Jak používat haptiku pro lepší vnímání v rozhraní člověk-stroj

Přijetí haptiky v aplikacích Industry 4.0, v automobilových, lékařských a záchranářských systémech, v zařízeních internetu věcí (IoT), nositelné elektronice a dalších spotřebitelských přístrojích je vedeno potřebou efektivnějších rozhraní člověk-stroj (HMI) a lepšího rozpoznávání. Haptická zařízení mohou například poskytovat zpětnou vazbu v systémech lékařského výcviku a rehabilitace pacientů založených na VR (virtuální realitě) nebo AR (rozšířené realitě) nebo mohou poskytovat vylepšené výstrahy ve volantu, aby informovaly řidiče o potenciálně nebezpečných podmínkách. Haptika se také používá v kombinaci s dalšími technologiemi HMI, jako je zvuk, aby poskytla pohlcující a realističtější senzorická rozhraní.

Některé z výzev, kterým konstruktéři čelí při používání haptiky, jsou výběr správné haptické technologie - excentrické rotující hmoty (ERM) nebo lineárního rezonančního aktuátoru (LRA) - a její řádná integrace do systému, aby bylo dosaženo požadované úrovně zpětné vazby, její řízení a pochopení toho, jak otestovat jeho vibrace, hlučnost a spolehlivost.

Tento článek začíná stručným přehledem výhod, které může hmatová zpětná vazba přinést několika aplikačním scénářům. Poté představuje možnosti haptické technologie společně s příklady haptických zařízení z reálné praxe od společnosti PUI Audio. Pojednává o tom, jak integrovat hmatová zařízení do systémů, včetně příkladu integrovaného obvodu haptického ovladače, a na závěr podrobně popisuje metodiky pro testování vibrací a hluku.

Vícesmyslová rozhraní

Haptika se stále více používá v kombinaci s vizuální a sluchovou zpětnou vazbou k vytvoření vícesmyslového prostředí a zlepšené interakci mezi lidmi a stroji. Hmatová rozhraní mohou zahrnovat oblečení, rukavice, dotykové obrazovky a další předměty, jako jsou mobilní zařízení a počítačové myši.

Vícesmyslová interakce je zvláště užitečná v prostředích, kde nevizuální prvek rozhraní člověk-stroj (HMI), například haptika nebo zvuk, dovoluje soustředit se na daný úkol, jako je dálkové ovládání strojů, chirurgických nástrojů nebo řízení auta. Integrace haptiky do rozhraní člověk-stroj (HMI) také podporuje vylepšenou manuální interakci s virtuálními prostředími nebo dálkově ovládanými vzdálenými systémy. Aby konstruktéři získali maximální užitek z integrace haptiky do rozhraní člověk-stroj (HMI), musí pochopit výkonnostní kompromisy haptických technologií.

Technologie haptických zařízení

Nejběžnější haptické technologie jsou ERM a LRA. ERM pomocí mimostředové hmoty na hřídeli motoru vyvolává nevyváženost a generuje vibrace. Zařízení ERM jsou poháněna relativně jednoduchým stejnosměrným (DC) napětím. Použití stejnosměrného napájení v kombinaci s jejich relativně jednoduchou mechanickou konstrukcí má několik kompromisů:

Výhody:

• Jednoduché řízení
• Nízké náklady
• Flexibilní tvarový faktor
• Jednodušší integrace systému u některých návrhů

Nevýhody:

• Vysoká spotřeba energie
• Pomalá odezva
• Větší velikost řešení

Místo použití excentrické hmoty k vytvoření víceosých vibrací vibruje zařízení LRA lineárním pohybem pomocí kmitací cívky, kruhového magnetu a pružiny. Zařízení LRA vyžadují k napájení kmitací cívky střídavý proud (AC). AC vytváří v kmitací cívce proměnlivé magnetické pole, které způsobuje pohyb magnetu nahoru a dolů. Pružina spojuje magnet s pouzdrem zařízení a přenáší vibrační energii do systému. Vzhledem k tomu, že zařízení LRA jsou založena na kmitací cívce a nevyužívají kartáče používané v zařízeních ERM, spotřebují při dané síle vibrací méně energie. Brzdění může být realizováno řízením zařízení LRA s fázovým posunem o 180°, což zrychluje dobu odezvy.

Zařízení LRA pracují efektivně v relativně úzkých rezonančních pásmech (obvykle ±2 až ±5 Hz)). V důsledku výrobních tolerancí, stárnutí součástí, podmínek prostředí a montážních úvah se přesná rezonanční frekvence zařízení LRA může lišit, což komplikuje návrh budícího obvodu. LRA haptika ve srovnání s ERM zařízeními přináší konstruktérům jinou sadu výhod a nevýhod:

Výhody:

• Rychlejší doba odezvy
• Vyšší účinnost
• Zvýšené zrychlení
• Možnost brzdění
• Možnost menší velikosti

Nevýhody:

• Rezonanční frekvence se může měnit
• Náročné na řízení
• Vyšší náklady

Kromě rozdílů v jejich provozu jsou zařízení ERM a LRA k dispozici v několika provedeních pouzdra. Zařízení ERM mohou používat mincové nebo tyčové pouzdro, zatímco LRA zařízení používají mincové, hranolové (obdélníkové) nebo barelové pouzdro (obrázek 1). Zařízení ERM a LRA v mincovém provedení mají obvykle průměr kolem 8 milimetrů (mm) s tloušťku kolem 3 mm. Haptická zařízení ERM v tyčovém provedení jsou větší, o délce 12 mm a šířce 4 mm.

Obrázek 1: Zařízení ERM jsou k dispozici v tyčovém nebo mincovém provedení, zatímco zařízení LRA se dodávají v mincovém, barelovém nebo hranolovém formátu. (Zdroj obrázku: PUI Audio)

Zařízení ERM v mincovém provedení

Pro aplikace, například nositelnou elektroniku, která může využívat zařízení ERM v mincovém provedení, mohou konstruktéři použít model HD-EM0803-LW20-R o průměru 8 mm a tloušťce 3 mm od společnosti PUI Audio. Specifikace pro HD-EM0803-LW20-R zahrnují:

• Jmenovitá rychlost 12 000 (± 3 000) otáček za minutu (ot./min.)
• Koncový odpor 38 ohmů (Ω) (±50 %)
• Vstupní napětí 3 VDC
• Jmenovitý odběr proudu 80 miliampérů (mA)
• Rozsah provozních teplot -20 až +60 stupňů Celsia (°C)

U zařízení, která potřebují pracovat v náročnějších tepelných prostředích, mohou konstruktéři využít model HD-EM1003-LW15-R dimenzovaný na provoz od -30 °C do +70 °C. Má stejnou jmenovitou rychlost a stejnou velikost jako model HD-EM0803-LW20-R a vyznačuje se svorkovým odporem 46 Ω (±50 %) při jmenovitém odběru proudu 85 mA. Obě tato zařízení ERM v provedení mince mohou být poháněna kladným nebo záporným stejnosměrným napětím pro pohyb směrem doprava nebo doleva. Zahrnují 20mm přívodní vodiče pro flexibilní elektrické připojení a produkují maximální okolní hladinu akustického tlaku 50 dBA.

Tyčová zařízení ERM

Model HD-EM1206-SC-R měří 12,4 mm na délku a 3,8 mm na šířku. Má jmenovité otáčky 12 000 (±3 000) ot/min při napájení napětím 3 VDC. Je dimenzován pro provoz v teplotním rozsahu -20 až +60 °C a produkuje maximálně 50 dBA akustického tlaku. Konstrukce vyžadující nižší hladiny akustického tlaku mohou využít model HD-EM1204-SC-R (obrázek 2). Tím vznikne maximální akustický tlak pouze 45 dBA. Ve srovnání s modelem HD-EM1206-SC-R má také vyšší jmenovité otáčky 13 000 (± 3 000) ot/min a širší rozsah provozních teplot -30 °C až +70 °C. Obě zařízení mají nízký svorkový odpor 30 Ω (±20 %) a jmenovitý odběr proudu 90 mA.

Obrázek 2: Model HD-EM1204-SC-R ERM je vhodný pro aplikace, které vyžadují nízkou hladinu akustického hluku. (Zdroj obrázku: PUI Audio)

Zařízení LRA

Pro konstrukce vyžadující vyžadující kratší dobu odezvy, vyšší energetickou účinnost a silnější vibrace lze využít LRA zařízení HD-LA0803-LW10-R o průměru 8 mm a výšce 3,2 mm od společnosti PUI Audio (obrázek 3). Zařízení LRA jsou v porovnání s haptikou ERM přesnější. Například odpor zařízení ERM se pohybuje od 30 (±20 %) do 46 Ω (±50 %), zatímco odpor modelu HD-LA0803-LW10-R je specifikován na 25 Ω (±15 %). Spotřeba energie modelu HD-LA0803-LW10-R se pohybuje kolem 180 mW (2 V_RMS x 90 mA), zatímco zařízení ERM diskutovaná výše mají spotřebu od 240 do 270 mW. Toto zařízení LRA má rozsah provozních teplot -20 až +70 °C.

Obrázek 3: Model HD-LA0803-LW10-R LRA v sobě spojuje silné vibrace, rychlou odezvu a energetickou účinnost. (Zdroj obrázku: PUI Audio)

Systémová integrace

Použití oboustranné pásky je upřednostňovanou metodou montáže hmatových zařízení v mincovém provedení, která poskytuje nejlepší vibrační spojení se systémem. Součásti s oboustrannou páskou obsahují přívodní vodiče, které vyžadují průchozí připojení do otvoru a ruční pájení na desku plošných spojů. Tyčová, válcová a hranolová zařízení jsou k dispozici ve dvou různých provedeních systémové integrace: oboustranná páska a pružinové kontakty. Při použití oboustranné pásky obsahují tato zařízení ručně pájené vodiče podobně, jako u zařízení ve stylu mince. Použití pružinových kontaktů spojuje funkce vibrační vazby s elektrickou konektivitou. Pružinové kontakty eliminují potřebu ručního pájení, zjednodušují montáž a snižují náklady. Použití pružinových kontaktů může také zjednodušit opravy v místě provozu.

Řízení haptických zařízení

Diskrétní obvody pohonu lze používat se zařízeními LRA a ERM. Ačkoli použití ovladače s diskrétními součástkami může snížit náklady, zejména u relativně jednoduchých konstrukcí, v porovnání s řídícím IO může znamenat větší velikost řešení a delší uvedení na trh. Pro aplikace, které vyžadují kompaktní a vysoce výkonné řešení, mohou konstruktéři využít obvod DRV2605L od společnosti Texas Instruments. DRV2605L je kompletní řídicí systém s uzavřenou smyčkou pro vysoce kvalitní hmatovou zpětnou vazbu, který může řídit zařízení ERM i LRA (obrázek 4). DRV2605L zahrnuje přístup k softwaru TouchSense 2200 od společnosti Immersion s více než 100 licencovanými haptickými efekty a navíc funkci převodu zvuku na vibrace.

Obrázek 4: IO DRV2605L je schopen ovládat haptická zařízení LRA nebo ERM. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Testování vibrací

Vzhledem k tomu, že haptická zařízení jsou založena na principu vibrací, je důležité, aby byla robustní. Společnost PUI Audio specifikovala testovací přípravek určený pro zkoušky vibrací, jak je znázorněno na obrázku 5. Zkouška je realizována průmyslovým elektrodynamickým vibračním testovacím systémem. Tento systém může být naprogramován na specifické vibrační testy simulující různé podmínky, například sinusové vibrace, náhodné vibrace a mechanické rázové impulzy.

Obrázek 5: Doporučený zkušební přípravek pro měření vibrací hmatových zařízení. (Zdroj obrázku: PUI Audio)

Podle specifikací společnosti PUI Audio existují tři vibrační testy pro haptická zařízení (viz tabulka 1). Po provedení zkoušky a ponechání zařízení „v klidu“ po dobu čtyř hodin, musí tato zařízení splňovat specifikace pro jmenovitou rychlost (pro ERM) nebo zrychlení (u modelů LRA), jakož i pro odpor, jmenovitý proud a hluk.

Tabulka 1: Specifikace vibračního testu pro hmatová zařízení. (Zdroj tabulky: PUI Audio)

Kromě testování vibrací PUI Audio definovalo testování nárazů takto:

• Zrychlení: polosinusové 500 g
• Doba trvání: 2 milisekundy (ms)
• Test/povrch: 3krát/6 povrchů pro celkem 18 rázů

Kritéria vyhovění/nevyhovění jsou stejná jako u vibračních zkoušek.

Měření hladiny akustického tlaku

Hladina akustického (mechanického) tlaku produkovaného hmatovými zařízeními se liší, přičemž klíčovou roli při minimalizaci hladiny hluku hraje způsob montáže haptického zařízení. Společnost PUI Audio doporučuje použití specifického testovacího nastavení pro měření hladiny akustického tlaku z haptických zařízení, jak je znázorněno na obrázku 6. Měření musí být provedeno ve stíněné místnosti při 23 dBA okolního hluku. Pokud je zařízení namontováno na 75g přípravek způsobem, jakým bude instalováno v systému, tato zkouška bude konstruktéry informovat o hladině hluku, kterou lze od aplikace očekávat.

Obrázek 6: Doporučený zkušební přípravek pro měření akustického hluku haptického zařízení. (Zdroj obrázku: PUI Audio)

Závěr

Poskytováním hmatové zpětné vazby uživatelům lze haptiku využít ke zlepšení výkonu rozhraní člověk-stroj (HMI) a pomoci vytvořit vysoce výkonná vícesmyslová prostředí. Při zvažování použití haptiky však musí konstruktéři porozumět kompromisům mezi technologiemi ERM a LRA, jejich efektivnímu řízení a testování, aby bylo zajištěno, že budou realizovány potřebné úrovně spolehlivosti a výkonu systému. Jak bylo ukázáno, haptická zařízení jsou snadno dostupná, stejně jako ovladače a postupy měření.

Doporučeno k přečtení

1. Přinášíme nové dimenze do implementace rozhraní člověk-stroj (HMI) bez nutnosti náročného využívání zdrojů
2. Jak správně nasazovat akustickou signalizaci při monitorování ve zdravotnictví