带输入的触觉：使用线性谐振执行器进行传感
视频介绍：带输入的触觉：使用线性谐振执行器进行传感
随着可穿戴设备和手持设备尺寸的减小，触觉成为越来越重要的反馈渠道，无论是通过静音警报还是按下触摸屏上的按钮时的微妙“点击”感。几乎所有可穿戴设备和移动电话中都普遍存在的触觉反馈通常由线性谐振致动器(LRA) 实现，这是一种利用谐振在小封装中提供强大触觉信号的小型线性电机。然而，激活触觉反馈所需的触摸和压力感应往往依赖于额外的独立硬件，这会增加系统的价格、尺寸和复杂性。
在ACM UIST 2020 上发表的“具有输入的触觉：线性谐振执行器中的反电动势以实现触摸、压力和环境感知”中，我们证明了广泛可用的 LRA 可以感应广泛的外部信息，例如触摸、敲击和除了能够传递有关与皮肤、物体和表面接触的信息之外，还可以传递压力。我们使用现成的 LRA 实现了这一点，方法是将驱动与定制波形的短脉冲进行多路复用，这些定制波形旨在使用反电动势电压进行感应. 我们展示了这种方法在启用富有表现力的离散按钮和振动触觉界面方面的潜力，并展示了该方法如何为移动设备中的集成触觉模块带来丰富的传感机会，以更少的组件增加传感能力。我们的技术可能与许多现有的 LRA 驱动器兼容，因为它们已经采用反电动势感应来自动调整振动频率。
LRA 中的反电动势原理
LRA 外壳内有一块磁铁，附着在一个小质量上，两者都在弹簧上自由移动。磁铁响应音圈引入的激励电压而移动。振荡质量的运动产生反电动势，或反电动势，这是一个与磁通量变化率成正比的电压。较大的振荡速度会产生较大的反电动势电压，而静止质量会产生零反电动势电压。
用于感应的主动反电动势
在振动期间触摸或与 LRA 接触会改变内部质量的速度，因为能量会消散到接触物体中。这适用于在压力下变形的软材料，例如人体。例如，手指在与 LRA 接触时会根据接触力吸收不同量的能量。通过用少量能量驱动 LRA，我们可以使用反电动势电压测量这种现象。由于利用反电动势行为进行感应是一个主动过程，因此启用这项工作的关键洞察力是设计定制的非共振驱动器波形，该波形允许连续感应，同时最大限度地减少振动、声音和功耗。
我们从两个 LRA 引线之间的浮动电压测量反电动势，这需要暂时断开电机驱动器以避免干扰。当驱动器断开连接时，质量仍然在 LRA 内部振荡，产生振荡的反电动势电压。由于商用反电动势感应 LRA 驱动器不提供原始数据，因此我们设计了一种能够拾取和放大小的反电动势电压的定制电路。我们还生成了自定义驱动脉冲，以最大限度地减少振动和能源消耗。
应用
移动电话中使用的 LRA 的行为是相同的，无论它们是在桌子上、柔软的表面上还是手持。这可能会导致问题，因为振动的手机可能会从玻璃桌上滑落或发出响亮且不必要的振动声音。理想情况下，手机上的 LRA 会根据其环境自动调整。我们展示了我们使用 LRA 反电动势技术进行传感的方法，方法是直接连接到 Pixel 4 的 LRA，然后对手机是手持、放在柔软的表面（泡沫）上还是放在桌子上进行分类。
我们还展示了一个原型，演示如何将 LRA 用作便携式电子产品中的组合输入/输出设备。我们连接了两个 LRA，一个在手机的左侧，一个在右侧。这些按钮提供敲击、触摸和压力感应。它们还被编程为在检测到触摸后提供触觉反馈。
有许多可穿戴的触觉辅助设备，例如袖子、背心和手镯。为了与一致力的皮肤传输触觉反馈，该tactor必须采用正确的压力; 它不能太松或太紧。目前，这样做的典型方法是通过手动调整，这可能会不一致并且缺乏可衡量的反馈。我们展示了 LRA 反电动势技术如何用于持续监控合身手镯设备并提示用户它是否太紧、太松或恰到好处。
将 LRA 评估为传感器
LRA 作为压力传感器工作良好，因为它对触摸过程中的力大小具有二次响应。我们的方法适用于我们评估的所有五种现成的 LRA 类型。由于典型功耗仅为 4.27 mA，全天感应只会将 Pixel 4 手机的电池寿命从 25 小时缩短到 24 小时。通过使用低功率放大器并仅在需要时采用主动感应，例如当手机处于活动状态并与用户交互时，可以大大降低功耗。
主动感应面临的挑战是最大限度地减少振动，因此在触摸时它们不会被察觉，也不会产生可听见的声音。我们优化了主动感应以仅产生 2 dB 的声音和 0.45 m/s 2 的峰峰值加速度，与常规的 8.49 m/s 2相比，手指几乎察觉不到并且安静。
未来，我们计划探索其他传感技术，也许测量电流可能是一种替代方法。此外，使用机器学习可能会改善传感并提供复杂反电动势模式的更准确分类。我们的方法可以进一步发展，以实现与执行器和传感器的闭环反馈，这将允许执行器提供相同的力，而不管外部条件如何。
我们相信这项工作为利用现有无处不在的硬件提供丰富的交互和闭环反馈触觉执行器开辟了新的机会。
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