Projektowanie produktów z funkcjami haptycznymi w praktyce

Rosnąca popularność i użyteczność urządzeń wykorzystujących narzędzia oraz usługi cyfrowe motywuje coraz więcej projektantów produktów do integracji technologii haptycznej, która zapewnia większe zaangażowanie użytkowników i zapewnia intensywniejsze wrażenia. Udoskonalanie cyfrowych interfejsów poprzez dodanie funkcji związanych z dotykiem intensyfikuje interakcje, angażując zmysł dotyku i wzbogacając doświadczenia użytkownika o nowe doznania, które wykraczają poza percepcję wzrokową i słuchową. Projektanci zainteresowani implementacją funkcji haptycznych mogą korzystać z łatwo dostępnych komponentów w celu tworzenia nowych zastosowań oraz możliwości biznesowych.

Rozwiązania haptyczne są już wykorzystywane w powszechnie używanych produktach konsumenckich, takich jak smartfony, samochody, urządzenia punktów sprzedaży i bankomaty. Są one również wykorzystywane w urządzeniach medycznych i narzędziach chirurgicznych, maszynach przemysłowych i produkcyjnych oraz w automatyce budynków.

Początki haptyki sięgają roku 1880, kiedy to Pierre i Jacques Curie zademonstrowali efekt piezoelektryczny niektórych materiałów polegający na wytwarzaniu niewielkiego ładunku elektrycznego poprzez przyłożenie siły mechanicznej. Odwrotne zjawisko piezoelektryczne polegające na fizycznym ruchu materiału pod wpływem przyłożonego napięcia zostało wykorzystane do opracowania wczesnych ultradźwiękowych systemów wykrywania okrętów podwodnych oraz lotniczych systemów radiowych. Te same zasady leżą u podstaw aktuatorów i przetworników powszechnie stosowanych w małych głośnikach, mikrofonach, a nawet grających kartkach okolicznościowych.

Połączenie funkcji haptycznych z rzeczywistością wirtualną (VR), rzeczywistością rozszerzoną (AR) i Internetem rzeczy (IoT) może znacznie poprawić zaangażowanie użytkowników w korzystanie z istniejących urządzeń i utorować drogę nowym zastosowaniom. Piezoelektryczne aktuatory haptyczne nadają realistyczny charakter interakcjom wirtualnym, a wibracje zapewniają naturalne i angażujące poczucie reakcji, na przykład w grach symulacyjnych, od wyścigów po strzelanie z broni.

Haptyka może odgrywać kluczową rolę w przezwyciężaniu czynników, które ograniczają wzrok lub słuch w rozpoznawaniu krytycznych alertów. Na przykład w środowisku medycznym technologia haptyczna może pomóc lekarzom łatwiej reagować na wiele sygnałów wejściowych, co pozwala ratować życie w sytuacjach, w których każda sekunda może mieć wpływ na zdrowie.

Doznania przyszłości: zastosowania i przypadki użycia

Potencjał haptyki jest ograniczony jedynie wizją projektantów produktów. W obliczu rosnącej popularności technologii rzeczywistości rozszerzonej (AR) i rzeczywistości wirtualnej (VR) i dalszej ewolucji sztucznej inteligencji (AI) oraz uczenia maszynowego (ML) haptyka będzie prawdopodobnie odgrywać znaczącą rolę w opracowywaniu coraz bardziej immersyjnych środowisk cyfrowych w wielu branżach, takich jak:

• Dziedziny medyczne, gdzie haptyka zaczyna już odgrywać rolę w chirurgii wspomaganej przez roboty i inwazyjnych zabiegach dentystycznych, pomagając w odtworzeniu nabywanej przez wiele lat praktyki i wprawy lekarzy w posługiwaniu się zmysłem dotyku. W połączeniu z rzeczywistością wirtualną (VR), haptyka może przyspieszyć nabywanie umiejętności medycznych poprzez symulowanie rzeczywistych zabiegów w sposób zapewniający praktyczne doświadczenia, emulując posługiwanie się skalpelem czy kołatanie serca. Haptyka może przyczynić się do postępu w rehabilitacji pacjentów po upośledzających urazach, pomagając ofiarom udarów w ponownej nauce kluczowych umiejętności motorycznych i zapewniając osobom po amputacji możliwości pokonywania ograniczeń protetyki mechanicznej.
• Zastosowania motoryzacyjne, gdzie haptyka ostrzega kierowców w wyczuwalny dotykiem sposób o zmianie pasa ruchu i nieprawidłowym trzymaniu kierownicy. Integracja smartwatchy z systemami nawigacyjnymi może ostrzegać operatorów o zbliżających się zakrętach, zmniejszając potrzebę zwracania uwagi na mapy na ekranach pokładowych.
• Przemysł i produkcja, w której operatorzy ciężkiego sprzętu i pracownicy linii produkcyjnych mogą łatwo rozpraszać się przez spoglądanie na przyciski lub ekrany. Haptyka może pomóc im skoncentrować się na kolejnych i wcześniejszych zadaniach, jednocześnie potwierdzając, że dokonali właściwych wyborów bez odwracania wzroku. W rękawicach i ubraniach można zastosować elementy haptyczne, aby umożliwić precyzyjne zdalne sterowanie maszynami, dokładność operacji kompletacji oraz zapewnić potwierdzenie lub alerty w potencjalnie niebezpiecznych środowiskach.
• Handel detaliczny i usługi finansowe, ponieważ klienci na co dzień często spotykają się z haptyką w systemach punktów sprzedaży i bankomatach, np. przy potwierdzaniu interakcji przy użyciu kart i urządzeń mobilnych. Połączenie haptyki z technologią rzeczywistości rozszerzonej i wirtualnej (AR/VR) daje możliwość tworzenia bogatych doświadczeń zakupowych online, odwzorowując dla konsumentów wirtualnie to, czego oczekują w sklepie fizycznym.
• Elektronika użytkowa, która okazała się odpowiednim miejscem dla haptyki. Pierwszy smartfon haptyczny został zaprezentowany na targach elektroniki użytkowej w 2000 roku, a technologia ta szybko została przyjęta przez rynek smartfonów z systemami Android i Apple, początkowo po to, aby udoskonalić środowisko użytkownika podczas pisania na klawiaturach wirtualnych i naciskania ikon ekranowych. Jednak haptyka odniosła wcześniejszy sukces, wzbogacając doświadczenia graczy wideo w latach 90. XX wieku o kontrolery i akcesoria, takie jak kierownice, zapewniające wyczuwalne potwierdzenie między innymi podczas prowadzenia pojazdów i strzelania. Wraz z ciągłą ewolucją urządzeń konsumenckich i usług cyfrowych - od urządzeń monitorujących kondycję fizyczną po zestawy nagłowne oraz okulary rzeczywistości wirtualnej i rozszerzonej (AR/VR) - projektanci produktów ścigają się, aby opracować nowe możliwości, dzięki którym świat cyfrowy będzie tak namacalny, jak świat fizyczny.

Komponenty zapewniające sukces: opcje na miarę potrzeb

Aby tworzyć interfejsy haptyczne dopasowane do specyfikacji i potrzeb danego zastosowania, projektanci produktów mogą korzystać z szerokiej gamy łatwo dostępnych komponentów.

Pierwszym krokiem jest zrozumienie różnic między dostępnymi technologiami i wymaganiami projektowymi. Komponenty elektromechaniczne są najpopularniejszą technologią wdrażania odpowiedzi haptycznej. Zwykle dzieli się je na następujące główne kategorie:

• Aktuatory z mimośrodową masą wirującą (ERM) wykorzystują masę wirującą przesuniętą względem osi i przymocowaną do silnika prądu stałego w celu generowania drgań, które mogą powodować wrażenie „dudnienia” niskiej częstotliwości (ilustracja 1). Taki aktuator wibruje z częstotliwością bezpośrednio skorelowaną z napięciem sterującym urządzenia. Ponieważ po przyłożeniu napięcia osiągnięcie żądanej prędkości przez obracający się silnik - oraz spowolnienie silnika aż do zatrzymania - wymaga krótkiego czasu, omawiane aktuatory najlepiej nadają się do zastosowań, w których wymagany jest zauważalny efekt drgań, ale precyzyjne układy drgań nie są bezwzględnie potrzebne. Firma PUI Audio oferuje kilka aktuatorów z mimośrodową masą wirującą (ERM), w tym przeznaczony do montażu powierzchniowego aktuator HD-EMB1104-SM-2, który zapewnia silne potwierdzenie haptyczne, zamknięty w niewielkiej obudowie o wymiarach 3,4mm na 4,4mm na 11mm. Jest on odpowiedni do zastosowań medycznych, motoryzacyjnych i przemysłowych, do urządzeń konsumenckich lub przenośnych a także zabezpieczających. Inną opcją jest bezszczotkowy aktuator prądu stałego z mimośrodową masą wirującą (ERM) HD-EM0602-LW15-R, który zapewnia lepsze sterowanie prędkością i momentem obrotowym oraz dłuższą żywotność w porównaniu z aktuatorami szczotkowymi.

Ilustracja 1: widok rozstrzelony aktuatora z mimośrodową masą wirującą (ERM). (Źródło: PUI Audio)

• Części liniowego aktuatora rezonansowego (LRA) (ilustracja 2) są zasilane prądem zmiennym i wytwarzają drgania w dwóch kierunkach wzdłuż jednej osi, umożliwiając przekazywanie informacji użytkownikowi za pomocą wzorców responsywnych drgań o wysokiej rozdzielczości. Liniowe aktuatory rezonansowe (LRA) wytwarzają drgania, poruszając masą w kierunku liniowym, gdy cewka jest wzbudzana częstotliwością i napięciem sygnału podawanego do urządzenia, co zapewnia niezależną kontrolę zarówno nad siłą drgań, jak i częstotliwością. W przeciwieństwie do aktuatora z mimośrodową masą wirującą (ERM), w przypadku urządzenia wyposażonego w liniowy aktuator rezonansowy (LRA) użytkownicy odczują drgania, gdy tylko cewka zostanie wzbudzona, a masa przesunie się w górę lub w dół. Technologia ta jest podobna do tradycyjnych głośników, w których cewka jest wzbudzana przebiegiem fali, powodując ruch magnesu i membrany oraz generując fale dźwiękowe. Urządzenie HD-LA1307-SM firmy PUI Audio to wodoszczelny liniowy aktuator rezonansowy (LRA) przeznaczony do montażu powierzchniowego ze stopniem ochrony IP zapewniający bezproblemową integrację z różnymi zastosowaniami końcowymi, takimi jak środowiska rzeczywistości wirtualnej (VR), konsole do gier, symulatory medyczne, urządzenia przenośne oraz konsumenckie i przemysłowe interfejsy sterowania.

Ilustracja 2: widok rozstrzelony liniowego aktuatora rezonansowego (LRA). (Źródło: PUI Audio)

• Silnik z cewką drgającą (VCM) zwany również aktuatorem z cewką drgającą (VCA) (ilustracja 3), wykorzystuje tę samą technologię cewek drgających, co liniowy aktuator rezonansy (LRA), ale jest jeszcze bardziej podobny do głośnika. Masa w nim porusza się liniowo, jak w liniowym aktuatorze rezonansowym (LRA), ale jest ona większa, dając bardziej znaczący i realistyczny efekt drgań niż w przypadku liniowego aktuatora rezonansowego (LRA). Cylindryczny silnik z cewką drgającą (VCM) HD-VA2527 firmy PUI Audio zapewnia elastyczne i złożone efekty drgań.

Ilustracja 3: widok rozstrzelony silnika z cewką drgającą (VCM). (Źródło: PUI Audio)

• Piezoelektryczne komponenty haptyczne, często nazywane brzęczykami piezoelektrycznymi, opierają się na odwrotnym efekcie piezoelektrycznym i składają się z płaskich warstw aktywnego materiału piezoelektrycznego, które zginają się i kurczą pod wpływem napięcia, generując dźwięk i drgania. Są one dostępne w postaci krążków, np. HD-PAB1501 lub pasków jak HD-PAS2507 firmy PUI Audio. Brzęczyki piezoelektryczne mogą dostarczać bardziej złożone i szczegółowe sygnały, takie jak dźwięk bicia serca, co zapewnia niespotykany dotąd poziom realizmu. Komponenty te oferują wyższą precyzję przemieszczenia, szybszą reakcję, większą siłę generowania oraz dłuższą żywotność. Wymagają co prawda wyższego napięcia niż aktuatory z mimośrodową masą wirującą (ERM) i liniowe aktuatory rezonansowe (LRA), ale projektanci mogą wykorzystać specjalne sterujące układy scalone do brzęczyków, aby osiągnąć wymagane napięcie przy źródłach niskonapięciowych.

Podsumowanie

W celu integracji haptyki w urządzeniach, projektanci produktów mogą wykorzystać bogatą ofertę komponentów. Muszą oni określić, jaki rodzaj drgań będzie odpowiedni dla danego projektu, a także ocenić zalety i ograniczenia każdego aktuatora pod względem spełnienia specyfikacji projektowych, potrzeb użytkownika końcowego i konkretnych zastosowań. Dzięki odpowiednim wyborom projektowym możliwe jest tworzenie nowych produktów z funkcjami haptycznymi, które uwolnią nowy potencjał biznesowy.