Praktická konstrukce produktů s podporou haptiky

Rostoucí popularita a užitečnost zařízení využívajících digitální nástroje a služby motivuje stále více konstruktérů produktů k integraci haptických technologií, které zvyšují zapojení uživatelů a přinášejí pohlcující zážitky. Vylepšení digitálních rozhraní pomocí dotykových vjemů přidává hmatovou interakci a vytváří další zážitky, které doplňují zrak a sluch nebo přesahují jejich rámec. Konstruktéři toužící zapojit haptické schopnosti mohou k hledání nových případů použití a obchodních příležitostí využívat snadno dostupné komponenty.

Haptika se již využívá ve vysoce viditelných spotřebitelských produktech, od chytrých telefonů přes automobily až po prodejní zařízení a bankomaty. Používají se také v lékařských zařízeních a chirurgických nástrojích, průmyslových a výrobních strojích a aplikacích automatizace budov.

Počátky haptiky sahají roku 1880, kdy Pierre a Jacques Curie demonstrovali piezoelektrický efekt některých materiálů, který prostřednictvím mechanické síly generuje malý elektrický nábor. Reverzní piezoelektrický efekt, který po přivedení napětí generuje fyzický pohyb materiálu, byl využit k vývoji časných ultrazvukových detekčních systémů ponorek a leteckých rádiových systémů. Na stejných principech jsou založeny také aktuátory a převodníky běžně používané v malých reproduktorech, v mikrofonech a dokonce i v hudebních dárkových kartách.

Kombinace haptických funkcí s virtuální realitou (VR), rozšířenou realitou (AR) a internetem věcí (IoT) má potenciál výrazně zlepšit interakci uživatelů se stávajícími zařízeními a otevřít cestu novým aplikacím. Piezoelektrické haptické aktuátory dodávají virtuální interakci realistický nádech, přičemž vibrace poskytují přirozený a poutavý pocit odezvy, například při simulaci herních zážitků od závodů po střelbu ze zbraní.

Haptika může hrát zásadní roli při překonávání faktorů, které omezují zrak nebo zvuk při rozpoznávání kritických upozornění. Například v lékařských zařízeních může haptika pomoci lékařům rychleji reagovat na více podnětů, což bývá životně důležité v situacích, kdy o zdravém výsledku může rozhodovat každá vteřina.

Pocit budoucnosti: aplikace a případy použití

Potenciál haptiky je omezen pouze vizí produktových konstruktérů. Vzhledem k tomu, že popularita AR a VR roste a umělá inteligence (AI) a strojové učení (ML) se neustále vyvíjejí, haptika bude pravděpodobně hrát významnou roli při poskytování stále rostoucích pohlcujících digitálních zážitků v celé řadě odvětví, včetně následujících:

• Lékařské obory, kde haptika již začíná hrát roli v roboticky asistované chirurgii a invazivních stomatologických zákrocích, čímž pomáhá replikovat zkušenosti, které lékaři získali během let praxe. V kombinaci s virtuální realitou může haptika zlepšit výuku lékařských dovedností simulací reálných postupů způsobem, který umožňuje získávat praktické zkušenosti, od ovládání skalpelu až po palpitace srdce. Haptika může vést k pokroku v rehabilitaci pacientů po vyčerpávajících zraněních, pomoci obětem mrtvice znovu se naučit klíčové motorické dovednosti a poskytnout osobám po amputaci končetin možnost překonávat omezení mechanických protéz.
• Případy použití v automobilech, kde haptika již poskytuje řidičům automobilů hmatová varování před opuštěním jízdního pruhu a nesprávným držením volantu. Integrace chytrých hodinek s navigačními systémy může řidiče upozornit na blížící se odbočky, čímž se sníží potřeba přesouvat pohled na mapy na palubních obrazovkách.
• Průmysl a výroba, kde obsluha těžkých zařízení a pracovníci na výrobních linkách mohou být snadno rozptylováni nutností sledování tlačítek nebo obrazovek. Haptika jim může pomoci soustředit se na úkoly před nimi nebo za nimi a zároveň jim potvrdit, že se rozhodli správně, aniž by se museli dívat jinam. Haptika může být součástí rukavic a oděvů a umožňovat tak přesné dálkové ovládání strojů, přesnost při vychystávání a poskytovat zpětnou vazbu nebo upozornění v potenciálně nebezpečných prostředích.
• Maloobchodní a finanční služby, protože zákazníci se s haptikou setkávají při běžném každodenním kontaktu s prodejními systémy a bankomaty, například při potvrzování interakcí pomocí karet a mobilních zařízení. Kombinací haptiky a AR/VR vzniká potenciál pro bohaté zážitky z online nákupů, které spotřebitelům umožňují virtuálně napodobovat to, co očekávají ve fyzickém obchodě.
• Spotřební elektronika, která se ukázala jako zralá pro haptiku. První haptický chytrý telefon byl představen na veletrhu Consumer Electronics Show v roce 2000. Tato technologie pak byla rychle přijata pro chytré telefony se systémy Android a Apple, původně s cílem zlepšit uživatelský zážitek při psaní na virtuální klávesnici a používání ikon na obrazovce. Ale haptika zaznamenala dřívější úspěch tím, že obohatila zkušenosti hráčů videoher v 90. letech 20. století o ovladače a příslušenství, jako jsou volanty, které mimo jiné poskytovaly hmatovou zpětnou vazbu pro hry s řízením a střelbou. S pokračujícím vývojem spotřebitelských zařízení a digitálních služeb - od fitness trackerů po AR/VR náhlavní soupravy a brýle - se konstruktéři produktů předhánějí ve vývoji nových funkcí, díky nimž je digitální svět stejně hmatatelný jako fyzický.

Komponenty pro úspěch: možnosti pro každou potřebu

Konstruktéři produktů mohou využívat snadno dostupná portfolia komponent k vytvoření haptických rozhraní, která vyhovují jejich specifikacím a potřebám aplikací.

Prvním krokem je pochopení rozdílů mezi dostupnými technologiemi a jejich konstrukčními požadavky. Nejběžnější technologií pro poskytování haptických odezev jsou elektromechanické součásti. Obvykle jsou seskupeny do následujících hlavních kategorií:

• Aktuátory s excentrickým rotačním motorem (ERM) využívají mimo osu rotující hmotu připojenou ke stejnosměrnému motoru ke generování vibrací, které mohou vyvolávat nízkofrekvenční „dunění“ (obrázek 1). Aktuátor vibruje na frekvenci, která přímo koreluje s napájecím napětím zařízení. Vzhledem k tomu, že trvá krátkou dobu, než rotující motor po přivedení napětí dosáhne požadovaných otáček - a zpomalí se až do zastavení - jsou nejvhodnější pro aplikace, kde je požadován znatelný vibrační efekt, ale není nezbytně nutný přesný průběh vibrací. Společnost PUI Audio nabízí několik ERM aktuátorů, včetně modelu HD-EMB1104-SM-2 pro povrchovou montáž, který poskytuje silnou haptickou zpětnou vazbu v malém pouzdru o rozměrech 3,4 mm x 4,4 mm x 11 mm. Aktuátor je vhodný pro lékařské, automobilové nebo průmyslové segmenty, spotřebitelské nebo přenosné přístroje a pro zabezpečovací zařízení. Další možností je bezkartáčový stejnosměrný ERM motor HD-EM0602-LW15-R od společnosti PCI Audio, který používá vylepšenou regulaci rychlosti a točivého momentu a nabízí delší životnost než kartáčové motory.

Obrázek 1: rozložený pohled na ERM aktuátor. (Zdroj: PUI Audio)

• Součásti lineárního rezonančního aktuátoru (LRA) (obrázek 2) napájené střídavým napětím produkují vibrace ve dvou směrech v jedné ose, čímž vznikají responzivní vibrační vzory s vysokým rozlišením poskytující informace uživateli. LRA aktuátory vytvářejí vibrace pohybem hmoty v lineárním směru během buzení cívky frekvencí a napětím signálu přiváděného do zařízení, což poskytuje nezávislou kontrolu nad intenzitou i frekvencí vibrací. Na rozdíl od ERM aktuátorů, u zařízení vybavených LRA aktuátorem pocítí uživatelé vibrace v okamžiku vybuzení cívky a pohybu hmoty směrem nahoru nebo dolů. Tato technologie souvisí s tradičními reproduktory, ve kterých je cívka buzena průběhem signálu, který vyvolává pohyb magnetu a membrány s generováním zvukových vln. Model HD-LA1307-SM od společnosti PUI Audio je vodotěsný LRA aktuátor pro povrchovou montáž s IP klasifikací, který usnadňuje bezproblémovou integraci do různých koncových aplikací, například do prostředí virtuální reality, herních konzolí, lékařských simulátorů, ručních zařízení a spotřebitelských a průmyslových ovládacích rozhraní.

Obrázek 2: rozložený pohled na LRA aktuátor. (Zdroj: PUI Audio)

• Motory s kmitací cívkou (VCM), také nazývané aktuátory s kmitací cívkou (VCA) (obrázek 3), používají stejnou technologii kmitací cívky jako LRA aktuátory, jsou však ještě více analogické s reproduktorem. Hmota se pohybuje lineárně podobně, jako u LRA aktuátorů, má však vyšší velikost a hmotnost, čímž vytváří výraznější a realističtější vibrační efekt, než jaký by mohl být replikován s LRA aktuátorem. Cylindrický VCM motor HD-VA2527 od společnosti PUI Audio nabízí flexibilní a komplexní vibrační efekty.

Obrázek 3: rozložený pohled na VCA aktuátor. (Zdroj: PUI Audio)

• Piezoelektrické haptické součásti, často označované také jako piezoelektrické reproduktory nebo bzučáky, jsou založeny na reverzním piezoelektrickém jevu a skládají se z plochých vrstev aktivního piezoelektrického materiálu, které se při přivedení napětí ohýbají a smršťují, čímž generují zvuk a vibrace. Jsou k dispozici v provedení disků, například model HD-PAB1501, a proužků, například model HD-PAS2507 od společnosti PUI Audio. Piezoelektrické reproduktory mohou s nebývalým dojmem reality generovat složitější a podrobnější signály, například zvuk tlukotu srdce. Tyto součásti nabízejí vyšší přesnost zdvihu, rychlejší odezvu, vyšší generující sílu a delší životnost. Ačkoli vyžadují vyšší napětí než ERM a LRA aktuátory, konstruktéři mohou požadavky na napájecí napětí splnit i s použitím nízkonapěťových zdrojů pomocí integrovaných obvodů „bender driver“.

Závěr

Konstruktéři produktů mohou k integraci haptiky do zařízení využívat bohaté portfolio součástí. Musejí vyhodnotit, jaký typ vibrací je vhodný pro danou konstrukci, jakož i výhody a omezení, které jednotlivé aktuátory nabízejí při plnění konstrukčních specifikací, potřeb koncových uživatelů a specifických aplikací. Se správnými konstrukčními volbami lze vytvářet nové produkty s haptickým ovládáním, které dávají podněty novým obchodním příležitostem.