如何運用觸覺技術打造更出色的人機介面感知

更高效率人機介面 (HMI) 和增進感知能力的需求增加，觸覺技術也越常用於工業 4.0 應用、汽車、醫療與急救系統、物聯網 (IoT) 裝置、穿戴式裝置以及其他消費性裝置等。例如，觸覺元件可在以虛擬實境 (VR) 或擴增實境 (AR) 為基礎的醫療訓練與患者復健系統中提供回饋，亦可針對方向盤提供增強警示功能，提醒駕駛注意潛在的危險狀態。另外，觸覺技術還可與聲音等其他 HMI 技術結合，提供更具沉浸感和更真實的感測介面。

設計人員在使用觸覺技術時會面臨諸多挑戰，包括如何選擇正確的觸覺技術 (偏軸轉動慣量 (ERM) 或線性諧振致動器 (LRA))、如何將觸覺元件適當地整合至系統以達到所需的回饋等級、如何驅動觸覺元件，以及如何測試觸覺元件的振動、雜訊效能和可靠度等。

本文首先說明觸覺回饋在多個應用情境可提供的優勢。接著介紹觸覺技術選項，以及 PUI Audio 觸覺元件的實際範例。文中討論如何將觸覺元件整合至系統，包括一個觸覺驅動器 IC 的範例，最後詳細介紹如何測試振動與雜訊效能。

多重感知介面

觸覺技術逐漸與視覺與聽覺回饋結合，以創造多重感知環境和增進人機互動。觸覺介面可能包括衣服、手套、觸控螢幕，以及行動裝置和滑鼠等其他裝置。

多重感知互動對於使用者而言非常實用，因為其可運用觸覺或聲音等非視覺 HMI 元素，讓使用者專注於手邊的工作，例如遠端控制機械或手術工具，或是駕駛車輛。此外，將觸覺技術整合至 HMI 還有助增進與虛擬環境，或遠端操作系統間的人工互動。若想充分利用觸覺技術與 HMI 的整合優勢，設計人員必須瞭解觸覺技術的效能，並從中取捨。

觸覺元件技術

最常見的觸覺技術是 ERM 和 LRA。ERM 利用馬達軸的離心慣量來產生失衡和振動。ERM 元件可使用相對簡單的直流電 (DC) 電壓進行驅動。使用 DC 電源，再加上相當簡單的機械設計，讓設計人員面臨多項取捨：

優點：

• 容易驅動
• 低成本
• 彈性尺寸
• 部分設計的系統整合更簡單

缺點：

• 高能耗
• 回應慢
• 解決方案尺寸較大

LRA 元件不是使用偏軸慣量來產生多軸振動，而是使用音圈、圓形磁鐵和彈簧在線性運動中產生振動。LRA 元件需要透過交流電 (AC) 驅動器向音圈供電。交流電在音圈中產生可變磁場，讓磁鐵上下移動。彈簧將磁鐵連接到裝置外罩，將振動能量傳遞給系統。由於 LRA 元件是以音圈為基礎且不仰賴在 ERM 中使用的電刷，因此對於給定的振動強度，其耗電量更低。可透過 180° 移相來驅動 LRA 元件實作煞車，加快回應時間。

LRA 元件可在相對較窄的諧振頻段中有效運作 (通常為 ±2 至 ±5 Hz)。由於製造容差、元件老化、環境條件以及安裝考量等因素，確切的 LRA 元件諧振頻率可能會有所差異，致使驅動電路設計工作複雜化。與 ERM 元件相比，LRA 觸覺元件可為設計人員帶來不同的優缺點：

優點：

• 回應時間更快
• 效率更高
• 加速度提升
• 支援煞車
• 尺寸可以更小

缺點：

• 諧振頻率可能變化
• 難以驅動
• 成本更高

除了運作差異外，ERM 和 LRA 元件還支援數種封裝形式。ERM 元件可採用鈕釦型或條型封裝，而 LRA 可採用鈕釦型、方型 (長方形) 或筒型封裝 (圖 1)。鈕釦型 ERM 和 LRA 元件的直徑通常為 8 mm，厚度約為 3 mm。條型 ERM 觸覺元件尺寸較大，長度約為 12 mm，寬度約為 4 mm。

圖 1：ERM 採用條型或鈕釦型封裝，LRA 則採用鈕釦型、筒型或方型封裝。(圖片來源：PUI Audio)

鈕釦型 ERM 元件

對於穿戴式裝置等適合採用鈕釦型 ERM 元件的應用，設計人員可使用 PUI Audio 的 HD-EM0803-LW20-R，其直徑為 8 mm，厚度為 3 mm。HD-EM0803-LW20-R 的規格如下：

• 每分鐘 12,000 (±3,000) 轉 (rpm) 的額定速度
• 38 Ω 端子電阻 (±50%)
• 3VDC 輸入電壓
• 80 mA 標稱汲取電流
• 工作溫度範圍：-20 至 +60°C

針對需要在嚴苛熱環境中運作的裝置，設計人員可採用 HD-EM1003-LW15-R，其額定工作溫度範圍為 -30°C 至 +70°C。其額定速度和尺寸與 HD-EM0803-LW20-R 相同，且具備 46 Ω (±50%) 端子電阻與 85 mA 標稱汲取電流。這些鈕釦型 ERM 元件皆可透過正極或負極 DC 進行驅動，實現順時針或逆時針移動。其提供 20 mm 引線，可實現靈活的電氣連接，且最大噪音為 50 dBA。

條型 ERM

HD-EM1206-SC-R 長 12.4 mm，寬 3.8 mm。當使用 3 VDC 驅動時，其額定速度為 12,000 (±3,000) rpm。額定工作溫度範圍為 -20 至 +60°C，最大噪音為 50 dBA。若設計需要較低水準的噪音，則可使用 HD-EM1204-SC-R (圖 2)。其最大噪音僅為 45 dBA。與 HD-EM1206-SC-R 相比，其額定速度與工作溫度範圍皆較高，分別為 13,000 (±3,000) rpm 與 -30°C 至 +70°C。這兩款元件皆具有 30 Ω (±20%) 的低端子電阻與 90 mA 的標稱汲取電流。

圖 2：HD-EM1204-SC-R ERM 適合需要低水準噪音的應用。(圖片來源：PUI Audio)

LRA 元件

若設計需要更快的回應時間、更高的能源效率和更強的振動，可使用 PUI Audio 直徑為 8 mm、高度為 3.2 mm 的 HD-LA0803-LW10-R LRA 元件 (圖 3)。與 ERM 觸覺元件相比，LRA 元件的精確度更高。例如，ERM 元件的電阻範圍為 30 (±20%) 至 46 Ω (±50%)，而 HD-LA0803-LW10-R 的額定電阻值為 25 Ω (±15%)。HD-LA0803-LW10-R 耗電量約為 180 mW (2 V_RMS x 90 mA)，而上述 ERM 元件的耗電量為 240 至 270 mW。該 LRA 元件的工作溫度範圍為 -20 至 +70°C。

圖 3：HD-LA0803-LW10-R LRA 集強大的振動、快速的回應時間和出色的能源效率於一身。(圖片來源：PUI Audio)

系統整合

鈕釦型觸覺元件適合採用雙面膠帶進行組裝，並可為系統提供最理想的振動耦合。雙面膠帶元件包含引線，其需要穿孔連接並手動焊接至電路板。條型、筒型和方型元件則有兩種不同的系統整合方式：雙面膠帶與彈簧觸點。使用雙面膠帶時，這些元件包含類似鈕釦型元件的手動焊接引線。使用彈簧觸點則可整合振動耦合功能與電氣連接能力。彈簧觸點免除了手動焊接的必要，可簡化組裝並降低成本。此外，使用彈簧觸點亦可簡化現場維修作業。

驅動觸覺元件

離散驅動電路與 LRA 和 ERM 元件可搭配使用。採用以離散元件製成的驅動器雖可降低成本 (特別是針對相對簡單的設計)，但與驅動器 IC 相比，可能會導致解決方案尺寸增大和上市時間減慢。對於需要緊湊型高效能解決方案的應用，設計人員可採用 Texas Instruments 推出的 DRV2605L。DRV2605L 是一個完整的封閉迴路控制系統，可提供高品質的觸覺回饋來驅動 ERM 與 LRA 元件 (圖 4)。DRV2605L 裝有 Immersion 的 TouchSense 2200 軟體，具有超過 100 種授權觸覺效果以及音訊至振動轉換功能。

圖 4：DRV2605L IC 可驅動 LRA 或 ERM 觸覺元件。(圖片來源：Texas Instruments)

振動測試

由於觸覺元件係基於振動運作，因此具備耐用穩固的結構非常重要。PUI Audio 指明用於振動測試的測試夾具，如圖 5 所示。該測試採用工業級電動振動測試系統來實作。可針對特定振動測試進行編程，模擬正弦振動、隨機振動和機械衝擊脈衝等各種狀況。

圖 5：用於觸覺元件振動測試的推薦測試夾具。(圖片來源：PUI Audio)

PUI Audio 針對觸覺元件指定三種振動測試 (參閱表 1)。進行測試後，元件會進入「休息」狀態四小時，其必須符合額定速度 (適用於 ERM 元件) 或加速度 (適用於 LRA 型號)，以及電阻、額定電流和雜訊等項目的規格。

表 1：觸覺元件振動測試規格。(表格來源：PUI Audio)

除了振動測試外，PUI Audio 亦定義了衝擊測試，如下所示：

• 加速度：半正弦 500 g
• 持續時間：2 ms
• 測試／面：3 次／6 面，總計 18 次衝擊

其通過／失敗條件與振動測試相同。

測量噪音

觸覺元件產生的聲音 (機械) 噪音水平各不相同，而觸覺元件的安裝方式對於降低雜訊水準扮演著關鍵角色。PUI Audio 建議採用特定的測試環境來測量觸覺元件所產生的噪音，如圖 6 所示。測試應在環境雜訊為 23 dBA 的屏蔽室中進行。若元件安裝於 75 g 夾具 (如同系統安裝環境)，此測試會告知設計人員應用的預期噪音等級。

圖 6：用於測量觸覺元件噪音的推薦測試夾具。(圖片來源：PUI Audio)

結論

透過向使用者提供觸覺回饋，觸覺技術可用於提高 HMI 效能，並幫助建立高效能的多重感知環境。不過，在考量採用觸覺技術時，設計人員須瞭解 ERM 和 LRA 技術並權衡利弊，瞭解如何高效率進行驅動和測試，以確保達到所需的系統可靠度和效能等級。如上文所述，觸覺元件已普及，驅動器和測試程序也是如此。

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