Google新開放硬體:振動觸控平台(VHP)技術觀察

作者:陸向陽

今日智慧手機/手錶/手環多有振動功能,振動是透過驅動小型馬達(或其他類型的發振裝置)來實現,振動除了用來通知給使用者(輸出),使用者也可以反壓反觸回饋成為操控(輸入)。

不過,目前每一型款的智慧裝置,其振動設計都是個別客製打造而成,包括要配置幾個馬達、馬達安放的位置、設計上的反覆驗證微調等,只要換另一型款就無法沿用,需重新再來。

對此,Google Research提供一個共通的振動觸控平台,期許能降低個別客製開發的心力,此稱為VHP(Vibrotactile Haptics Platform),並已開放發佈在GitHub上。

Google VHP平台電路板正面與反面(資料來源:Google)

VHP技術剖析

VHP既然要用於智慧手機/手錶/手環自然要很嬌小省電,目前初估有3~25小時的電池使用時間,且為了適合穿戴式設計而採行軟板(flex)連接器。VHP可操控12組驅動馬達,可同時各自獨立操控驅動。

VHP平台上的主控晶片是Nordic公司的nRF52系列藍牙收發器晶片,晶片用12個脈波寬度調變(PWM)輸出接腳來各自控制振動馬達,而後nRF也接受各種輸入,包含類比麥克風、脈波密度調變(PDM)麥克風、USB介面、BLE藍牙介面、串列介面、加速度感測器等。

Google VHP平台電路示意圖(圖片來源:Google)

前面提到使用者是可以反壓反觸來達到輸入效果,主要是反壓反觸時馬達的電流會改變,量測電流的改變即可知道反壓反觸的程度。不過,回饋的通道不是12組個別對應,而是透過24:2的多工器,運用輪流切換的方式,回饋到nRF52晶片上的類比數位轉換(ADC)輸入接腳上。

之所以不量測電壓改變而是量測電流改變,開發者說明主要是為了能同時振動輸出與反觸輸入,以及設計上可以減少電路板使用面積。開發者也試圖用量測電流的方式來判別裝入的振動器類型,透過輸出不同的掃描頻率然後量測其電流,就可以知道裝配的是線性諧振致動器(LRA)、線性磁性杆(LMR)或音圈振動器(Voice Coil),這個判別運用上了機器學習領域的支援向量機(SVM)分類演算技術。

Google VHD透過轉接器連接3種不同的發振裝置(圖片來源:Google)

不同的發振裝置因應掃描頻率而有不同的電流變化(圖片來源:Google)

除了判別不同的振動器外,開發者也先行測試驗證了手錶或手環在有無配戴時的電流特性,讓穿戴裝置知道自己是否已被配戴上,甚至可以偵測到配戴的鬆緊度。另外,整個平台的韌體程式是一套具有移攜性的C/C++函式庫,可以在Arduino生態系統中使用(創客的好消息)。

以250Hz頻率驅動致動器,致動器被按壓時波形明顯改變(圖片來源:Google)

透過感測電流變化就知道有無被配戴(圖片來源:Google)。

有了觸感回饋能力後,VHP可以發展各種應用,例如協助讀唇,聽障者雖然可看對方的唇形來了解所說的話語,但有些話語不容易精準判別,例如英文唸pin(針)與min(分鐘)在唇形上是很相像的。

雖然唇形相像,但唸pin的時候,手腕可以量測到比較多的觸感(講者比較發力的緣故),反之min較少,如此就可透過其他方式告知聽障者目前唸的是pin還是min。

發展潛力

協助讀唇只是應用之一,平台提出者也列舉其他可能的應用,例如在智慧手機上配置多個振動器,而不是現有1、2個而已,透過更細膩的發振與回壓,可以讓手機遊戲更有趣,或在影音播放時有更方便、細膩的互動操控。

也可以用在心理學的實驗上,配戴上手環以便量測不同情境、不同問題時的反應;或者可以進行不同的輸出轉換表達,例如把視覺轉換成觸覺、把磁場強度轉換成觸覺等;或者是量測按壓鬆緊度等。

值得一提的是,開發者認為偵測電流回饋是VHP平台的獨有特色,此一回饋設計也稱為負載感測器(load sensor,圖2紅框部分)。

最後平台發起者也希望更多人給予他們建議,或提供更多應用(特別稱為On-body application)的可能發想,讓平台更具潛力與發展價值。

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(責任編輯:謝涵如)

陸向陽

Author: 陸向陽

從電子科系畢業後,即以媒體人的角色繼續這段與「電子科技」的不解之緣。歷任電子技術專書作者、電子媒體記者、分析師等角色,並持續寫作不殆。近來投入Arduino、Raspberry Pi等開放硬體的研究與教程介紹。

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