维修。

　　驾驶触觉设备

　　分立驱动电路可用于 LRA 和 ERM 设备。虽然使用由分立元件制成的驱动器可以降低成本，特别是对于相对简单的设计，但与驱动器 IC 相比，它会导致更大的解决方案尺寸和更慢的上市时间。对于需要紧凑型高性能解决方案的应用，设计人员可以使用德州仪器 ( TI ) 的DRV2605L。DRV2605L 是用于高质量触觉反馈的完整闭环控制系统，可驱动 ERM 和 LRA 设备(图 4)。DRV2605L 包括对来自 Immersion 的 TouchSense 2200 软件的访问，该软件具有 100 多种许可的触觉效果，以及音频到振动的转换功能。

　　图 4：DRV2605L IC 可以驱动 LRA 或 ERM 触觉设备。(图片来源：德州仪器)

　　振动测试

　　由于触觉设备是基于振动运行的，因此它们的结构必须坚固。PUI Audio 指定了用于振动测试的测试夹具，如图 5 所示。该测试使用工业级电动振动测试系统进行。它可以针对特定的振动测试进行编程，以模拟各种条件，例如正弦振动、随机振动和机械冲击脉冲。

　　图 5：用于触觉设备振动测试的推荐测试夹具。(图片来源：PUI Audio)

　　PUI Audio 为其触觉设备指定了三种振动测试(见表 1)。在进行测试并且设备“休息”四个小时后，它们需要满足额定速度(对于 ERM 设备)或加速度(对于 LRA 型号)以及电阻、额定电流和噪声的规格.

　　表 1：触觉设备的振动测试规范。(表源：PUI Audio)

　　除了振动测试，PUI Audio 还定义了冲击测试如下：

　　加速度：半正弦 500 g

　　持续时间：2 毫秒 (ms)

　　测试/面：3次/6面共18次冲击

　　通过/失败标准与振动测试相同。

　　测量噪声

　　触觉设备产生的声学(机械)噪声水平各不相同，触觉设备的安装方式在降低噪声水平方面起着关键作用。PUI Audio 建议使用特定的测试设置来测量来自触觉设备的声学噪声，如图 6 所示。测试应在环境噪声为 23 dBA 的屏蔽室中进行。如果设备安装在 75 g夹具上，因为它将安装在系统中，此测试将告知设计人员预期的应用噪声水平。

　　图 6：用于测量触觉设备声学噪声的推荐测试夹具。(图片来源：PUI Audio)

　　结论

　　通过向用户提供触觉反馈，触觉可用于提高 HMI 性能并帮助创建高性能的多感官环境。然而，在考虑使用触觉时，设计人员需要了解 ERM 和 LRA 技术之间的权衡，如何有效地驱动它们，以及如何测试它们以确保实现所需的系统可靠性和性能水平。如图所示，触觉设备很容易获得，驱动程序和测试程序也是如此。