Google开放硬件:振动触控平台(VHP)技术观察

当前手机/手表/手环等电子产品基本都有振动功能,振动是透过驱动小型马达(或其他类型的发振装置)来实现,振动除了用来通知给使用者(输出),使用者也可以反压反触回馈成为操控(输入)。
不过,目前每一型款的智能装置,其振动设计都是个别客制打造而成,包括要配置几个马达、马达安放的位置、设计上的反复验证微调等,只要换另一型款就无法沿用,需重新再来。
对此,google research提供一个共通的振动触控平台,期许能降低个别客制开发的心力,此称为vhp(vibrotactile haptics platform),并开放发布在github上。
google vhp平台电路板正面与反面
vhp技术剖析
vhp既然要用于智慧手机/手表/手环自然要很娇小省电,目前初估有3~25小时的电池使用时间,且为了适合穿戴式设计而实行软板(flex)连接器。vhp可操控12组驱动马达,可同时各自独立操控驱动。
vhp平台上的主控芯片是nordic公司的nrf52系列蓝牙收发器芯片,芯片用12个脉波宽度调变(pwm)输出接脚来各自控制振动马达,而后nrf也接受各种输入,包含模拟麦克风、脉波密度调变(pdm)麦克风、usb接口、ble蓝牙接口、串行接口、加速度传感器等。
google vhp平台电路示意图
前面提到使用者是可以反压反触来达到输入效果,主要是反压反触时马达的电流会改变,量测电流的改变即可知道反压反触的程度。不过,回馈的通道不是12组个别对应,而是透过24:2的多任务器,运用轮流切换的方式,回馈到nrf52芯片上的模拟数字转换(adc)输入接脚上。
之所以不量测电压改变而是量测电流改变,开发者说明主要是为了能同时振动输出与反触输入,以及设计上可以减少电路板使用面积。开发者也试图用量测电流的方式来判别装入的振动器类型,透过输出不同的扫描频率然后量测其电流,就可以知道装配的是线性谐振致动器(lra)、线性磁性杆(lmr)或音圈振动器(voice coil),这个判别运用上了机器学习领域的支持向量机(svm)分类演算技术。
google vhd透过转接器连接3种不同的发振装置
不同的发振装置因应扫描频率而有不同的电流变化
除了判别不同的振动器外,开发者也先行测试验证了手表或手环在有无配戴时的电流特性,让穿戴装置知道自己是否已被配戴上,甚至可以侦测到配戴的松紧度。另外,整个平台的韧体程序是一套具有移携性的c/c++函式库,可以在arduino生态系统中使用(创客的好消息)。
以250hz频率驱动致动器,致动器被按压时波形明显改变
透过感测电流变化就知道有无被配戴
有了触感回馈能力后,vhp可以发展各种应用,例如协助读唇,听障者虽然可看对方的唇形来了解所说的话语,但有些话语不容易精准判别,例如英文念pin(针)与min(分钟)在唇形上是很相像的。
虽然唇形相像,但念pin的时候,手腕可以量测到比较多的触感(讲者比较发力的缘故),反之min较少,如此就可透过其他方式告知听障者目前念的是pin还是min。
发展潜力
协助读唇只是应用之一,平台提出者也列举其他可能的应用,例如在智能手机上配置多个振动器,而不是现有1、2个而已,透过更细腻的发振与回压,可以让手机游戏更有趣,或在影音播放时有更方便、细腻的互动操控。
也可以用在心理学的实验上,配戴上手环以便量测不同情境、不同问题时的反应;或者可以进行不同的输出转换表达,例如把视觉转换成触觉、把磁场强度转换成触觉等;或者是量测按压松紧度等。
值得一提的是,开发者认为侦测电流回馈是vhp平台的独有特色,此一回馈设计也称为负载传感器(load sensor,图2红框部分)。
最后平台发起者也希望更多人给予他们建议,或提供更多应用(特别称为on-body application)的可能发想,让平台更具潜力与发展价值。


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