三种主流接触式触觉震动反馈技术及其优缺点介绍

汽车   2024-09-13 20:33   广东  
触觉反馈技术(Haptics)是指通过力度、振动等皮肤感觉反馈传递信息的技术,对于这一技术,相信大家都不太陌生,因为它已经在智能手机、平板、可穿戴设备、VR/AR等行业广泛应用。

图 iPhone home键触觉反馈系统

而在车载领域,随着汽车智能化发展,座舱内的传统物理按键逐渐被触控显示屏及智能表面替代,触觉反馈技术可提高驾驶安全性及体验感,已经被宝马、奔驰、奥迪、保时捷、凯迪拉克、吉利、长安等国内外车企应用于汽车中控、车门、方向盘、操控杆、座椅、空调面板、踏板等座舱内各个领域。

东风岚图追光的三联屏,摄于2024北京车展

例如,奔驰全新的交互系统——MBUX Hyperscreen的大尺寸三联屏下配有12个传感器,手指在接触到屏幕中的特定点时,便会在玻璃面屏上触发有形的振动。

图 奔驰MBUX Hyperscreen

三种常见的触觉反馈技术


典型的触觉技术系统是几个子模块的组合,即:带电容式按钮的触觉界面、处理器、驱动电路和执行器。

触觉技术系统的输入可以是触摸,即按下触摸屏上的电容式按钮,这用作发送到触摸屏控制器的输入或触发信号。设备中的传感器感知施加的力的变化、输入角度的变化并将信息发送到处理器。

该信息被进一步处理,生成一个可以是模拟或数字波形的波形,作为驱动电路的输入,并将特定指令提供给致动器以生成产生振动的模式,来自致动器的反馈返回到触摸屏设备作为力反馈,用户因此虚拟地感觉到这种力反馈。

图 典型的触觉技术系统

常见的触觉震动执行器主要有三种,偏心电机(ERM),线性马达(LRA)和陶瓷马达(Piezo)。


1. 偏心电机(ERM)


偏心电机(Eccentric Rotary Mass,ERM)的工作原理类似于直流电机。在偏心电机的中央有一个偏心转子,当偏心电机旋转时,偏心转子会产生一个离心力,这种离心力使偏心电机发生微小的位移,从而产生震动,人们感受到的这种震动反馈就称为触觉反馈。

图 偏心电机,来源于Boréas Technologies

偏心电机的震动依靠旋转产生,启停需要时间,因此震动加速度相对较小,响应速度慢,噪声较大,同时全方位的震动缺乏指向性,无法完成复杂的震动效果,且能耗相对较高。

特点如下:

优点:驱动简单,成本较低。
缺点:响应速度慢,震动强度弱,震动体验感觉不细腻,功耗大。

2. 线性马达(LRA)


线性马达触觉震动器主要是一个由弹簧,质量块和线圈组成的弹簧系统。弹簧将线圈悬浮在线性马达内部,当线圈中有电流流过时,线圈会产生磁场。线圈和带有磁性的质量块相连,当流过线圈的电流改变时,磁场的方向和强弱也会改变,质量块就会在变化的磁场中上下移动,这种运动被人们感知就会产生触觉效果。


图 线性马达,来源于Boréas Technologies


线性马达的震动依靠磁性质量块的上下运动,因而线性马达只会在垂直方向产生震动,不会在其他方向产生能量的浪费,这一运动的方向优势有助于节省功耗。

特点如下:

优点:响应速度快,震动强度大,震动体验感觉细腻,功耗低,声学噪声小。
缺点:谐振频率的细微偏移会噪声震动强度的大幅下降,减弱震动效果。

3. piezo 压电陶瓷


压电陶瓷触觉震动器是采用压电陶瓷材料制成。当有电压加在压电陶瓷上时,压电陶瓷材料会迅速的产生形变,压电陶瓷震动器的震动即来源于形变。压电陶瓷材料使压电陶瓷震动器成为了一种高精度的触觉震动器,意为响应速度更快,震动控制更精确。它可以接受更宽的驱动电压频率,声学噪声更小,震动强度和震动体验感觉比偏心电机和线性马达更强,更真实。

       

图 当电压施加在压电陶瓷上时产生的形变  来源TDK

压电陶瓷震动器有单层和多层之分。压电陶瓷震动器是容性负载,因而单层和多层压电陶瓷对驱动电压的要求不同。通常单层压电陶瓷震动器需要更高的电压,而多层压电陶瓷震动器只需较低的电压,但是却需要更大的驱动电流。


压电陶瓷马达的震动是由压电陶瓷马达材料的形变引起的,因而它的震动强度也只产生在单一方向。同时,由于这种震动器的震动强度更强,响应速度更快,这些优点也有助于节省功耗。

太阳诱电层压型压电振动片


特点如下:

优点:响应速度更快,驱动频带宽,震动强度大,震动体验感觉细腻真实,声学噪声小,功耗低。
缺点:需要高电压驱动。

下面,通过表格方式更加简介的来总结一下偏心电机,线性马达和压电陶瓷震动器各自的优缺点:


偏心电机

线性马达

单层压电陶瓷

多层压电陶瓷

综合评价

很好

最好

最好

震动加速度(G)

~1G

~1-2G

~3-5G

~3-5G

声学噪声

中等

安静

安静

响应时间

~50ms

~30ms

0.5ms

0.5ms

功耗

更低

更低

高精度触觉震动器

价格

较低

中等


文章整理自:TI资料《触觉震动反馈技术的功耗分析》及网络信息

汽车HMI从物理按键到触控按键的发展之路伴随着汽车智能系统的普及,但目前触控开关要做的还有很多:比如说做好反馈,防止误操作,提升驾驶安全性等。更多汽车内饰智能相关技术与趋势,欢迎加入艾邦汽车智能表面微信群交流探讨。



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一、会议议题

No.议题拟邀请嘉宾
1融合了光学与电子智能技术的汽车内饰设计拟邀请主机厂
2新四化时代汽车智能内饰材料,颜色,表面技术的创新思路拟邀请主机厂
3汽车智能时代的内饰光电智能化的创新需求拟邀请主机厂
4碳达峰,碳中和背景下的智能内饰低碳工艺技术趋势拟邀请双碳行业专家
5触控及压力感测技术在汽车行业及未來座舱应用趋势TouchNetix 顔國義 Sales Director
6汽车智能疗愈健康座舱的发展路径和关键技术拟邀请主机厂
7软件定义汽车背景下智能座舱内饰对芯片的发展需求拟邀请芯片供应商
8虚拟触摸方案在智能座舱的技术方案解析拟邀请虚拟触摸方案供应商
9高感知表面工艺以及在汽车内饰应用的案例介绍拟邀请表面处理供应商
10震动反馈解决方案在智能表面的技术方案拟邀请震动反馈解决方案供应商
11抗菌,抗病毒材料在汽车智能表面的应用案例介绍拟邀请抗菌材料供应商
12IME模内电子在汽车智能表面的可行性探讨拟邀请模内电子供应商
13模内喷涂技术在汽车座舱产品的应用介绍拟邀请模内喷涂供应商
14力传感器产品在汽车智能表面的应用拟邀请力传感器供应商
15高压成型机在汽车智能表面的应用拟邀请高压成型设备供应商
16IML&IMD常显及隐藏信标的整体工艺方案介绍拟邀请IML方案供应商
17凹版印刷技术在汽车内饰智能表面中的应用拟邀请凹版印刷供应商
18透光超纤、透光皮革在汽车智能表面的应用案例拟邀请PU&超级纤维材料供应商
19可透光真木纹理效果工艺技术方案在内饰智能表面的应用拟邀请真木或者INS等内饰供应商
20真铝&碳纤维的高级表面技术在智能表面的应用拟邀请真铝碳纤维内饰供应商
21LOCAL DIMING MINI-LED在智能表面透光解决方案的介绍拟邀请MINI-LED供应商
22可拉伸银浆在智能内饰模内线路与模内电子的应用拟邀请银浆供应商
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二、收费标准


参会人数

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9月23日前付款

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2600/

10月23日前付款

2800/

2700/

现场付款

3000/

2800/


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论坛议题:


序号议题拟邀请嘉宾
1智能座舱的未来发展趋势与电动部件的创新东风汽车
2汽车智能座舱中旋转屏、吸顶屏的技术解析华阳多媒体
3微电机控制器在智能座舱领域的应用挑战与解决方案武迪电子
4电动执行器的低成本解决方案探讨拟邀中
5电动部件在智能座舱中的能效优化与用户体验提升拟邀中
6汽车零重力座椅技术革新与智能座舱的完美融合拟邀中
7智能电动座椅的人体工程学设计与健康促进拟邀中
8智能座舱中智能香氛系统的技术挑战、解决方案及健康安全标准拟邀中
9智能座舱电动出风口的智能化控制与节能效率拟邀中
10智能座舱中微电机传感器的技术革新与成本效益分析拟邀中
11微电机齿轮箱的国产替代与技术创新拟邀中
12智能座舱中微电机马达的应用与散热难点挑战拟邀中
13微电机执行器的芯片控制及算法解决方案拟邀中
14激光焊接在智能座舱电动部件中的应用工艺拟邀中
15智能座舱电动部件的材料革命--高性能塑料的技术突破拟邀中
16智能座舱电动部件的创新注塑解决方案拟邀中
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5、电动出风口/智能香氛在汽车空调系统中的应用难题与解决方案。
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现场付

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2800/人

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