Hmatová neboli haptická zařízení mohou poskytovat zpětnou vazbu v systémech lékařského výcviku a při rehabilitaci pacientů s použitím virtuální reality. Dále se používají v automobilovém průmyslu, kde jsou implementovány do volantu, aby informovaly řidiče o potenciálně nebezpečných situacích. Výběr haptické technologie – excentrický rotující motor (ERM) nebo lineární rezonanční aktuátor (LRA) a jejich integrace do systému není jednoduchou záležitostí. Musí se navrhnout dokonalé řízení, aby se dosáhlo požadované úrovně zpětné vazby, zaručila se vysoká spolehlivost a při vibracích nevznikal nepříznivý zvuk. 
Tento článek začíná stručným přehledem haptické zpětné vazby. Poté představí možnosti haptické technologie spolu s reálnými příklady od PUI Audio a jejich integraci do systému. Na závěr si podrobně vysvětlíme metodiky pro testování vibrací a hluku.

Multismyslová rozhraní

Haptika se stále více používá v kombinaci s vizuální a sluchovou zpětnou vazbou k vytvoření multismyslového rozhraní a zlepšené interakci mezi lidmi a stroji. Multisenzorická interakce je zvláště užitečná v prostředích, kde nevizuální prvek HMI, jako je haptika nebo zvuk, může uživateli umožnit soustředit se na daný úkol ( dálkové ovládání strojů, chirurgických nástrojů nebo řízení auta). Integrace hmatového vjemu HMI vylepšuje manuální interakci s virtuálním prostředí nebo dálkově ovládanými vzdálenými systémy. 

Technologie haptických zařízení

Nejběžnější haptické technologie jsou excentrické rotující motory (ERM) nebo lineární rezonanční aktuátory (LRA). ERM používá nevyváženou hřídel motoru, která při rotaci vytváří vibrace. ERM jsou napájeny stejnosměrným napětím, které v kombinaci s relativně jednoduchou mechanickou konstrukcí má několik výhod i nevýhod současně.

• Výhody - Jednoduché řízení, Nízké náklady, Flexibilní tvar, Jednodušší integrace systému u některých návrhů
• Nevýhody - Vysoká spotřeba energie, Pomalá odezva, Větší velikost řešení

Další možností je použití technologie LRA, která lineárním pohybem kmitací cívky, kruhového magnetu a pružiny vytváří vibrace. LRA vyžaduje k napájení cívky střídavý proud. Střídavý proud vytváří v cívce proměnlivé magnetické pole, které způsobuje pohyb magnetu nahoru a dolů. Pružina spojuje magnet s pouzdrem zařízení a přenáší vibrační energii do celého systému. Vzhledem k tomu, že LRA jsou založena na kmitací cívce a nespoléhají se na kartáče používané v ERM, spotřebují při dané síle vibrací méně energie. Brzdění vibrací může být realizováno řízením LRA s fázovým posunem o 180 °.

LRA pracuje efektivně v relativně úzkých rezonančních pásmech (obvykle ±2 až ±5 Hertzů). V důsledku výrobních tolerancí, stárnutí součástí, podmínek prostředí a způsobu montáže, se přesná rezonanční frekvence může lišit. To ale komplikuje návrh budícího obvodu. Technologie LRA představuje jiné výhody a nevýhody ve srovnání s ERM zařízeními:

• Výhody - Rychlejší doba odezvy, Vyšší účinnost, Vyšší zrychlení, Možnost brzdění, Menší velikost
• Nevýhody - Rezonanční frekvence se může lišit, Náročné na řízení, Vyšší náklady

Kromě rozdílů v jejich provozu je technologie ERM a LRA k dispozici v několika typech pouzdra. ERM mohou být v pouzdře ve tvaru mince nebo tyčinky, zatímco LRA jsou ve tvarech mince, hranolu nebo válce (obrázek 1). ERM a LRA ve tvaru mince mívají průměr asi 8 mm s tloušťkou asi 3 mm. ERM ve tvaru tyčinky jsou větší, měří asi 12 mm na délku a 4 mm na šířku.

Obrázek 1: ERM jsou k dispozici ve tvaru mince nebo tyčinky, zatímco LRA se dodávají ve tvaru mince, válce nebo hranolu. (Zdroj obrázku: PUI Audio)

ERM ve tvaru mince

Pro nositelná zařízení, která mohou využívat ERM ve tvaru mince, lze použít HD-EM0803-LW20-R od PUI Audio o průměru 8 mm a tloušťce 3 mm. 

Vlastnosti HD-EM0803-LW20-R:

• Jmenovitá rychlost 12 000 (± 3 000) ot./min.
• Koncový odpor 38 Ω (±50 %)
• Vstupní napětí 3V DC
• Jmenovitý odběr proudu 80 mA
• Rozsah provozních teplot -20 až +60 °C

Pro zařízení, která potřebují pracovat v náročnějších tepelných prostředích, se mohou konstruktéři obrátit na HD-EM1003-LW15-R, který je dimenzovaný pro provoz od -30 °C do +70 °C. Má stejnou jmenovitou rychlost a stejnou velikost jako HD-EM0803-LW20-R a vyznačuje se odporem 46 Ω (±50 %) při jmenovitém odběru proudu 85 mA. Obě tyto zařízení ERM ve tvaru mince mohou být napájena kladným nebo záporným stejnosměrným proudem pro pohyb ve směru nebo proti směru hodinových ručiček. Obsahují 20 mm vodiče pro flexibilní připojení a produkují maximální akustický hluk 50 dBA.

ERM ve tvaru tyčinky

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 3 V DC. Je dimenzován pro provoz od -20 do +60 °C a produkuje maximálně 50 dBA akustického hluku. Pro konstrukce, které vyžadují nižší úrovně akustického hluku, lze použít HD-EM1204-SC-R (obrázek 2) s maximálním akustickým hlukem 45 dBA. Ve srovnání s HD-EM1206-SC-R má vyšší jmenovité otáčky 13 000 (± 3 000) ot./min. a širší rozsah provozních teplot -30 °C až +70 °C.  Oba typy mají nízkou hodnotu odporu 30 Ω (±20 %) a jmenovitý proudový odběr 90 mA.

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

Technologie LRA

Pro konstrukce, které vyžadují rychlejší dobu odezvy, vyšší energetickou účinnost a silnější vibrace, lze použít HD-LA0803-LW10-R o průměru 8 mm a výšce 3,2 mm (obrázek 3). Produkty LRA jsou ve srovnání s ERM přesnější. Například odpor ERM se pohybuje od 30 (±20 %) do 46 Ω (±50 %), zatímco odpor HD-LA0803-LW10-R je specifikován jako 25 Ω (±15 %). Spotřeba energie HD-LA0803-LW10-R je asi 180 mW, (2 V_RMS x 90 mA), zatímco ERM mají spotřebu od 240 do 270 mW. Výše uvedený produkt LRA má rozsah provozních teplot -20 až +70°C.

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

Integrace do systému

Použití oboustranné lepící pásky je preferovanou metodou montáže pro hmatová zařízení ve tvaru mince, jelikož poskytuje nejlepší vibrační spojení se systémem. Produkty s oboustrannou lepící páskou zahrnují vodiče, které vyžadují připojení skrz otvory a ruční pájení k desce plošných spojů.

Tyčová, válcová a produkty ve tvaru hranolu se integrují dvěma způsoby. Pomocí oboustranné lepící pásky nebo pružinového kontaktu. Při použití oboustranné pásky obsahují tyto produkty flexibilní vodiče, které je nutné ručně připájet k desce. Pružinové kontakty kombinují vibrační vazbu s elektrickou konektivitou. Pružinové kontakty eliminují potřebu ručního pájení, zjednodušují montáž a snižují tak celkové náklady. Použitím pružinových kontaktů zjednodušujeme případnou opravu v terénu.

Řízení haptických produktů

I když použití driveru realizovaného diskrétními součástkami sníží náklady u relativně jednoduchých konstrukcí, může to mít negativní dopad na velikost řešení a pomalejší dobu uvedení na trh ve srovnání s integrovaným řešením. Pro aplikace, které vyžadují kompaktní a vysoce výkonné řešení, lze použít driver DRV2605L od Texas Instruments. DRV2605L je kompletní řídicí obvod s uzavřenou smyčkou, který může řídit produkty ERM i LRA (obrázek 4). DRV2605L je možné připojit k software TouchSense 2200 od Immersion s více než 100 licencovanými haptickými efekty a navíc nabízí zajímavou funkci pro převod zvuku na vibrace.

Obrázek 4: IC DRV2605L může řídit haptická zařízení LRA nebo ERM. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Testování vibrací

Vzhledem k tomu, že haptické produkty fungují na základě vibrací, je důležité, aby byla robustní. Společnost PUI Audio specifikovala testovací přípravek, který je vhodné použít pro testování vibrací (obrázek 5). Testovací přípravek může být použit pro sinusové vibrace, náhodné vibrace i mechanické rázy.

Obrázek 5: Zkušební přípravek pro vibrační testování hmatových zařízení. (Zdroj obrázku: PUI Audio)

Existují tři vibrační testy specifikované PUI Audio pro haptické produkty (viz tabulka 1). Po testování se produkty vypnou po dobu čtyř hodin a pak musí splňovat určité hodnoty pro jmenovitou rychlost (pro ERM ) nebo zrychlení ( pro LRA ), jakož i odpor, jmenovitý proud a hluk.

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

Kromě testování vibrací definovalo PUI Audio také testování nárazů :

• Zrychlení: Polosinusové 500 g
• Doba trvání: 2 ms
• Test: 3krát/6 nárazů - celkem 18 nárazů

Kritéria vyhovění/nevyhovění jsou stejná jako u vibračních zkoušek.

Měření akustického hluku

Klíčovou roli pro minimalizaci hladiny hluku hraje způsob montáže. PUI Audio doporučuje použití specifického testovacího přípravku pro měření akustického hluku z haptických produktů ( obrázek 6 ). Test by měl být proveden v odstíněné místnosti s 23 dBA okolního hluku.

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

Závěr

Hmatovou zpětnou vazbu lze využít ke zlepšení interakce HMI rozhraní. Při návrhu zařízení, které má obsahovat hmatový vjem je nutné porozumět technologiemi ERM a LRA, jak je efektivně řídit a jak je testovat, aby byla zajištěna spolehlivost potřebná úroveň hmatového vjemu.

Doporučené odkazy

• Bringing New Dimensions to HMI Implementation Without Needing Heavy Use of Resources
• How to Properly Implement Audible Alarms in Medical Monitoring

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Jeff Shepard.