Hoe haptiek te gebruiken voor betere perceptie in mens-machine-interfaces

De behoefte aan effectievere mens-machine-interfaces (HMI's) en een betere perceptie stimuleert de toepassing van haptiek in Industrie 4.0-toepassingen, de auto-industrie, medische systemen en systemen voor eerstehulpverleners, Internet of things (IoT)-apparaten, wearables en andere consumentenapparaten. Haptische toestellen kunnen bijvoorbeeld feedback geven in VR- (virtual reality) of AR- (augmented reality) gebaseerde medische opleiding en revalidatiesystemen voor patiënten, of ze kunnen verbeterde waarschuwingen geven in een stuurwiel om bestuurders te informeren over mogelijk onveilige omstandigheden. Haptiek wordt ook gebruikt in combinatie met andere MMI-technologieën, zoals geluid, om meer meeslepende en realistische zintuiglijke interfaces te bieden.

Enkele van de uitdagingen waarmee ontwerpers worden geconfronteerd bij het gebruik van haptiek zijn de keuze van de juiste haptische technologie - excentrisch roterende massa (ERM) of lineaire resonante actuator (LRA) - de juiste integratie ervan in een systeem om het gewenste niveau van feedback te bereiken, de aandrijving ervan, en begrijpen hoe de trilling, het geluidsniveau en de betrouwbaarheid ervan moeten worden getest.

Dit artikel begint met een kort overzicht van de voordelen die haptische feedback in verschillende toepassingsscenario's kan opleveren. Vervolgens worden opties voor haptische technologie geïntroduceerd, samen met praktijkvoorbeelden van haptische apparaten van PUI Audio. Er wordt besproken hoe haptische toestellen in systemen kunnen worden geïntegreerd, met inbegrip van een voorbeeld van een haptisch stuur-IC, en er wordt afgesloten met een gedetailleerde beschrijving van de methodologieën voor het testen van de trillings- en geluidsprestaties.

Multi-zintuiglijke interfaces

Haptiek wordt steeds vaker gebruikt in combinatie met visuele en auditieve feedback om multisensoriële omgevingen te creëren en de interactie tussen mens en machine te verbeteren. Haptische interfaces kunnen kleding, handschoenen, aanraakschermen en andere voorwerpen zoals mobiele toestellen en computermuizen omvatten.

Multisensoriële interactie is bijzonder nuttig in omgevingen waar een niet-visueel MMI-element zoals haptiek of geluid de gebruiker in staat kan stellen zich te blijven concentreren op de taak die hij moet uitvoeren, zoals het op afstand bedienen van machines of chirurgisch gereedschap of het besturen van een auto. De integratie van haptiek in MMI's ondersteunt ook een verbeterde handmatige interactie met virtuele omgevingen of op afstand bediende systemen. Om maximaal voordeel te halen uit de integratie van haptiek in een HMI, moeten ontwerpers inzicht hebben in de wisselwerking tussen de prestaties van haptische technologieën.

Haptische apparaattechnologieën

De meest gangbare haptische technologieën zijn ERM en LRA. Een ERM maakt gebruik van een excentrische massa op de motoras om een onbalans te veroorzaken en trillingen te veroorzaken. ERM-apparaten worden aangedreven met betrekkelijk eenvoudige gelijkstroomspanningen (DC). Het gebruik van gelijkstroom, in combinatie met hun relatief eenvoudige mechanische ontwerp, heeft een aantal nadelen:

Voordelen:

• Eenvoudig te besturen
• Lage kosten
• Flexibele vormfactor
• Eenvoudiger systeemintegratie voor sommige ontwerpen

Nadelen:

• Hoog energieverbruik
• Trage reactie
• Grotere oplossingsgrootte

In plaats van een excentrische massa te gebruiken om meerassige trillingen te creëren, trilt een LRA-apparaat in een lineaire beweging met behulp van een spreekspoel, een cirkelvormige magneet en een veer. LRA-apparaten hebben wisselstroomaandrijvingen nodig om de spreekspoel van stroom te voorzien. De wisselstroom creëert een variabel magnetisch veld in de spreekspoel, waardoor de magneet op en neer beweegt. De veer verbindt de magneet met de behuizing van het toestel, waardoor trillingsenergie wordt overgebracht op het systeem. Aangezien LRA-apparaten gebaseerd zijn op een spreekspoel en niet afhankelijk zijn van de borstels die in ERM's worden gebruikt, verbruiken zij minder stroom voor een bepaalde trillingssterkte. Remmen kan worden geïmplementeerd door een LRA-apparaat met 180° faseverschuiving aan te drijven, waardoor de reactietijden worden versneld.

LRA-apparaten werken efficiënt in betrekkelijk smalle resonantiebanden (gewoonlijk ±2 tot ±5 Hertz (Hz)). Als gevolg van fabricagetoleranties, veroudering van onderdelen, omgevingsfactoren en montageoverwegingen kan de exacte resonantiefrequentie van een LRA-apparaat variëren, wat het ontwerp van het aandrijfcircuit bemoeilijkt. LRA haptiek biedt ontwerpers een andere reeks voor- en nadelen in vergelijking met ERM toestellen:

Voordelen:

• Snellere reactietijd
• Hogere efficiëntie
• Verhoogde versnelling
• Remmen is mogelijk
• Kan kleiner van formaat zijn

Nadelen:

• Resonantiefrequentie kan variëren
• Uitdagend om te rijden
• Hogere kosten

Naast de verschillen in werking, zijn ERM en LRA toestellen verkrijgbaar in verschillende verpakkingsstijlen. ERM-apparaten kunnen in munt- of staafverpakkingen worden geleverd, terwijl LRA's in munt-, prismatische (rechthoekige), of tonverpakkingen worden geleverd (Afbeelding 1). ERM- en LRA-apparaten van het munttype hebben doorgaans een diameter van ongeveer 8 millimeter (mm) en een dikte van ongeveer 3 mm. ERM haptische toestellen van het staaftype zijn groter en meten ongeveer 12 mm lang bij 4 mm breed.

Afbeelding 1: ERM's zijn verkrijgbaar in staaf- of muntverpakkingen, terwijl LRA's verkrijgbaar zijn in munt-, ton- of prismatische formaten. (Bron afbeelding: PUI Audio)

ERM-apparaten in muntformaat

Voor toepassingen zoals wearables die baat kunnen hebben bij een ERM-apparaat in muntvorm, kunnen ontwerpers de 8 mm diameter en 3 mm dikte HD-EM0803-LW20-R van PUI Audio gebruiken. De specificaties van de HD-EM0803-LW20-R omvatten:

• Nominale snelheid van 12.000 (±3.000) omwentelingen per minuut (rpm)
• Aansluitweerstand van 38 ohm (Ω) (±50%)
• Ingangsspanning van 3 volt DC
• Nominale stroomopname van 80 milliampère (mA)
• Bedrijfstemperatuurbereik van -20 tot +60 graden Celsius (°C)

Voor apparaten die in een meer uitdagende thermische omgeving moeten werken, kunnen ontwerpers een beroep doen op de HD-EM1003-LW15-R, die geschikt is voor een bedrijfstemperatuur van -30 °C tot +70 °C. Hij heeft hetzelfde nominale toerental en dezelfde afmetingen als de HD-EM0803-LW20-R, en heeft een aansluitweerstand van 46 Ω (±50%) bij een nominaal stroomverbruik van 85 mA. Beide ERM-mechanismen in muntvorm kunnen worden aangestuurd met positieve of negatieve gelijkstroom voor bewegingen met de wijzers van de klok mee of tegen de wijzers van de klok in. Ze zijn voorzien van 20 mm aansluitdraden voor flexibele elektrische verbindingen en produceren een maximaal geluid van 50 decibel omgevingstemperatuur (dBA).

Bar ERM's

De HD-EM1206-SC-R is 12,4 mm lang en 3,8 mm breed. Hij heeft een nominaal toerental van 12.000 (±3.000) omw/min bij aandrijving met 3 volt gelijkstroom. Hij is geschikt voor gebruik bij temperaturen van -20 tot +60°C en produceert een geluidsniveau van maximaal 50 dBA. Ontwerpen die een lager niveau van akoestische ruis vereisen, kunnen gebruik maken van de HD-EM1204-SC-R (Afbeelding 2). Dit produceert een maximaal akoestisch geluid van slechts 45 dBA. Hij heeft ook een hoger nominaal toerental van 13.000 (±3.000) tpm, en een groter bedrijfstemperatuurbereik van -30 °C tot +70 °C, vergeleken met de HD-EM1206-SC-R. Beide apparaten hebben een lage aansluitweerstand van 30 Ω (±20%) en een nominaal stroomverbruik van 90 mA.

Afbeelding 2: De HD-EM1204-SC-R ERM is geschikt voor toepassingen die een laag akoestisch geluidsniveau vereisen. (Bron afbeelding: PUI Audio)

LRA-apparaat

Ontwerpen die snellere reactietijden, een grotere energie-efficiëntie en sterkere trillingen vereisen, kunnen gebruik maken van PUI Audio's 8 mm diameter bij 3,2 mm hoge HD-LA0803-LW10-R LRA-apparaat (figuur 3). LRA-apparaten zijn nauwkeuriger dan ERM-haptiek. De weerstand van ERM-apparaten varieert bijvoorbeeld van 30 (±20%) tot 46 Ω (±50%), terwijl de weerstand van de HD-LA0803-LW10-R is gespecificeerd als 25 Ω (±15%). Het stroomverbruik van de HD-LA0803-LW10-R is ongeveer 180 milliwatt (mW), (2_VRMS x 90 mA), terwijl de hierboven besproken ERM-apparaten tussen 240 en 270 mW verbruiken. Dit LRA-apparaat heeft een bedrijfstemperatuurbereik van -20 tot +70 °C.

Afbeelding 3: De HD-LA0803-LW10-R LRA combineert sterke trillingen, snelle reactietijden en energie-efficiëntie. (Bron afbeelding: PUI Audio)

Systeemintegratie

Het gebruik van dubbelzijdig plakband is de voorkeursmethode voor de assemblage van haptische toestellen in muntformaat, en zorgt voor de beste vibratiekoppeling met het systeem. Dubbelzijdige tape-apparaten bevatten looddraden die door gaatjesverbindingen vereisen en met de hand aan de printplaat moeten worden gesoldeerd. Bar-, barrel- en prismatische toestellen zijn verkrijgbaar met twee verschillende systeemintegratiestijlen: dubbelzijdige tape en veercontacten. Wanneer dubbelzijdig plakband wordt gebruikt, bevatten deze apparaten met de hand gesoldeerde looddraden, zoals munttoestellen. Het gebruik van veercontacten combineert de functies van trilkoppeling met elektrische connectiviteit. Dankzij de veercontacten hoeft niet meer met de hand te worden gesoldeerd, wat de assemblage vereenvoudigt en de kosten drukt. Ook het gebruik van veercontacten kan reparaties ter plaatse vereenvoudigen.

Besturing van haptische apparaten

Discrete aandrijfschakelingen kunnen worden gebruikt met LRA- en ERM-apparaten. Hoewel het gebruik van een driver met discrete componenten de kosten kan drukken, vooral voor relatief eenvoudige ontwerpen, kan het resulteren in een grotere oplossing en een tragere time-to-market, in vergelijking met een driver-IC. Voor toepassingen die een compacte en krachtige oplossing vereisen, kunnen ontwerpers zich wenden tot de DRV2605L van Texas Instruments. De DRV2605L is een compleet gesloten regelsysteem voor tactiele feedback van hoge kwaliteit dat zowel ERM- als LRA-apparaten kan aansturen (Afbeelding 4). De DRV2605L biedt toegang tot de TouchSense 2200 software van Immersion met meer dan 100 gelicentieerde haptische effecten, plus een conversiefunctie voor audio-naar-trilling.

Afbeelding 4: Het DRV2605L IC kan LRA of ERM haptische apparaten aansturen. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Trillingstesten

Aangezien haptische toestellen werken op basis van trillingen, is het belangrijk dat ze robuust gebouwd zijn. PUI Audio heeft een testopstelling gespecificeerd die moet worden gebruikt voor het testen van trillingen, zoals afgebeeld in Afbeelding 5. De test wordt uitgevoerd met een elektrodynamisch trillingstestsysteem van industriële kwaliteit. Hij kan worden geprogrammeerd voor specifieke trillingstests om diverse omstandigheden te simuleren, zoals sinustrilling, willekeurige trilling en mechanische schokpuls.

Afbeelding 5: Aanbevolen testopstelling voor het testen van de trillingen van haptische toestellen. (Bron afbeelding: PUI Audio)

Er zijn drie trillingstests die door PUI Audio voor hun haptische toestellen zijn gespecificeerd (zie Tabel 1). Nadat de tests zijn uitgevoerd en de toestellen vier uur hebben kunnen "rusten", moeten zij voldoen aan de specificaties voor de nominale snelheid (voor ERM-apparaten) of de versnelling (voor LRA-modellen), alsmede de weerstand, de nominale stroom en de ruis.

Tabel 1: Specificaties voor trillingstests voor haptische toestellen. (Bron tabel: PUI Audio)

Naast de trillingstests heeft PUI Audio de schoktests als volgt gedefinieerd:

• Versnelling: Half-sinusoïdaal 500 g
• Tijdsduur: 2 milliseconden (ms)
• Test/gezicht: 3 keer/6 gezichten voor een totaal van 18 schokken

De goedkeurings- en afkeuringscriteria zijn dezelfde als voor de trillingstest.

Meten van akoestische ruis

Het niveau van het door haptische toestellen geproduceerde akoestische (mechanische) geluid varieert, en de wijze waarop het haptische toestel is gemonteerd speelt een sleutelrol bij het minimaliseren van het geluidsniveau. PUI Audio beveelt het gebruik aan van een specifieke testopstelling voor het meten van het akoestische geluid van haptische toestellen, zoals afgebeeld in Afbeelding 6. De test moet worden uitgevoerd in een afgeschermde ruimte met 23 dBA aan omgevingsgeluid. Als het toestel op de 75 g mal wordt gemonteerd zoals het in het systeem zal worden geïnstalleerd, zal deze test de ontwerpers informeren over het geluidsniveau dat zij van de toepassing kunnen verwachten.

Afbeelding 6: Aanbevolen testopstelling voor het meten van het akoestische geluid van haptische toestellen. (Bron afbeelding: PUI Audio)

Conclusie

Door gebruikers tactiele feedback te geven, kan haptiek worden gebruikt om de HMI-prestaties te verbeteren en hoogwaardige multisensoriële omgevingen te creëren. Wanneer ontwerpers echter het gebruik van haptiek overwegen, moeten zij begrijpen wat de wisselwerking is tussen ERM- en LRA-technologieën, hoe zij deze effectief kunnen aansturen en hoe zij deze moeten testen om te verzekeren dat de vereiste niveaus van systeembetrouwbaarheid en -prestatie worden gerealiseerd. Zoals aangetoond, zijn haptische toestellen gemakkelijk verkrijgbaar, evenals stuurprogramma's en testprocedures.

Aanbevolen leesmateriaal

1. Nieuwe dimensies geven aan HMI-implementatie zonder veel middelen te hoeven gebruiken
2. Hoe akoestische alarmen correct te implementeren in medische bewaking