Hur man använder haptik för att förbättra sinnesperceptionen i gränssnittet mellan människa och maskin

Behovet av effektivare gränssnitt mellan människa och maskin (HMI) och förbättrad perception driver på införandet av haptisk teknik i industri 4.0-tillämpningar, fordonssektorn, medicinteknik och första hjälpen-system, IoT-enheter, kroppsnära elektronik och andra konsumentenheter. Exempelvis kan haptiska enheter ge återkoppling i VR (virtual reality)- eller AR (augmented reality)-baserade medicintekniska utbildnings- och rehabiliteringssystem för patienter, eller så kan de ge förbättrade varningar i en bilratt för att informera förare om potentiellt osäkra förhållanden. Haptik används också i kombination med annan HMI-teknik, t.ex. ljud, för att ge mer fängslande och realistiska sensoriska gränssnitt.

Några av de utmaningar som konstruktörer ställs inför när de använder haptik är att välja rätt haptisk teknik, - styrdon med excentrisk roterande massa (ERM) eller linjär resonans (LRA) - integrera den korrekt i ett system för att uppnå önskad feedbacknivå, driva den och förstå hur man testar dess vibrationer, bullerprestanda och tillförlitlighet.

Denna artikel inleds med en kort genomgång av de fördelar som haptisk feedback kan ge i flera olika tillämpningsscenarier. Därefter presenteras alternativ till haptisk teknik tillsammans med verkliga exempel på haptiska enheter från PUI Audio. Den diskuterar hur man integrerar haptiska enheter i system, inklusive ett exempel på en haptisk drivkrets, och avslutar med att beskriva metoder för att testa vibrationer och bullerprestanda.

Multisensoriska gränssnitt

Haptik används allt oftare i kombination med visuell och akustisk feedback för att skapa multisensoriska miljöer och förbättrad interaktion mellan människor och maskiner. Haptiska gränssnitt kan vara kläder, handskar, pekskärmar och andra föremål som mobila enheter och datormöss.

Mångsensorisk interaktion är särskilt användbar i miljöer där ett icke-visuellt HMI-element, t.ex. haptik eller ljud, kan göra det möjligt för användaren att fokusera på den aktuella uppgiften, t.ex. fjärrstyrning av maskiner eller kirurgiska verktyg eller bilkörning. Integrering av haptik i gränssnitt stöder också förbättrad manuell interaktion med virtuella miljöer eller fjärrstyrda system. För att få maximal nytta av att integrera haptik i ett HMI måste konstruktörer förstå prestandaavvägningarna för haptisk teknik.

Teknik för haptiska produkter

De vanligaste haptiska teknikerna är ERM och LRA. ERM använder sig av en excentriskt placerad massa på motoraxeln för att orsaka obalans och skapa vibrationer. ERM-enheter drivs med relativt enkla likströmsspänningar. Användningen av likström, i kombination med deras relativt enkla mekaniska konstruktion, har flera kompromisser:

Fördelar:

• Enkla att driva
• Låg kostnad
• Flexibelt fysiskt format
• Enklare systemintegration för vissa konstruktioner

Nackdelar:

• Hög energiförbrukning
• Långsamt svar
• Större dimensioner på produkten

I stället för att använda en excentrisk massa för att skapa fleraxliga vibrationer vibrerar en LRA-enhet i en linjär rörelse med hjälp av en röstspole, en cirkulär magnet och en fjäder. LRA-enheter kräver växelström (AC) för att driva röstspolen. Växelströmmen skapar ett variabelt magnetfält i röstspolen som får magneten att röra sig upp och ner. Fjädern förbinder magneten med höljet och överför vibrationsenergi till systemet. Eftersom LRA-enheter är baserade på en röstspole och inte är beroende av de borstar som används i ERM:er, förbrukar de mindre ström för en given vibrationsstyrka. Bromsning kan genomföras genom att driva en LRA-enhet med 180° fasförskjutning, vilket ger snabbare svarstider.

LRA-enheter fungerar effektivt i relativt smala resonansband (vanligtvis ±2 till ±5 Hertz (Hz)). Till följd av tillverkningstoleranser, komponentåldrande, miljöförhållanden och monteringsöverväganden kan den exakta resonansfrekvensen för en LRA-enhet variera, vilket komplicerar konstruktionen av drivkretsen. LRA-haptik ger konstruktörerna andra för- och nackdelar jämfört med ERM-enheter:

Fördelar:

• Snabbare svarstid
• Högre verkningsgrad
• Ökad acceleration
• Bromsning är möjlig.
• Kan vara mindre i storlek

Nackdelar:

• Resonansfrekvensen kan variera
• Krävande att driva
• Högre kostnad

Förutom de funktionella skillnaderna finns ERM- och LRA-enheterna i flera olika höljen. ERM-enheter kan vara inkapslade i knappcell- eller stavformat, medan LRA-enheter är inkapslade i knappcellsutförande eller i prismatiska (rektangulära) eller cylindriska format (figur 1). ERM- och LRA-apparater i knappcellsutförande brukar ha en diameter på cirka 8 mm och en tjocklek på cirka 3 mm. ERM-enheter av stavtyp är större och mäter cirka 12 mm i längd och 4 mm i bredd.

Figur 1: ERM finns i kapslingar i stav- eller knappcellsutförande, medan LRA finns i formaten knappceller, cydlindrar eller prismor. (Bildkälla: PUI Audio)

ERM-enheter i knappcellsutförande

För tillämpningar inom bärbara elektronikprodukter som kan dra nytta av en ERM-enhet i knappcellsutförande kan konstruktörer använda HD-EM0803-LW20-R från PUI Audio med en diameter på 8 mm och en tjocklek på 3 mm. Specifikationer för HD-EM0803-LW20-R:

• Nominellt varvtal på 12 000 (±3 000) varv per minut (rpm).
• Kontaktresistans 38 ohm (Ω) (±50 %)
• Ingångsspänning 3 VDC
• Nominell strömförbrukning 80 mA.
• Drifttemperaturintervall -20 till +60 °C

För enheter som måste fungera i mer utmanande termiska miljöer, kan konstruktörerna istället välja HD-EM1003-LW15-R, som är avsedd för drift från -30 °C till +70 °C. Den har samma nominella varval och storlek som HD-EM0803-LW20-R och har en kontaktresistans på 46 Ω (±50 %) med en märkströmförbrukning på 85 mA. Båda dessa ERM-enheter i knappcellsutförande kan drivas med positiv eller negativ likström för rörelse medurs eller moturs. De har 20 mm långa ledningar för flexibla elektriska anslutningar och producerar ljud på maximalt 50 decibel (dBA).

ERM i stavformat

HD-EM1206-SC-R är 12,4 mm lång och 3,8 mm bred. Den har ett nominellt varvtal på 12 000 (±3 000) per minut när den drivs med 3 VDC. Den är avsedd för drift från -20 till +60 °C och producerar en bullernivå på högst 50 dBA. Konstruktioner som kräver lägre bullernivåer kan använda HD-EM1204-SC-R (figur 2). Detta ger ett maximalt störljud på endast 45 dBA. Den har också ett högre nominellt varvtal på 13 000 (±3 000) varv per minut och ett bredare arbetstemperaturintervall på -30 °C till +70 °C jämfört med HD-EM1206-SC-R. Båda enheterna har en låg slutresistans på 30 Ω (±20 %) och en nominell strömförbrukning på 90 mA.

Figur 2: HD-EM1204-SC-R ERM lämpar sig för tillämpningar som kräver låga ljudnivåer. (Bildkälla: PUI Audio)

LRA-enhet

Konstruktioner som kräver snabbare svarstider, högre energieffektivitet och kraftigare vibrationer kan använda PUI Audios HD-LA0803-LW10-R LRA-enhet med 8 mm diameter och 3,2 mm höjd (figur 3). LRA-enheter är mer exakta än ERM-enheter. Till exempel varierar motståndet för ERM-enheter från 30 (±20 %) till 46 Ω (±50 %), medan motståndet för HD-LA0803-LW10-R är specificerat till 25 Ω (±15 %). Strömförbrukningen för HD-LA0803-LW10-R är cirka 180 mW (2 V_RMS x 90 mA), medan de ERM-enheter som diskuteras ovan förbrukar mellan 240 och 270 mW. Denna LRA-enhet har ett driftstemperaturintervall på -20 till +70 °C.

Figur 3: HD-LA0803-LW10-R LRA kombinerar starka vibrationer, snabba svarstider och energieffektivitet. (Bildkälla: PUI Audio)

Systemintegration

Dubbelhäftande tejp är den föredragna monteringsmetoden för haptiska enheter i knappcellsutförande och ger den bästa vibrationskopplingen till systemet. Enheter med dubbelhäftande tejp innehåller ledningskablar som kräver hålmontering och handlödning till kretskortet. Stav-, cylinder- och prismatiska enheter finns med två olika systemintegreringssätt: dubbelhäftande tejp och fjäderkontakter. När dubbelhäftande tejp används har dessa enheter handlödda ledningskablar som enheter av knappcellstyp. Användning av fjäderkontakter kombinerar funktionerna vibrationskoppling och elektrisk anslutning. Fjäderkontakterna eliminerar behovet av handlödning, vilket förenklar monteringen och minskar kostnaderna. Användning av fjäderkontakter kan också förenkla reparationer på fältet.

Drivning av haptikenheter

Diskreta drivkretsar kan användas med LRA- och ERM-enheter. Även om användning av en drivkrets med diskreta komponenter kan sänka kostnaderna, särskilt för relativt enkla konstruktioner, kan det resultera i en större slutprodukt och en långsammare marknadslansering, jämfört med en enda integrerad drivkrets. För tillämpningar som kräver en kompakt och högpresterande produkt kan konstruktörerna välja DRV2605L från Texas Instruments. DRV2605L är ett komplett styrsystem med sluten loop för högkvalitativ taktil återkoppling som kan driva både ERM- och LRA-enheter (figur 4). DRV2605L inkluderar tillgång till programvaran TouchSense 2200 från Immersion med över 100 licensierade haptiska effekter samt en funktion för konvertering av ljud till vibrationer.

Figur 4: DRV2605L IC kan driva haptiska enheter av LRA- eller ERM-typ. (Bildkälla: Texas Instruments)

Vibrationsprtestning

Eftersom haptiska enheters funktion är att vibrera, är det viktigt att de är robust konstruerade. PUI Audio har specificerat en testjig som ska användas för vibrationstestning, se figur 5. Testet genomförs med ett elektrodynamiskt vibrationstestsystem av industrityp. Detta kan programmeras för specifika vibrationstester för att simulera olika förhållanden, t.ex. sinusvibrationer, slumpmässiga vibrationer och mekaniska stötpulser.

Figur 5: Rekommenderad testjig för vibrationstestning av haptikenheter. (Bildkälla: PUI Audio)

PUI Audio har specificerat tre vibrationstester för sina haptikenheter (se tabell 1). När testningen har genomförts och enheterna har "vilat" i fyra timmar måste de uppfylla specifikationerna för nominell hastighet (för ERM-enheter) eller acceleration (för LRA-modeller), samt resistans, nominell ström och ljudnivå.

Tabell 1: Specifikationer av vibrationstest för haptiska anordningar. (Tabellkälla: PUI Audio)

Förutom vibrationstestning har PUI Audio definierat stöttestning på följande sätt:

• Acceleration: Halvsinusformig 500 g
• Varaktighet: 2 ms
• Test/yta: Test: 3 gånger/6 ytor med totalt 18 stötar.

Kriterierna för godkänt/underkänt är desamma som för vibrationsprovning.

Mätning av ljudnivå

Nivån på det akustiska (mekaniska) buller som produceras av haptikenheter varierar, och hur den haptikenheten är monterad spelar en viktig roll för att minimera ljudnivån. PUI Audio rekommenderar att man använder en särskild testuppställning för att mäta det ljudet från haptikenheter, se figur 6. Testet bör utföras i ett avskärmat rum med en omgivningsljudnivå på 23 dBA. Om enheten monteras på 75 g-jiggen så som den kommer att installeras i systemet, kommer detta test att informera konstruktörerna om vilken ljudnivå de kan förvänta sig av produkten.

Figur 6: Rekommenderad testjig för mätning av buller från haptiska enheter. (Bildkälla: PUI Audio)

Sammanfattning

Genom att ge användarna taktil feedback kan haptik användas för att förbättra gränssnittsfunktionaliteten och bidra till att skapa multisensoriska miljöer med hög prestanda. När konstruktörer överväger att använda haptik måste de dock förstå kompromisserna mellan teknikerna ERM och LRA, hur de effektivt ska styras och hur de ska testas för att säkerställa att önskad tillförlitlighet och prestanda från systemet kan uppnås. Som framgår är haptiska enheter enkelt lätt tillgängliga, och detsamma gäller drivkretsar och testprocedurer.

Rekommenderad läsning

1. Nya dimensioner i implementering av HMI utan att det krävs stora resurser.
2. Hur man implementerar ljudlarm på ett korrekt sätt inom medicinsk övervakning