Slik bruker du haptikk for forbedret oppfatning i grensesnitt mellom mennesker og maskiner

Behovet for mer effektive menneske-maskin-grensesnitt (HMI-er) og forbedret oppfatning driver bruken av haptikk i industri 4.0-utrustninger, kjøretøy-, medisinsk- og førstehjelpssystemer, IoT-enheter (tingenes internett), bærbare enheter og andre forbrukerenheter. For eksempel kan haptiske enheter gi tilbakemelding i medisinske opplærings- og pasientrehabiliteringssystemer, basert på VR (virtuell virkelighet) eller AR (utvidet virkelighet), eller de kan gi forbedrede varsler i et bilratt for å informere sjåfører om potensielt utrygge forhold. Haptikk brukes også i kombinasjon med andre HMI-teknologier som lyd for å gi mer responderende og realistiske sansende grensesnitt.

Noen av utfordringene designerne møter når de bruker haptikk, er å velge riktig haptisk teknologi – eksentrisk roterende masse (ERM) eller lineær resonant aktuator (LRA) – som integrerer den i et system for å oppnå ønsket nivå av tilbakemelding, kjøre den og forstå hvordan man tester dens vibrasjon, støyytytelse og pålitelighet.

Denne artikkelen starter med en kort gjennomgang av fordelene haptisk tilbakemelding kan gi til flere scenarier for utrustningen. Deretter introduseres haptiske teknologialternativer sammen med virkelige eksempler på haptiske enheter fra PUI Audio. Den ta for seg hvordan man integrerer haptiske enheter i systemer, inkludert et eksempel på en haptisk driverkomponent, og lukkes ved å detaljere metoder for testing av vibrasjoner og støyytelse.

Flersansende grensesnitt

Haptikk blir i økende grad brukt i kombinasjon med visuell og auditiv tilbakemelding i flersansende miljøer, og i forbedret interaksjon mellom mennesker og maskiner. Haptiske grensesnitt kan inkludere klær, hansker, berøringsskjermer og andre objekter som mobile enheter og datamus.

Flersansende-interaksjon er spesielt nyttig i miljøer der et ikke-visuelt HMI-element som haptikk eller lyd kan gjøre det mulig for brukeren å holde fokus på oppgaven, som fjernstyring av maskiner eller kirurgiske verktøy, eller kjøring av bil. Integrering av haptikk i HMI-er støtter også forbedret manuell interaksjon med virtuelle miljøer eller fjernstyrte systemer. For å få størst mulig utbytte av å integrere haptikk i en HMI, må designerne forstå kompromisser med ytelse med haptiske teknologier.

Teknologier med haptiske enheter

De vanligste haptiske teknologiene er ERM (eksentrisk roterende masse) og LRA (lineær resonant aktuator). En ERM bruker en utenfor sentrum-masse på motorakselen for å forårsake en ubalanse som lager vibrasjonen. ERM-enheter drives med relativt enkle likestrømsspenninger (DC). Bruken av likestrøm, kombinert med deres relativt enkle mekaniske design, har flere kompromisser:

Fordeler:

• Enkel å drive
• Lavkost
• Fleksibel formfaktor
• Enklere systemintegrasjon for noen konstruksjoner

Ulemper:

• Høyt energiforbruk
• Treg respons
• Større størrelse på løsninger

I stedet for å bruke en eksentrisk masse for å lage fleraksevibrasjoner, vibrerer en LRA-enhet i en lineær bevegelse ved hjelp av en svingspole, sirkulær magnet og fjær. LRA-enheter krever vekselstrøm-drivere (AC-drivere) for å drive svingspolen. Vekselstrøm (AC) skaper et variabelt magnetfelt i svingspolen, som får magneten til å bevege seg opp og ned. Fjæren kobler magneten til enhetshuset og overfører vibrasjonsenergi til systemet. Siden LRA-enheter er basert på en svingspole og ikke er avhengige av børstene som brukes i ERM-enheter, bruker de mindre strøm for en gitt vibrasjonsstyrke. Bremsing kan implementeres ved å kjøre en LRA-enhet med 180° faseforskyvning, som fører til raskere responstider.

LRA-enheter fungerer effektivt i relativt smale resonansbånd (vanligvis ±2 til ±5 Hz). Som et resultat av produksjonstoleranser, komponentaldring, miljøforhold og monteringshensyn, kan den nøyaktige resonansfrekvensen til en LRA-enhet variere, noe som kompliserer utformingen av drivkretsen. LRA-haptikk gir designere med et annet sett av fordeler og ulemper sammenlignet med ERM-enheter:

Fordeler:

• Raskere responstid
• Høyere effektivitet/virkningsgrad
• Økt akselerasjon
• Bremsing er mulig
• Kan være mindre i størrelse

Ulemper:

• Resonansfrekvens kan variere
• Utfordrende å drive
• Høyere kostnad

I tillegg til forskjellene i drift, er ERM- og LRA-enheter tilgjengelige i flere typer kapslinger. ERM-enheter kan være i kapslinger formet som knapp (mynt) eller firkantede kapslinger, mens LRA-enheter kommer i kapslinger formet som knappceller (mynt), prismer (rektangulære) eller tønner (figur 1). Knapp-ERM (myntlignende)- og LRA-enheter har en tendens til å være ca. 8 mm i diameter med tykkelser på ca. 3 mm. Firkant-type ERM haptiske enheter er større, måler ca 12 mm lang og 4 mm bred.

Figur 1: ERM-enheter er tilgjengelige i kapslinger formet som knapp (mynt) eller eller firkanter, mens LRA-maskiner kommer i i kapslinger formet som knappceller (mynt), tønner eller prismer. (Bildekilde: PUI Audio)

ERM-enheter i knapptype (mynttype)

For utrustninger som kroppsbårne enheter (wearables) som kan dra nytte av en knapptype (mynttype) ERM-enhet, kan designere bruke 8 mm diameter og 3 mm tykk HD-EM0803-LW20-R fra PUI Audio. Spesifikasjoner for HD-EM0803-LW20-R inkluderer:

• Nominell hastighet på 12 000 (±3 000) omdreininger per minutt (o/min)
• Terminalmotstand på 38 ohm (Ω) (±50 %)
• Inngangsspenning på 3 volt DC
• Nominelt strømtrekk på 80 milliampere (mA)
• Driftstemperaturområde fra -20 til +60 grader Celsius (°C)

For enheter som trenger å operere i mer utfordrende termiske miljøer, kan designere bruke HD-EM1003-LW15-R, klassifisert for drift fra -30 °C til +70 °C. Den har samme merkehastighet og har samme størrelse som HD-EM0803-LW20-R, den har terminalmotstand på 46 Ω (±50 %) med nominelt strømtrekk på 85 mA. Begge disse knapp/myntlignende ERM-enhetene kan drives med positiv eller negativ likestrøm (DC) for bevegelse med eller mot klokken. De inkluderer 20 mm ledninger for fleksible elektriske forbindelser og produserer en maksimal akustisk støy på 50 dBA (decibels ambient).

Firkant-ERM-er

HD-EM1206-SC-R måler 12,4 mm lang og 3,8 mm bred. Den har en nominell hastighet på 12 000 (±3 000) o/min når den kjøres med 3 volt likestrøm (DC). Den er klassifisert for drift fra -20 til +60 °C og produserer maksimalt 50 dBA akustisk støy. Konstruksjoner som krever lavere nivåer av akustisk støy, kan bruke HD-EM1204-SC-R (figur 2). Dette gir en maksimal akustisk støy på bare 45 dBA. Den har også en høyere nominell hastighet på 13 000 (±3000) o/min, og et bredere driftstemperaturområde fra -30 °C til +70 °C, sammenlignet med HD-EM1206-SC-R. Begge enhetene har en lav terminalmotstand på 30 Ω (±20 %) og nominelt strømtrekk på 90 mA.

Figur 2: HD-EM1204-SC-R ERM er egnet for utrustninger som krever lavt akustisk støynivå. (Bildekilde: PUI Audio)

LRA-enhet

Konstruksjoner som krever raskere responstider, større energieffektivitet og sterkere vibrasjon, kan bruke PUI-Audios HD-LA0803-LW10-R LRA-enhet (figur 3) med 8 mm diameter og 3,2 mm høyde. LRA-enheter er mer presise, i forhold til ERM-haptikk. For eksempel, så varierer motstanden til ERM-enheter fra 30 (±20%) til 46 Ω (±50%), mens motstanden til HD-LA0803-LW10-R er spesifisert som 25 Ω (±15%). Strømforbruket til HD-LA0803-LW10-R er ca. 180 milliwatt (mW), (2 V_RMS x 90 mA), mens ERM-enhetene vi tar for oss ovenfor forbruker fra 240 til 270 mW. Denne LRA-enheten har et driftstemperaturområde på -20 til +70 °C.

Figur 3: HD-LA0803-LW10-R LRA kombinerer kraftig vibrasjon, raske responstider og energieffektivitet. (Bildekilde: PUI Audio)

Systemintegrasjon

Bruk av dobbeltsidig tape er den foretrukne monteringsmetoden for knapp/myntlignende haptiske enheter, det gir den beste vibrasjonskoblingen til systemet. enheter med dobbeltsidig tape kommer med ledninger som krever forbindelser for hullmontering (gjennomgående hull) og håndlodding til kretskortet. Firkant, tønne og prismeenheter er tilgjengelige med to forskjellige systemintegreringsstiler: dobbeltsidig tape og fjærkontakter. Når dobbeltsidig tape brukes, inkluderer disse enhetene hånd-loddede ledninger som knapptype (mynttype) enheter. Bruk av fjærkontakter kombinerer funksjonene til vibrasjonskobling sammen med elektrisk tilkobling. Fjærkontaktene eliminerer behovet for håndlodding, forenkler monteringen og reduserer kostnadene. Bruk av fjærkontakter kan også forenkle feltreparasjoner.

Drift av haptiske enheter

Diskrete drivkretser kan brukes med LRA- og ERM-enheter. Selv om bruk av en driver laget med diskrete komponenter kan redusere kostnadene, spesielt for relativt enkle konstruksjoner, kan det resultere i en større løsningsstørrelse og langsommere tid for å få ferdig produkt ut på markedet (time to market), sammenlignet med en driver-IK. For utrustninger som trenger en kompakt og høyytelsesløsning, kan designere benytte DRV2605L fra Texas Instruments. DRV2605L er et komplett kontrollsystem med lukket sløyfe for taktil tilbakemelding av høy kvalitet som kan drive både ERM- og LRA-enheter (figur 4). DRV2605L inkluderer tilgang til TouchSense 2200-programvaren fra Immersion med over 100 lisensierte haptiske effekter, pluss konverteringsfunksjon fra audio til vibrasjon.

Figur 4: DRV2605L IC kan drive haptiske LRA- eller ERM-enheter. (Bildekilde: Texas Instruments)

Vibrasjonstesting

Siden haptiske enheter fungerer på grunnlag av vibrasjoner, er det viktig at de er robust konstruerte. PUI Audio har angitt en testjigg som skal brukes til vibrasjonstesting, vist i figur 5. Testen gjennomføres med et elektrodynamisk vibrasjonsprøvingssystem med industrikvalitet. Den kan programmeres for spesifikke vibrasjonstester for å simulere ulike forhold som sinusvibrasjon, tilfeldig vibrasjon og mekanisk støtpuls.

Figur 5: Anbefalt testjigg for vibrasjonstesting av haptiske enheter. (Bildekilde: PUI Audio)

Det finnes tre vibrasjonstester spesifisert av PUI Audio for deres haptiske enheter (se tabell 1). Etter at testingen har blitt administrert, og enhetene har «hvilt» i fire timer, må de oppfylle spesifikasjonene for nominell hastighet (for ERM-enheter) eller akselerasjon (for LRA-modeller), så vel som motstand, nominell strøm og støy.

Tabell 1: Vibrasjonstestspesifikasjoner for haptiske enheter. (Tabellkilde: PUI Audio)

I tillegg til vibrasjonstesting har PUI Audio definert sjokktesting som følger:

• Akselerasjon: Halvsinusformet 500 g
• Varighetstid: 2 millisekunder (ms)
• Test/fase: 3 x 6 faser, med totalt 18 støt

Kriteriene for bestått/ikke bestått er de samme som for vibrasjonstesting.

Måling av akustisk støy

Nivået av akustisk (mekanisk) støy produsert av haptiske enheter varierer, med hvordan den haptiske enheten er montert spiller en nøkkelrolle i å minimere støynivået. PUI Audio anbefaler bruk av et spesifikt testoppsett for måling av akustisk støy fra haptiske enheter, vist i figur 6. Testen bør utføres i et skjermet rom med 23 dBA omgivelsesstøy (bakgrunnsstøy). Hvis enheten er montert på 75g-jiggen, slik den vil bli installert i systemet, vil denne testen informere designere om støynivået som kan forventes av utrustningen.

Figur 6: Anbefalt testjigg måling av akustisk støy fra haptiske enheter. (Bildekilde: PUI Audio)

Konklusjon

Ved å gi taktil tilbakemelding til brukere, kan haptikk brukes til å forbedre HMI-ytelsen og bidra til å skape flersansende miljøer med høy ytelse. Når du vurderer bruk av haptikk, må imidlertid designerne forstå kompromisser med ytelse mellom ERM- og LRA-teknologier, hvordan de kan kjøre dem effektivt, og hvordan de kan teste dem for å sikre at de nødvendige nivåene av systempålitelighet og ytelse blir realisert. Som vist er haptiske enheter lett tilgjengelige, i likhet med drivere og testprosedyrer.

Anbefalt lesing

1. Bringe nye dimensjoner til HMI-implementering uten å trenge tung bruk av ressurser
2. Slik implementerer du akustiske (hørbare) alarmer på riktig måte i medisinsk overvåking