前幾天我在多倫多出差，我想在城里跑步去四處看看。我在家的時候每天都在住所附近跑3到5英里，所以我想在這座大城市中也找到一條相似距離的路徑。雖然我也可以繞著附近的街區(qū)跑幾圈，但是我還是拿出手機，看看是不是能找到一條沿途景色比較優(yōu)美的路徑。

 

我拿出手機，打開地圖，大約兩秒鐘后我就找到了一條完美路徑。整條路徑有15個轉(zhuǎn)彎，最后回到我下榻的酒店。我把手機放回到臂帶中開始跑步，但是我很快就意識到，我需要看地圖才能確定下一次轉(zhuǎn)彎的方向。因此，我把手機拿出來，看方向，之后在開始跑，不過不再把手機放回到臂帶中了。

 

由于總是晃來晃去的，跑步時看手機可不太容易。跑步時，我的手擺來擺去，根本就看不清下一個轉(zhuǎn)彎的方向。我的手機沒有手機套，所以拿著手機有點兒讓人頭疼，特別是我腳下的那條硬硬的人行道，實在是太顛簸了。

 

我邊跑邊想，一定有更好地方法來解決我的導航難題。會是音頻嗎？不會，絕不是，這樣的話我就需要頭戴式耳機了。我可不想在過馬路時被車撞到。視頻方法，我也不想老是向下盯著手機看。那么剩下的就是—觸覺反饋或振動反饋？

 

我可不是碰巧偶然想到將振動反饋作為一種可能的解決方案。其實我就是在TI的觸覺反饋產(chǎn)品組工作。不過，當我認識到觸覺反饋將成為我在跑步時遇到的難題（概括地說，是導航時遇到的問題）的理想解決方案時，它仍然給了我不少的啟示。

 

觸覺是人們的其它感覺被占用時對人發(fā)出警報的理想選擇，或者用來強化音頻或視覺反饋。下面就是一些你可以用觸覺反饋里實現(xiàn)的絕妙功能：

 

· 用清晰的振動提醒用戶左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)

 

· 當用戶已經(jīng)達到里程數(shù)時提醒用戶

 

· 通過提供振動節(jié)拍器來幫助用戶保持步速或節(jié)奏（我可能會用到這個功能）

 

· 在收到短信或有電話打進來時提醒用戶

 

· 甚至會用清晰的蜂鳴聲提醒用戶應該去鍛煉了

 

使用觸覺反饋來提供導航提示的方法很多。想一想走路或跑步時鞋子內(nèi)的振動反饋（圖1）。當你到達轉(zhuǎn)彎處時，左腳或右腳的鞋子將告訴你下一個方向。這對于跑步者、登山者、徒步旅行者、自行車愛好者、甚至是像我這樣的陌生城市中的游客非常有用，他們在不斷運動的過程中需要知道前進的方向。諸如此類的觸覺反饋應用還能夠幫助有視覺障礙的人輕松游走于大城市中。

圖1.鞋子中使用的觸覺反饋應用示例

 

不喜歡跑步？自行車也能指明方向（圖2）。有幾家公司正在研究如何將電子元器件集成到自行車當中。而自行車與騎車人之間通信的主要方式就是觸覺反饋。自行車與你的手機互連，并通過左右車把或車座上的蜂鳴聲告訴你方向。你的手根本就不用離開車把，非常方便。當你在快速騎行時，你肯定不想掏出手機看方向，所以就讓自行車告訴你前進的方向吧。如果進行更進一步的功能拓展，同樣的蜂鳴車把可以提醒騎行英里數(shù)、速度踏頻，甚至是朋友發(fā)來的短信。

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圖2. 自行車車把中，觸覺反饋的使用示例

 

在導航方面，觸覺反饋還有很多其它用途。一個專門用途就是支持觸覺反饋的腰帶，可以在噪聲敏感環(huán)境中為佩帶此腰帶的士兵提供斷續(xù)的導航提示。當士兵不能通話時，他們可以使用觸覺反饋進行通信。觸覺反饋提示可以是基于GPS的局部導航方向、兩個士兵之間或者一組士兵之間更加復雜的通信，甚至是遙控機器人與障礙物碰撞避免的振動反饋。你可以看一看由美國國防高級研究計劃局 （DARPA） 贊助研發(fā)的主動腰帶項目。

 

對于輔助性應用，觸覺反饋可被用作視障人員的虛擬拐杖。距離傳感器可以感測用戶前面的物體，觸覺反饋將提供物體與用戶之間的距離。觸覺反饋還在與智能手機上的導航功能相連接時提供左右導航命令。

 

那么這種系統(tǒng)長什么樣呢？此系統(tǒng)由兩個主要部分組成：導航設(shè)備和觸覺用戶接口（圖3）。智能手表、智能手機、或者專用導航設(shè)備均可用來生成導航命令。這些命令被映射到特定的制動器（例如，左右車把），還有就是特定的觸覺效應（諸如用于急轉(zhuǎn)彎的三重蜂鳴聲），然后通過Bluetooth® 傳到Bluetooth微控制器 （MCU）。Bluetooth MCU解釋接收到的效應，然后觸發(fā)觸覺驅(qū)動器來生成正確的觸覺振動。

圖3-觸覺反饋系統(tǒng)方框圖

 

除了觸覺反饋塊，還需要一個處理器或微控制器、一個觸覺反饋驅(qū)動器和一個制動器。制動器的類型和型號有很多種。為了幫助縮小選擇范圍，以下內(nèi)容概括了在選擇制動器時需要考慮的關(guān)鍵參數(shù)。

 

· 制動器類型—主要有兩種類型的振動制動器：離心旋轉(zhuǎn)質(zhì)量電機 （ERM） 和線性諧振致動器 （LRA）。

 

o ERM是一種具有偏心質(zhì)量的傳統(tǒng)電機。當施加直流電壓時，偏心質(zhì)量開始旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生力。

 

o LRA是金屬外殼內(nèi)的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。由于它們不但能夠產(chǎn)生很強的振動力，而且能夠?qū)κ┘拥碾妷嚎焖僮龀鱿鄳?，所以這些系統(tǒng)通常在智能手機中使用。這也使得LRA能夠產(chǎn)生點擊和復雜的振幅調(diào)制效應。

 

· 加速-通過測量加速度，可計算制動器在運動時產(chǎn)生的振動力。較高的加速度對于產(chǎn)品的用戶吸引力很重要。對于諸如自行車車把的應用，應該使用較大的制動器。要測量你系統(tǒng)中制動器的性能，可使用現(xiàn)成的加速計。圖4顯示3中不同尺寸的ERM制動器以及它們測得的加速度。加速度的單位為G，等于地球表面由重力導致的標準加速度，或者表示為9.8m/s2。

圖4.ERM尺寸和加速度比較

 

· 安裝-制動器有多種不同的形狀和大小，但是真正的技巧在于如何將它們安裝在系統(tǒng)內(nèi)。主要有3中ERM的安裝技術(shù)（圖5）。

圖5. ERM安裝選項

在這里可以看一下Precision Microdrives公司生產(chǎn)的封裝電機。對于LRA來說，實現(xiàn)起來就稍微簡單一些。LRA是完全封裝的，所以制動器可以被黏合或者固定在幾乎所有表面上。此外，在觸覺反饋腰帶、背心或襯衣上設(shè)計幾個小口袋，就可以將這些設(shè)備縫制在衣服內(nèi)（圖6）。這也可以通過ERM實現(xiàn)。

圖6.帶有LRA制動器的衣服

 

在選中一款制動器后，就需要選擇一款驅(qū)動器。由于它生成了觸覺波形，所以此驅(qū)動器發(fā)揮的作用很重要。它負責生成通過觸覺與用戶進行通信的語言。為了實現(xiàn)這一功能，驅(qū)動器通過變化輸出波形的振幅和頻率來生成不同的振動模式。

 

讓我們來看一看德州儀器 （TI） DRV2605L ERM和LRA驅(qū)動器，它在芯片內(nèi)嵌入有123種不同的觸覺波形。此器件為你生成觸覺語言。你只需要將它整合在一起并大聲說出來就可以了！嵌入式波形可以與序列組合在一起，以獲得更加多變的觸覺效應。它采用極小型1.5mm x 1.5mm BGA芯片級封裝，或者稍微大一些的3mm x 3mm引線封裝，個人認為這種封裝方式更容易焊接。兩種封裝都只需兩個外部組件：一個1uF旁路電容器和1個1uF內(nèi)部穩(wěn)壓電容器。

圖7.DRV2605 ERM和LRA觸覺驅(qū)動器

 

系統(tǒng)中的最后一個組件是處理器。Bluetooth處理器負責導航塊與觸覺用戶接口之間的通信。對于這種器件，有很多種不同的選擇，不過我推薦SimpleLinkTM Bluetooth 低功耗（Bluetooth智能）CC2541微控制器。我們曾經(jīng)于近期在一個項目中使用了這款器件為觸覺可穿戴設(shè)備生成參考設(shè)計，發(fā)現(xiàn)這款器件在所有需要進行觸覺反饋原型設(shè)計的應用中非常有用。查看觸覺Bluetooth套件參考設(shè)計—它甚至包含一款iPhone和iPod應用程序！