Wykorzystanie haptyki do poprawy percepcji w interfejsach człowiek-maszyna

Potrzeba bardziej efektywnych interfejsów człowiek-maszyna (HMI) i lepszej percepcji powoduje popularyzację haptyki w aplikacjach przemysłu 4.0, motoryzacji, systemach medycznych i pierwszej pomocy, urządzeniach internetu rzeczy (IoT), urządzeniach ubieralnych i innych urządzeniach konsumenckich. Urządzenia haptyczne mogą na przykład dostarczać informacje zwrotne w ramach szkoleń medycznych i systemów rehabilitacji pacjentów opartych na technologiach rzeczywistości wirtualnej i rozszerzonej (VR/AR) lub zapewnić wzmocnione alarmy w kierownicy informujące kierowców o niebezpiecznych warunkach. Haptyka jest również stosowana w połączeniu z innymi technologiami interfejsów HMI - np. dźwiękowymi - umożliwiając projektowanie bardziej angażujących i realistycznych interfejsów sensorycznych.

Do wyzwań stojących przed projektantami stosującymi haptykę zalicza się wybór odpowiedniej technologii haptycznej - mimośrodowej masy wirującej (ERM) lub liniowego aktuatora rezonansowego (LRA) - odpowiednia integracja z systemem w celu osiągnięcia żądanego poziomu potwierdzenia, wysterowanie oraz zrozumienie sposobu testowania drgań, poziomu hałasu i niezawodności.

Niniejszy artykuł rozpoczyna się od krótkiego przeglądu zalet potwierdzenia haptycznego w kilku scenariuszach zastosowań. Następnie opisuje opcje technologii haptycznej wraz z rzeczywistymi przykładami urządzeń haptycznych firmy PUI Audio. Omawia sposoby integracji urządzeń haptycznych z systemami, w tym przykład układów scalonych sterownika haptycznego, a na koniec przedstawia metodologie testowania drgań i hałasu.

Interfejsy wielozmysłowe

Haptyka jest coraz częściej wykorzystywana w połączeniu z wizualnym i słuchowym potwierdzeniem do tworzenia środowisk wielozmysłowych i ulepszonej interakcji pomiędzy ludźmi i maszynami. Interfejsy haptyczne mogą obejmować odzież, rękawice, ekrany dotykowe i inne przedmioty, takie jak urządzenia mobilne i myszy komputerowe.

Interakcja wielozmysłowa jest szczególnie przydatna w środowiskach, w których inny niż wizualny element interfejsu HMI, na przykład haptyka lub dźwięk, może pozwolić użytkownikowi na skupienie się na wykonywanym zadaniu, np. zdalnym sterowaniu maszynami lub narzędziami chirurgicznymi czy prowadzeniu samochodu. Integracja haptyki z interfejsami HMI umożliwia również lepszą interakcję manualną ze środowiskami wirtualnymi lub zdalnymi systemami sterowania. Uzyskanie maksymalnych korzyści z integracji haptyki w interfejsach HMI wymaga od projektantów zrozumienia kompromisów w kontekście wydajności technologii haptycznych.

Technologie urządzeń haptycznych

Najpopularniejsze technologie haptyczne to mimośrodowa masa wirująca (ERM) i liniowy aktuator rezonansowy (LRA). Technologia ERM wykorzystuje masę umieszczoną niecentralnie na wale silnika, która powoduje niewyważenie i wytwarza drgania. Urządzenia ERM są zasilane w stosunkowo prosty sposób prądem stałym (=). Zastosowanie zasilania prądem stałym w połączeniu z relatywnie nieskomplikowaną konstrukcją wiąże się z szeregiem kompromisów:

Zalety:

• Łatwe sterowanie
• Niski koszt
• Możliwość dostosowania kształtu
• Prostsza integracja systemu w przypadku niektórych projektów

Wady:

• Duże zużycie energii
• Wolna reakcja
• Większe rozmiary rozwiązania

Zamiast używać masy mimośrodowej do wytwarzania wieloosiowych drgań, urządzenie LRA drga ruchem liniowym poruszane z wykorzystaniem cewki głosowej, okrągłego magnesu i sprężyny. Cewka głosowa w urządzeniach LRA wymaga zasilania prądem zmiennym (~). Prąd zmienny wytwarza w cewce zmienne pole magnetyczne, które powoduje ruch magnesu w górę i w dół. Sprężyna łączy magnes z obudową urządzenia, przenosząc energię drgań na układ. Ponieważ urządzenia LRA bazują na cewce głosowej i nie zawierają szczotek stosowanych w technologii ERM, pobierają mniejszą moc dla określonej siły drgań. Hamowanie może odbywać się poprzez zasilanie urządzenia LRA z przesunięciem fazowym 180°, co skraca czasy reakcji.

Urządzenia LRA działają wydajnie w stosunkowo wąskich pasmach rezonansowych (zwykle od ±2 do ±5Hz). Dokładna częstotliwość rezonansowa urządzenia LRA może się różnić w zależności od tolerancji produkcyjnych, starzenia się elementów, warunków środowiskowych i warunków montażu, co komplikuje projektowanie obwodu zasilania. Haptyka LRA przedstawia projektantom inny zestaw zalet i wad w porównaniu do urządzeń ERM:

Zalety:

• Krótszy czas reakcji
• Wyższa sprawność
• Większe przyspieszenia
• Możliwość hamowania
• Możliwość uzyskania mniejszych rozmiarów

Wady:

• Częstotliwość rezonansowa może się zmieniać
• Trudność sterowania
• Wyższy koszt

Oprócz różnic w działaniu, urządzenia ERM i LRA są dostępne w kilku typach obudów. Urządzenia ERM mogą występować w obudowach w kształcie krążka lub klocka, natomiast LRA w obudowach w kształcie krążka, graniastosłupa (prostokątnego) lub cylindra (ilustracja 1). Urządzenia ERM i LRA w kształcie krążka mają zwykle średnicę około 8mm i grubość około 3mm. Urządzenia haptyczne ERM w kształcie klocka są większe - mają około 12mm długości i 4mm szerokości.

Ilustracja 1: urządzenia ERM są dostępne w obudowach w kształcie krążka lub klocka, natomiast LRA występują w formatach krążka, graniastosłupa lub cylindra. (Źródło ilustracji: PUI Audio)

Urządzenia ERM w obudowie w kształcie krążka

Na przykład w urządzeniach ubieralnych, w przypadku, w których korzystne może być zastosowanie urządzenia ERM w formie krążka, projektanci mogą wykorzystać model HD-EM0803-LW20-R firmy PUI Audio o średnicy 8mm i grubości 3mm. Specyfikacja urządzenia HD-EM0803-LW20-R:

• Prędkość znamionowa 12000 (±3000) obr./min
• Rezystancja zacisków 38Ω (±50%)
• Napięcie wejściowe 3V=
• Nominalny pobór prądu 80mA
• Zakres temperatur roboczych od -20 do +60°C

W przypadku urządzeń przeznaczonych do pracy w trudniejszych warunkach termicznych projektanci mogą wykorzystać urządzenie HD-EM1003-LW15-R przystosowane do pracy w zakresie temperatur od -30°C do +70°C. Charakteryzuje się ono taką samą prędkością znamionową i rozmiarami jak HD-EM0803-LW20-R oraz rezystancją zacisków 46Ω (±50%) przy nominalnym poborze prądu 85mA. Oba wspomniane urządzenia ERM w kształcie krążka mogą być zasilane dodatnim lub ujemnym prądem stałym, w celu uzyskania obrotów w kierunku zgodnym i przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. Zawierają one 20mm przewody odprowadzenia stanowiące elastyczne połączenia elektryczne i wytwarzają maksymalny hałas o natężeniu 50dBA w otoczeniu.

Urządzenia ERM w kształcie klocka

Urządzenie HD-EM1206-SC-R ma 12,4mm długości i 3,8mm szerokości. Jego prędkość znamionowa wynosi 12000 (±3000) obr./min przy zasilaniu napięciem 3V=. Jest przystosowane do pracy w temperaturze od -20 do +60°C i wytwarza maksymalnie 50dBA hałasu. W projektach wymagających niższego poziomu hałasu można zastosować urządzenie HD-EM1204-SC-R (ilustracja 2). Wytwarza ono maksymalny hałas wynoszący tylko 45dBA. Ma też większą prędkość znamionową 13000 (±3000) obr./min i szerszy zakres temperatur roboczych od -30°C do +70°C w porównaniu do HD-EM1206-SC-R. Oba urządzenia charakteryzują się niską rezystancją zacisków wynoszącą 30Ω (±20%) i nominalnym poborem prądu 90mA.

Ilustracja 2: urządzenia ERM HD-EM1204-SC-R sprawdzają się w zastosowaniach wymagających niskich poziomów hałasu. (Źródło ilustracji: PUI Audio)

Urządzenie LRA

W konstrukcjach wymagających krótszego czasu reakcji, większej sprawności energetycznej i silniejszych drgań można wykorzystać urządzenie LRA HD-LA0803-LW10-R firmy PUI Audio o średnicy 8mm i wysokości 3,2mm (ilustracja 3). Urządzenia LRA charakteryzują się wyższą precyzją w porównaniu do urządzeń haptycznych ERM. Na przykład rezystancja urządzeń ERM wynosi od 30 (±20%) do 46Ω (±50%), natomiast rezystancja urządzenia HD-LA0803-LW10-R to 25Ω (±15%). Pobór mocy przez urządzenie HD-LA0803-LW10-R wynosi około 180mW, (2V_RMS x 90mA), podczas gdy omawiane powyżej urządzenia ERM pobierają od 240 do 270mW. Zakres temperatur roboczych omawianego urządzenia LRA wynosi od -20 do +70°C.

Ilustracja 3: urządzenie LRA HD-LA0803-LW10-R łączy w sobie silne drgania, krótki czas reakcji i energooszczędność. (Źródło ilustracji: PUI Audio)

Integracja systemu

Zastosowanie taśmy dwustronnej jest preferowaną metodą montażu urządzeń haptycznych w kształcie krążka. Zapewnia ona najlepsze sprzężenie wibracyjne z systemem. Urządzenia z taśmą dwustronną zawierają przewody odprowadzeń, które wymagają połączeń przewlekanych i ręcznego lutowania do płytki drukowanej. Urządzenia w kształcie klocka, cylindra i graniastosłupa są integrowane z systemem na dwa sposoby: za pomocą taśmy dwustronnej i styków sprężynowych. W przypadku zastosowania taśmy dwustronnej urządzenia te zawierają przewody odprowadzenia do lutowania ręcznego, podobnie jak urządzenia w kształcie krążka. Zastosowanie styków sprężynowych łączy w sobie funkcje sprzężenia wibracyjnego oraz połączeń elektrycznych. Styki sprężynowe eliminują potrzebę lutowania ręcznego, co upraszcza montaż i obniża koszty. Ponadto zastosowanie styków sprężynowych może uprościć naprawy w terenie.

Sterowanie urządzeniami haptycznymi

Z urządzeniami LRA i ERM można stosować dyskretne obwody sterujące. Choć zastosowanie układu sterującego wykonanego z komponentów dyskretnych może obniżyć koszty, zwłaszcza w przypadku stosunkowo prostych projektów, może również skutkować większymi rozmiarami rozwiązania i dłuższym czasem wprowadzania na rynek w porównaniu z układami scalonymi sterownika. W przypadku zastosowań wymagających kompaktowych rozwiązań o wysokich parametrach projektanci mogą wykorzystać urządzenie DRV2605L firmy Texas Instruments. Urządzenie DRV2605L stanowi kompletny system sterowania w pętli zamkniętej zapewniający wysokiej jakości wyczuwalne potwierdzenie, który może sterować zarówno urządzeniami ERM jak i LRA (ilustracja 4). Urządzenie DRV2605L zapewnia dostęp do oprogramowania TouchSense 2200 firmy Immersion z ponad 100 licencjonowanych efektów haptycznych oraz funkcją konwersji dźwięku na drgania.

Ilustracja 4: układ scalony DRV2605L może sterować urządzeniami haptycznymi typu LRA lub ERM. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

Testowanie drgań

Urządzenia haptyczne działają w oparciu o drgania, dlatego powinny być solidnie wykonane. Firma PUI Audio określiła specyfikacje stanowiska do badań drgań pokazanego na ilustracji 5. Próby są przeprowadzane z użyciem elektrodynamicznego systemu testowania drgań klasy przemysłowej. Można go zaprogramować do określonych testów wibracyjnych w celu symulacji różnych warunków, takich jak drgania sinusoidalne, drgania losowe i impulsy wstrząsów mechanicznych.

Ilustracja 5: zalecane stanowisko do badań wibracyjnych urządzeń haptycznych. (Źródło ilustracji: PUI Audio)

Firma PUI Audio zdefiniowała trzy testy wibracyjne dla swoich urządzeń haptycznych (patrz tabela 1). Po przeprowadzeniu testu i „odpoczynku” przez cztery godziny urządzenia muszą spełnić wymagania specyfikacji dla prędkości znamionowej (dla urządzeń ERM) lub przyspieszenia (dla modeli LRA), jak również rezystancji, prądu znamionowego i hałasu.

Tabela 1: specyfikacja testów wibracyjnych dla urządzeń haptycznych. (Źródło tabeli: PUI Audio)

Oprócz testów wibracyjnych firma PUI Audio zdefiniowała następujące testy wstrząsów:

• Przyspieszenie: półsinusoidalne 500g
• Czas trwania: 2ms
• Test/powierzchnia: 3 razy / 6 powierzchni, w sumie 18 wstrząsów

Kryteria zaliczenia/niezaliczenia są takie same jak w przypadku testów wibracyjnych.

Pomiar natężenia hałasu

Poziom natężenia hałasu (mechanicznego) wytwarzanego przez urządzenia haptyczne jest różny, a w jego minimalizacji kluczową rolę odgrywa sposób montażu takiego urządzenia. Firma PUI Audio zaleca stosowanie specjalnego układu testowego do pomiaru natężenia hałasu urządzeń haptycznych ukazanego na ilustracji 6. Test powinien być przeprowadzony w ekranowanym pomieszczeniu o natężeniu hałasu otoczenia 23dBA. Jeśli urządzenie zostanie zamontowane na przyrządzie montażowym o masie 75g tak jak zostanie zainstalowane w systemie, test ten pozwoli projektantom na określenie natężenia hałasu, jakiego należy się spodziewać podczas użytkowania.

Ilustracja 6: schemat zalecanego stanowiska do badań służącego do pomiaru natężenia hałasu urządzeń haptycznych. (Źródło ilustracji: PUI Audio)

Podsumowanie

Dzięki zapewnianiu użytkownikom wyczuwalnego potwierdzenia, haptyka może być wykorzystana do poprawy działania interfejsów człowiek-maszyna (HMI) i opracowania wysokowydajnych środowisk wielozmysłowych. Rozważając wykorzystanie haptyki, projektanci muszą jednak zrozumieć kompromisy, których wymagają technologie mimośrodowej masy wirującej (ERM) i liniowego aktuatora rezonansowego (LRA), a także sposoby ich efektywnego wykorzystania i testowania niezbędne do zapewnienia wymaganej niezawodności oraz parametrów działania systemu. Urządzenia haptyczne są łatwo dostępne, podobnie jak sterowniki i procedury testowe.

Rekomendowane artykuły

1. Nowe wymiary interfejsów człowiek-maszyna (HMI) bez konieczności poświęcania dużych zasobów
2. Jak prawidłowo wdrożyć alarmy dźwiękowe w monitoringu medycznym