Haptika se využívá například v chytrých telefonech, palubních deskách automobilů, v automatických pokladnách, prodejních automatech či bankomatech. Nemusí se jednat jen o spotřební zboží, haptika nalezne své uplatnění také v lékařských přístrojích, chirurgických nástrojích, průmyslových a výrobních strojích a aplikacích pro automatizace budov.

Počátky haptiky se datují do roku 1880, kdy Pierre a Jacques Curie představili piezoelektrický efekt některých materiálů. Při piezoelektrickém jevu se generuje malý elektrický náboj, pokud je na daný materiál vyvinuta mechanická síla. Reverzní piezoelektrický jev generuje fyzický pohyb materiálu, kdy je na něj aplikováno příslušné napětí. Stejné principy jsou základem aktuátorů a převodníků běžně používaných v malých reproduktorech, mikrofonech anebo hudebních hracích přání. Kombinace haptiky s virtuální realitou a internetem věcí výrazně zlepšuje prožitek uživatelů. Piezoelektrické haptické aktuátory dodávají virtuálním interakcím realistický nádech a vibrace poskytují přirozený pocit.

Haptika je v některých situacích daleko lepší volbou pro upozornění uživatele na kritické situace než zvuková či obrazová zpětná vazba. Například v lékařském prostředí haptika pomáhá lékařům pohotověji reagovat na nepříznivé situace. V tomto oboru každá vteřina může ovlivnit zdravý pacienta.

Aplikace a případy použití

Vzhledem k tomu, že popularita virtuální reality roste a umělá inteligence či strojové učení se neustále zdokonaluje, haptika bude pravděpodobně hrát významnou roli při poskytování realistické zpětné vazby v celé řadě odvětví:

• Lékařské obory - haptika již začíná hrát podstatnou roli v roboticky asistované chirurgii a invazivních stomatologických zákrocích. Haptika v kombinaci s virtuální realitou pomáhá vzdělávat lékaře pomocí simulace praktických postupů. Od ovládání skalpele po bušení srdce. Haptika také hraje velkou roli v rehabilitaci pacientů. Pomáhá obětem mrtvice znovu se naučit klíčové motorické dovednosti a poskytuje osobám po amputaci končetin překonat omezení mechanické protetiky.
• Automobilový průmysl - haptika již poskytuje řidičům automobilů hmatová upozornění (vibrace) na opuštění jízdního pruhu či chybné držení volantu. Pokud řidič má chytré hodinky, tak navigační systém může upozorňovat vibracemi na blížící se odbočky, a tím se snižuje nutnost přesouvat pohled na mapy na palubní obrazovce.
• Průmysl a výroba - operátoři těžkých zařízení a pracovníci výrobních linek musí věnovat velkou pozornost signalizačním kontrolkám na ovládacím panelu či na obrazovce. Haptika může pomoci soustředit se na daný úkol a zároveň vibrace potvrdí, že daný úkon byl proveden správně, aniž by uhnuli pohledem. Haptika může být součástí rukavic a oděvů, aby umožnila přesné dálkové ovládání strojů a poskytovala zpětnou vazbu nebo výstrahy v potenciálně nebezpečných situacích.
• Maloobchodní a fiananční služby - haptika je součástí některých samoobslužných pokladnách nebo bankomatech. Kombinace haptiky a virtuální reality skrývá potenciál pro online nakupování, které se může stát ještě více realističtější.
• Spotřební elektronika - První smartphone s haptikou byl představen na veletrhu Consumer Electronics Show v roce 2000 a tato technologie byla rychle přijata ostatními výrobci telefonů. Původně byl cíl zlepšit zpětnou vazbu při psaní na virtuální klávesnici nebo mačkání ikon na obrazovce. Ale haptika zaznamenala úspěch i herním průmyslu, kde ovladače dávaly uživatelům zpětnou vazbu při řízení automobilu či střílení. Nyní je haptika běžnou součástí fitness trackerů, AR/VR náhlavních souprav a brýlí.

Jaké komponenty se pro haptiku používají?

Produktoví návrháři mohou využít několik možností k vytvoření haptického rozhraní. Prvním krokem je pochopení rozdílů mezi dostupnými technologiemi a jejich konstrukčními požadavky. Elektromechanické komponenty jsou nejběžnější technologií pro poskytování haptické zpětné vazby. Pak je důležité zvolit tu, která vyhovuje dané aplikaci.

Aktuátory s excentrickou rotující hmotou (ERM - Eccentric Rotating Mass )

ERM aktuátory využívají rotující hmotu umístěnou mimo osu připojenou ke stejnosměrnému motoru. Tím se generují vibrace, které poskytují nízkofrekvenční pocit „rachotu“ (obrázek 1). Aktuátor vibruje frekvencí přímo korelovanou s napájecím napětím zařízení. Vzhledem k tomu, že rotujícímu motoru trvá krátkou dobu, než dosáhne požadované rychlosti jsou tyto EMR motory nejlepší pro aplikace, kde je vyžadován znatelný vibrační efekt, ale přesné vzory vibrací vyžadovány nejsou.

PUI Audio nabízí několik ERM aktuátorů, včetně aktuátoru pro povrchovou montáž HD-EMB1104-SM-2, který poskytuje silnou haptickou zpětnou vazbu v malém pouzdře o rozměrech 3,4 x 4,4 x 11 mm. Je vhodný pro medicínské, automobilové nebo průmyslové segmenty, spotřebitelská nebo přenosná zařízení nebo bezpečnostní zařízení. Další možností je aktuátor HD-EM0602-LW15-R. Jedná se o bezkomutátorový DC ERM aktuátor, který má vylepšené řízení rychlosti a točivého momentu a delší životnost než kartáčové aktuátory.

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

Lineární rezonanční aktuátor (LRA - Linear Resonant Actuator)

LRA aktuátor je poháněn střídavým proudem a produkuje vibrace ve dvou směrech podél jedné osy. To umožňuje vytvořit citlivě reagující vibrační vzory s vysokým rozlišením. LRA aktuátory vytvářejí vibrace pohybem hmoty v lineárním směru, kdy je cívka buzena frekvencí a napětím signálu. To poskytuje nezávislou kontrolu nad silou i frekvencí vibrací. Na rozdíl od ERM aktuátorů u zařízení vybaveného LRA aktuárotem uživatelé pocítí vibrace ihned jakmile je cívka vybuzena.

Tato technologie souvisí s tradičními reproduktory, ve kterých je cívka buzena tvarem vlny, a to způsobuje pohyb magnetu a membrány a generování zvukových vln. HD-LA1307-SM je vodotěsný LRA aktuátor určený pro povrchovou montáž a je vhodný pro prostředí virtuální reality, herní konzole, lékařské simulátory, nositelná zařízení a spotřebitelská a průmyslová ovládací rozhraní. .

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

Motory s kmitací cívkou (VCM - Voice Coil Motors), také nazývané aktuátory kmitací cívky (VCA - Voice Coil Actuators) 

Tyto aktuátory používají stejnou technologii kmitací cívky jako LRA, ale svými vlastnostmi a konstrukcí mají ještě více blíže k reproduktorům. Hmota se pohybuje lineárně jako u LRA technologie, ale má větší hmotnost. Tím se vytváří silnější a realističtější vibrační efekt, než jaký by mohl být vyvolán pomocí technologie LRA. Cylindrický VCM HD-VA2527 nabízí flexibilní a komplexní vibrační efekty.

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

Piezoelektrické aktuátory

Piezoelektrické haptické aktuátory často označované jako piezo bzučáky jsou založeny na reverzním piezoelektrickém jevu a skládají se z plochých vrstev aktivního piezoelektrického materiálu, které se ohýbají a smršťují v momentě, kdy je přivedeno napětí. Tím se vytváří zvuk a vibrace. Jsou dostupné ve tvaru disku HD-PAB1501 nebo pásku HD-PAS2507. Piezo aktuátory poskytují složitější a podrobnější signály, jako je například zvuk tlukotu srdce. Tyto komponenty nabízejí vyšší přesnost, rychlejší odezvu, větší sílu vibrací a delší životnost. Vyžadují vyšší napětí než ERM a LRA, ale lze využít integrované obvody "bender driver" pro použití i v zařízeních s nízkonapěťovými zdroji.

Závěr

Produktoví návrháři si mohou vybrat z bohatého portfolia hapticých komponent. Je nutné vyhodnotit jaký typ vibrací je vhodný pro danou konstrukci a aplikaci. Se správnou technologií je možné vytvořit produkty, které uživatelům dají reálnou zpětnou vazbu.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com