Cum se utilizează tehnologia haptică pentru îmbunătățirea percepției în interfețele om-mașină

Nevoia de interfețe om-mașină (HMI) mai eficiente și de o percepție îmbunătățită determină adoptarea tehnologiei haptice în aplicațiile din Industria 4.0, în sistemele auto, medicale și de prim ajutor, în dispozitivele pentru Internetul lucrurilor (IoT), în dispozitivele purtabile și în alte dispozitive de consum. De exemplu, dispozitivele haptice pot oferi feedback în cadrul sistemelor de instruire medicală și de reabilitare a pacienților bazate pe VR (realitate virtuală) sau AR (realitate augmentată) sau pot oferi alerte îmbunătățite la volan pentru a-i informa pe șoferi cu privire la condițiile potențial nesigure. De asemenea, tehnologiile haptice sunt utilizate în combinație cu alte tehnologii HMI, cum ar fi sunetul, pentru a oferi interfețe senzoriale mai imersive și mai realiste.

Unele dintre provocările cu care se confruntă proiectanții atunci când utilizează dispozitive haptice sunt selectarea tehnologiei haptice corecte – masa rotativă excentrică (ERM) sau actuatorul rezonant liniar (LRA) – integrarea corectă a acesteia într-un sistem pentru a obține nivelul dorit de feedback, acționarea acesteia și înțelegerea modului de testare a vibrațiilor, a performanțelor de zgomot și a fiabilității.

Acest articol începe cu o scurtă trecere în revistă a beneficiilor pe care feedback-ul haptic le poate aduce în mai multe scenarii de aplicații. Apoi, prezintă opțiunile tehnologiei haptice, împreună cu exemple reale de dispozitive haptice de la PUI Audio. De asemenea, prezintă modul de integrare a dispozitivelor haptice în sisteme și oferă un exemplu de circuit integrat de comandă haptică, și se încheie prin detalierea metodologiilor de testare a performanțelor în materie de vibrații și zgomot.

Interfețe multisenzoriale

Tehnologia haptică este din ce în ce mai des utilizată în combinație cu feedback-ul vizual și auditiv pentru a crea medii multisenzoriale și o interacțiune îmbunătățită între oameni și dispozitive. Interfețele haptice pot include haine, mănuși, ecrane tactile și alte obiecte, cum ar fi dispozitive mobile și mouse-uri de calculator.

Interacțiunea multisenzorială este deosebit de utilă în mediile în care un element HMI non-vizual, cum ar fi sistemul haptic sau sonor, poate permite utilizatorului să se concentreze asupra sarcinii pe care o are de îndeplinit, cum ar fi controlul de la distanță al dispozitivelor sau al instrumentelor chirurgicale sau conducerea unei mașini. De asemenea, integrarea elementelor haptice în HMI-uri permite o interacțiune manuală îmbunătățită cu mediile virtuale sau cu sistemele operate de la distanță. Pentru a obține beneficii maxime din integrarea tehnologiei haptice într-o interfață om-mașină, proiectanții trebuie să înțeleagă compromisurile de performanță ale tehnologiilor haptice.

Tehnologii de dispozitive haptice

Cele mai comune tehnologii haptice sunt ERM și LRA. Un ERM utilizează o masă descentrată pe arborele motorului pentru a provoca un dezechilibru și a crea vibrații. Dispozitivele ERM sunt acționate cu tensiuni de curent continuu (c.c.) relativ simple. Utilizarea energiei de curent continuu, combinată cu un design mecanic relativ simplu, prezintă câteva compromisuri:

Avantaje:

• Simplu de acționat
• Cost redus
• Factor de formă flexibil
• Integrare mai simplă a sistemului pentru anumite modele

Dezavantaje:

• Consum ridicat de energie
• Răspuns lent
• Dimensiune mai mare a soluției

În loc să folosească o masă excentrică pentru a crea vibrații pe mai multe axe, un dispozitiv LRA vibrează cu o mișcare liniară folosind o bobină vocală, un magnet circular și un arc. Dispozitivele LRA necesită unități de curent alternativ (c.a.) pentru a alimenta bobina vocală. Curentul alternativ creează un câmp magnetic variabil în bobina vocală, care face ca magnetul să se deplaseze în sus și în jos. Arcul conectează magnetul la carcasa dispozitivului, transferând energia vibrațională către sistem. Deoarece dispozitivele LRA se bazează pe o bobină vocală și nu se bazează pe periile utilizate în ERM-uri, acestea consumă mai puțină energie pentru o anumită intensitate a vibrațiilor. Frânarea poate fi implementată prin acționarea unui dispozitiv LRA cu un defazaj de 180°, accelerând timpii de răspuns.

Dispozitivele LRA funcționează în mod eficient în benzi de rezonanță relativ înguste (de obicei de la ±2 până la ±5 Hertz (Hz)). Ca urmare a toleranțelor de fabricație, a învechirii componentelor, a condițiilor de mediu și a considerentelor de montare, frecvența de rezonanță exactă a unui dispozitiv LRA poate varia, complicând proiectarea circuitului de acționare. Sistemele haptice LRA prezintă proiectanților un set diferit de avantaje și dezavantaje în comparație cu dispozitivele ERM:

Avantaje:

• Timp de răspuns mai rapid
• Eficiență mai bună
• Accelerație crescută
• Frânare posibilă
• Poate fi de dimensiuni mai mici

Dezavantaje:

• Frecvența rezonantă poate varia
• Dificil de acționat
• Cost mai mare

Pe lângă diferențele de funcționare, dispozitivele ERM și LRA sunt disponibile în mai multe tipuri de capsulare. Dispozitivele ERM pot fi capsulate în pachete de tip pastilă sau bară, în timp ce LRA sunt capsulate în pachete de tip pastilă, prismatice (dreptunghiulare) sau cilindrice (Figura 1). Dispozitivele ERM și LRA de tip pastilă tind să aibă un diametru de aproximativ 8 milimetri (mm) și o grosime de aproximativ 3 mm. Dispozitivele haptice ERM de tip bară sunt mai mari, măsurând aproximativ 12 mm lungime și 4 mm lățime.

Figura 1: ERM-urile sunt disponibile în pachete de tip bară sau pastilă, în timp ce LRA-urile sunt disponibile în formate de tip pastilă, cilindrice sau prismatice. (Sursa imaginii: PUI Audio)

Dispozitive ERM de tip pastilă

Pentru aplicații precum dispozitivele purtabile care pot beneficia de un dispozitiv ERM de tip pastilă, proiectanții pot utiliza HD-EM0803-LW20-R de la PUI Audio, cu diametrul de 8 mm și grosimea de 3 mm. Specificațiile pentru HD-EM0803-LW20-R includ:

• Viteză nominală de 12.000 (±3.000) rotații pe minut (rpm)
• Rezistență la borne de 38 ohmi (Ω) (±50%)
• Tensiune de intrare de 3 volți c.c.
• Consum de curent nominal de 80 miliamperi (mA)
• Interval de temperatură de funcționare de la -20 la +60 grade Celsius (°C)

Pentru dispozitivele care trebuie să funcționeze în medii termice mai dificile, proiectanții pot utiliza HD-EM1003-LW15-R, care poate funcționa la temperaturi cuprinse între -30 °C și +70 °C. Acesta are aceeași viteză nominală și aceeași dimensiune ca și HD-EM0803-LW20-R și dispune de o rezistență a bornelor de 46 Ω (±50%) cu un consum nominal de curent de 85 mA. Ambele dispozitive ERM de tip pastilă pot fi acționate cu curent continuu pozitiv sau negativ pentru mișcări în sensul acelor de ceasornic sau în sens invers. Acestea includ fire de legătură de 20 mm pentru conexiuni electrice flexibile și produc un zgomot acustic maxim de 50 de decibeli în mediul ambiant (dBA).

ERM-uri tip bară

HD-EM1206-SC-R măsoară 12,4 mm pe lungime și 3,8 mm pe lățime. Are o turație nominală de 12.000 (±3 000) rpm atunci când este acționat cu 3 volți c.c. Este proiectat pentru a funcționa la temperaturi cuprinse între -20 și +60 °C și produce un zgomot acustic maxim de 50 dBA. Proiectele care necesită niveluri mai scăzute de zgomot acustic pot utiliza HD-EM1204-SC-R (Figura 2). Acesta produce un zgomot acustic maxim de numai 45 dBA. De asemenea, are o turație nominală mai mare de 13.000 (±3.000) rpm și o gamă mai amplă de temperaturi de funcționare, de la -30 °C la +70 °C, comparativ cu HD-EM1206-SC-R. Ambele dispozitive au o rezistență scăzută a bornelor, de 30 Ω (±20%), și un consum nominal de curent de 90 mA.

Figura 2: ERM-ul HD-EM1204-SC-R este potrivit pentru aplicații care necesită niveluri scăzute de zgomot acustic. (Sursa imaginii: PUI Audio)

Dispozitiv LRA

Proiectele care necesită timpi de răspuns mai rapizi, o eficiență energetică mai mare și vibrații mai puternice pot utiliza dispozitivul LRA HD-LA0803-LW10-R de la PUI Audio cu diametrul de 8 mm și înălțimea de 3,2 mm (Figura 3). Dispozitivele LRA sunt mai precise decât cele haptice ERM. De exemplu, rezistența dispozitivelor ERM variază de la 30 (±20%) la 46 Ω (±50%), în timp ce rezistența HD-LA0803-LW10-R este specificată ca fiind de 25 Ω (±15%). Consumul de energie al HD-LA0803-LW10-R este de aproximativ 180 de miliwați (mW), (2 V_RMS x 90 mA), în timp ce dispozitivele ERM discutate mai sus consumă între 240 și 270 mW. Acest dispozitiv LRA are un interval de temperatură de funcționare de la -20 la +70 °C.

Figura 3: HD-LA0803-LW10-R LRA combină vibrațiile puternice, timpii de răspuns rapizi și eficiența energetică. (Sursa imaginii: PUI Audio)

Integrarea în sistem

Utilizarea benzii dublu-adezive este metoda de asamblare preferată pentru dispozitivele haptice de tip pastilă și asigură cea mai bună cuplare a vibrațiilor la sistem. Dispozitivele cu bandă dublu-adezivă includ fire de plumb care trebuie cuplate prin găuri și lipire manuală pe placa de circuite. Dispozitivele de tip bară, cilindrice și prismatice sunt disponibile cu două stiluri diferite de integrare în sistem: bandă dublu adezivă și contacte cu arc. În cazul în care se utilizează bandă dublu-adezivă, aceste dispozitive includ fire de plumb lipite manual, ca și dispozitivele de tip pastilă. Utilizarea contactelor cu arc combină funcțiile de cuplare a vibrațiilor și de conectivitate electrică. Contactele cu arc elimină necesitatea lipirii manuale, simplificând asamblarea și reducând costurile. De asemenea, utilizarea contactelor cu arc poate simplifica reparațiile pe teren.

Acționarea dispozitivelor haptice

Circuitele de acționare discrete pot fi utilizate cu dispozitivele LRA și ERM. În timp ce utilizarea unui driver realizat cu componente discrete poate reduce costurile, în special pentru proiecte relativ simple, aceasta poate duce la o soluție de dimensiuni mai mari și la un timp de lansare pe piață mai lent, în comparație cu un CI de comandă. Pentru aplicațiile care au nevoie de o soluție compactă și de înaltă performanță, proiectanții pot utiliza DRV2605L de la Texas Instruments. DRV2605L este un sistem complet de control în buclă închisă pentru un feedback tactil de înaltă calitate care poate comanda atât dispozitive ERM, cât și LRA (Figura 4). DRV2605L include acces la software-ul TouchSense 2200 de la Immersion, cu peste 100 de efecte haptice licențiate, plus o funcție de conversie audio-vibrații.

Figura 4: circuitul integrat DRV2605L poate comanda dispozitive haptice LRA sau ERM. (Sursă imagine: Texas Instruments)

Testarea vibrațiilor

Deoarece dispozitivele haptice funcționează pe bază de vibrații, este important ca acestea să aibă o construcție robustă. PUI Audio a specificat o platformă de testare care urmează să fie utilizată pentru testarea vibrațiilor, prezentată în Figura 5. Testul este implementat cu un sistem de testare a vibrațiilor electrodinamice de calitate industrială. Aceasta poate fi programată pentru teste de vibrații specifice pentru a simula diverse condiții, cum ar fi vibrații sinusoidale, vibrații aleatorii și impulsuri de șoc mecanic.

Figura 5: platformă de testare recomandată pentru testarea vibrațiilor dispozitivelor haptice. (Sursa imaginii: PUI Audio)

Există trei teste de vibrații specificate de PUI Audio pentru dispozitivele lor haptice (consultați Tabelul 1). După ce au fost efectuate testele și dispozitivele s-au „odihnit” timp de patru ore, acestea trebuie să îndeplinească specificațiile privind viteza nominală (pentru dispozitivele ERM) sau accelerația (pentru modelele LRA), precum și rezistența, curentul nominal și zgomotul.

Tabelul 1: specificații privind testele de vibrații pentru dispozitivele haptice. (Sursa tabelului: PUI Audio)

Pe lângă testarea vibrațiilor, PUI Audio a definit testarea la șoc după cum urmează:

• Accelerare: semi-sinusoidală 500 g
• Durată: 2 milisecunde (ms)
• Test/față: 3 ori/6 fețe pentru un total de 18 șocuri.

Criteriile pentru admis/respins sunt aceleași ca și în cazul testării vibrațiilor.

Măsurarea zgomotului acustic

Nivelul de zgomot acustic (mecanic) produs de dispozitivele haptice variază, iar modul în care este montat dispozitivul haptic joacă un rol esențial în reducerea la minimum a nivelului de zgomot. PUI Audio recomandă utilizarea unei configurații de testare specifice pentru măsurarea zgomotului acustic produs de dispozitivele haptice, prezentată în Figura 6. Testul trebuie efectuat într-o cameră ecranată cu un nivel de zgomot ambiant de 23 dBA. În cazul în care dispozitivul este montat pe platforma de 75 g așa cum va fi instalat în sistem, acest test va informa proiectanții cu privire la nivelul de zgomot la care se pot aștepta din partea aplicației.

Figura 6: platforma de testare recomandată pentru măsurarea zgomotului acustic al dispozitivului haptic. (Sursa imaginii: PUI Audio)

Concluzie

Prin furnizarea de feedback tactil utilizatorilor, tehnologia haptică poate fi utilizată pentru a îmbunătăți performanța HMI și pentru a contribui la crearea unor medii multisenzoriale de înaltă performanță. Cu toate acestea, atunci când iau în considerare utilizarea tehnologiei haptice, proiectanții trebuie să înțeleagă compromisurile dintre tehnologiile ERM și LRA, cum să le acționeze în mod eficient și cum să le testeze pentru a se asigura că se ating nivelurile necesare de fiabilitate și performanță ale sistemului. După cum s-a arătat, dispozitivele haptice sunt ușor de găsit, la fel ca și driverele și procedurile de testare.

Lectură recomandată

1. Noi dimensiuni în implementarea HMI fără a fi nevoie de utilizarea intensă a resurselor
2. Cum se implementează în mod corect alarmele sonore în monitorizarea medicală