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触觉组件Pt1LRAERM和压电执行器-(新闻)

2022年08月05日 淮北机械设备网

触觉组件,Pt 1:LRA,ERM和压电执行器

触觉功能嵌入在智能手机和游戏控制器中,其用途正在扩展到机器人控件,汽车控制台等。物理执行器及其驱动器是关键的硬件元素。

即使我们没有意识到,触觉增强设备也随处可见中国机械网okmao.com。智能手机的震动会有所不同,具体取决于通话者或发短信的对象,或者与游戏动作同步摇动和发出嘎嘎声的游戏控制器,或者您在使用触摸屏时获得的切实反馈。本质上,这些都是触觉辅助应用程序的体现。现在,触觉的使用已成为虚拟/增强现实(VR / AR)的一部分,并扩展到汽车控制台,可穿戴设备,触摸感应机器人的用户界面等。

那么什么是触觉,大概源自古希腊词?πτικ??(haptikos,“能够与之接触”)?与许多技术发展一样,该定义取决于您的观点和上下文,但是Mirriam-Webster词典定义是一个很好的起点,将其定义为“使用用户通过感觉来体验的电子或机械产生的运动。触摸作为界面的一部分。”

将触觉嵌入产品,设备或用户界面中需要三件事:将电信号转换为物理运动的机电执行器;电子驱动器(通常是一个IC,有时也只是一个晶体管),为执行器提供电压和电流;和通常嵌入在微控制器中的软件(或固件)驱动器,该驱动器告诉电子驱动器要提供给执行器的特定电压/电流模式。

本文的第一部分将重点介绍构建执行器的各种方式及其性能属性,而第二部分将介绍一些电子驱动器。注意,广泛使用的术语“驱动器”具有两种不同的含义:一种是物理电路,它充当低电平电子设备和负载之间的中介;另一个是提供所需的驱动波形算法的软件模块;这种命名法重叠在系统中根深蒂固,正是如此。

触觉执行器选项

存在三种类型的触觉致动器。线性共振致动器(LRA)和偏心旋转质量致动器(通常称为ERM)是最常见的,其次是压电致动器,相对于LRA和ERM而言,压电致动器的使用较少-但可能会发生变化。

线性谐振执行器

顾名思义,该执行器的主要工作原理是通过类似于音圈扬声器的装置来驱动自谐振。该机构具有弹簧安装质量,该质量由固定的音圈与永磁体相互作用而以线性运动振动(图2)。质量也连接到弹簧,弹簧将其返回到中立位置。

AC波形上下驱动磁性物质,导致LRA物质发生位移,从而引起振动力。LRA在共振频率下驱动时效率最高,但是与任何扬声器一样,即使在非共振状态下,它也可以提供一系列不同的频率,从而提供触觉效果。LRA的启动时间通常在40到60毫秒之间,而停止时间则在几百毫秒左右,这可以通过使用180°异相的“制动”驱动信号来缩短。

偏心旋转质量执行器

ERM的核心是一台小型电动机,其偏心负载由差动正负直流电压驱动(图3。当它开始旋转时,由于该偏心质量和向心力的作用,整个组件会振动。 (这里有些讽刺意味,因为电动机设计人员和制造商通常会付出额外的努力,以使电动机尽可能地达到最佳平衡,从而使其不会振动!)。反转驱动电压可制动电动机。很小,直径可达6毫米(尽管有些直径稍大),它们通常在1.5V至3V的电源下工作,可与一两个电池兼容。

ERM仅限于基本的振动操作,不适用于更复杂的触觉运动和效果。作为电动机,它消耗大量功率,并且需要更多功率才能更快地旋转并引起更大的振动。输入电压控制电动机的速度,进而影响振动幅度和振动频率。

由于其固有的惯性(偏心质量的结果),需要一定的时间才能“上升”到所需的转速,并且上升到目标值的90%的时间约为5o到100毫秒,以及停止的下降时间。这种等待时间意味着ECM不太适合快速重复的触觉效果,例如游戏效果。

企业风险管理很嘈杂,嗡嗡作响。在响亮的应用程序(再次是游戏)中这不是问题。但这与许多触觉应用程序要求的“静音”报警器模式相反,例如让参加会议的某人,婚礼,葬礼和类似的礼节活动中的某人知道他们的电话正在响铃,或者他们正在接收短信。

通常,与RRA相比,ERM消耗的功率更多,并且固有地效率较低,并且通用性也较差。但是,有些应用不需要通用性,并且占空比/使用率非常低,因此ERM的成本较低,因此在这些情况下是更好的整体选择。

压电执行器

与LRA或ERM设备相比,该致动器的知名度或使用程度都不高,这主要是由于驱动它的挑战。但是,这可能会发生变化,如下一部分所述。它基于众所周知的,广泛使用的压电效应。压电执行器可以构建为压电元件的堆栈,但更常见的是构建为悬臂的“弯曲器”,它提供了更大的位移但作用力较小(图4)。当施加高压信号时,光束弯曲,在光束尖端产生所需的运动。

基于压电的执行器具有约1毫秒的快速启动和响应时间,宽带宽,低可听噪声和高振动强度。同样,致动器的偏转与施加的信号成正比,因此它可以保持并保持其位置,或者被指示振动。与ERM和LRA执行器不同,偏转的位置,幅度和频率可以独立控制。

压电设备的主要缺点是其更高的电压驱动要求,取决于压电设备的层数,该电压要求达到数十伏甚至数百伏。相反,它需要较少的总功率(电压乘以电流)。因此需要权衡:较低的功耗,但通常难以开发更高的电压,尤其是在小型电池供电的设备中。

触觉执行器参数:与任何组件一样,供应商可以使用一些关键参数来表征,工程师可以使用这些参数来判断性能和权衡。对于触觉致动器,除了尺寸,重量和成本外,这些还包括驱动电压,功率要求,加速度振幅,位移振幅和峰值频率。这些因基本触觉致动器类型以及给定类型的各个模型而异。

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