Hvordan man bruger haptik til at forbedre opfattelsen i HMI (Human-Machine Interface)

Behovet for mere effektive HMI (Human-Machine Interface) og forbedret perception er drivkraften bag indførelsen af haptik i industri 4.0-applikationer, automobiler, medicinske systemer og førstehjælpssystemer, Internet of things-enheder (IoT-enheder), wearables og andre forbrugerenheder. F.eks. kan haptiske enheder give feedback i VR (virtual reality) eller AR (augmented reality) baserede medicinske trænings- og patient rehabiliteringssystemer, eller de kan give forbedrede advarsler i et rat for at informere bilister om potentielt usikre forhold. Haptik anvendes også i kombination med andre HMI-teknologier som f.eks. lyd for at skabe mere fordybende og realistiske sensoriske interface's.

Nogle af de udfordringer, som designere står over for, når de bruger haptik, er at vælge den korrekte haptiske teknologi - excentrisk roterende masse (ERM) eller lineær resonansaktuator (LRA) - at integrere den korrekt i et system for at opnå det ønskede feedbackniveau, at drive den og at forstå, hvordan man tester vibrationer, støj og pålidelighed.

Denne artikel begynder med en kort gennemgang af de fordele, som haptisk feedback kan give i flere forskellige anvendelsesscenarier. Derefter introduceres mulighederne for haptisk teknologi sammen med eksempler fra PUI Audio på haptiske enheder fra den virkelige verden. Den diskuterer, hvordan man integrerer haptiske enheder i systemer, herunder et eksempel på en haptisk driver-IC, og slutter af med en detaljeret beskrivelse af metoder til test af vibrationer og støj.

Multi-sensoriske interface's

Haptik anvendes i stigende grad i kombination med visuel og auditiv feedback for at skabe multisensoriske miljøer og forbedret interaktion mellem mennesker og maskiner. Haptiske interface's kan omfatte tøj, handsker, touch-skærme og andre genstande som f.eks. mobile enheder og computermus.

Multi-sensorisk interaktion er især nyttig i miljøer, hvor et ikke-visuelt HMI-element som f.eks. haptik eller lyd kan gøre det muligt for brugeren at holde fokus på den aktuelle opgave, f.eks. fjernstyring af maskiner eller kirurgisk værktøj eller kørsel i bil. Integrering af haptik i HMI'er understøtter også forbedret manuel interaktion med virtuelle miljøer eller fjernbetjente fjernbetjente systemer. For at få det maksimale udbytte af at integrere haptik i en HMI skal designerne forstå de afvejninger, der er forbundet med haptiske teknologier, når det gælder ydeevne.

Teknologier til haptisk udstyr

De mest almindelige haptiske teknologier er ERM og LRA. En ERM bruger en excentrisk masse på motorakslen til at forårsage en ubalance og skabe vibrationer. ERM-enheder drives med relativt enkle DC-spændinger. Brugen af DC kombineret med deres relativt enkle mekaniske design har flere kompromiser:

Fordele:

• Enkel at køre
• Lav pris
• Fleksibel formfaktor
• Enklere systemintegration for visse konstruktioner

Ulemper:

• Højt energiforbrug
• Langsom reaktion
• Større opløsningsstørrelse

I stedet for at bruge en excentrisk masse til at skabe vibrationer i flere akser, vibrerer en LRA-enhed i en lineær bevægelse ved hjælp af en svingspole, en cirkulær magnet og en fjeder. LRA-enheder kræver AC-drev til at drive svingspolen. Vekselstrømmen skaber et variabelt magnetfelt i svingspolen, som får magneten til at bevæge sig op og ned. Fjederen forbinder magneten med anordningens hus og overfører vibrationsenergi til systemet. Da LRA-enheder er baseret på en svingspole og ikke er afhængige af de børster, der anvendes i ERM'er, bruger de mindre strøm for en given vibrationsstyrke. Bremsning kan gennemføres ved at køre en LRA-enhed med 180° faseforskydning, hvilket fremskynder responstiden.

LRA-enheder fungerer effektivt i relativt smalle resonansbånd (normalt ±2 til ±5 Hertz (Hz)). Som følge af fremstillingstolerancer, komponentældning, miljøforhold og monteringshensyn kan den nøjagtige resonansfrekvens for en LRA-enhed variere, hvilket komplicerer designet af drevkredsløbet. LRA-haptik giver designere et andet sæt fordele og ulemper end ERM-enheder:

Fordele:

• Hurtigere svartid
• Højere effektivitet
• Øget acceleration
• Bremsning er mulig
• Kan være mindre i størrelse

Ulemper:

• Resonansfrekvensen kan variere
• Udfordrende at køre
• Højere omkostninger

Ud over forskellene i deres funktion er tilgængelig ERM- og LRA-enheder i flere forskellige pakningsvarianter. ERM-enheder kan være i mønt- eller stangpakninger, mens LRA'er er i mønt-, prismatiske (rektangulære) eller tøndepakninger (figur 1). ERM- og LRA-enheder i møntstil har en diameter på ca. 8 mm og en tykkelse på ca. 3 mm. Bar-type ERM haptiske enheder er større og måler ca. 12 mm i længden og 4 mm i bredden.

Figur 1: ERM'er er tilgængelig i stang- eller møntpakker, mens LRA'er er tilgængelig i mønt-, tønde- eller prismeformat. (Billedkilde: PUI Audio)

Møntlignende ERM-enheder

Til applikationer som f.eks. wearables, der kan drage fordel af en ERM-enhed i møntstil, kan designere bruge HD-EM0803-LW20-R med en diameter på 8 mm og en tykkelse på 3 mm fra PUI Audio. Specifikationerne for HD-EM0803-LW20-R omfatter:

• Nominel hastighed på 12.000 (±3.000) omdrejninger pr. minut (rpm)
• Terminalmodstand på 38 ohm (Ω) (±50 %)
• Indgangsspænding på 3 volt DC
• Nominelt strømforbrug på 80 milliampere (mA)
• Driftstemperaturområde fra -20 til +60 grader Celsius (°C)

For enheder, der skal fungere i mere udfordrende termiske miljøer, kan designere henvende sig til HD-EM1003-LW15-R, der er beregnet til drift fra -30 °C til +70 °C. Den har samme nominelle hastighed og størrelse som HD-EM0803-LW20-R og har en terminalmodstand på 46 Ω (±50 %) med et nominelt strømforbrug på 85 mA. Begge disse ERM-enheder i møntstil kan drives med positiv eller negativ jævnstrøm for bevægelse med eller mod uret. De omfatter 20 mm ledningskabler til fleksible elektriske forbindelser og har en maksimal akustisk støj på 50 decibel (dBA) i omgivelserne.

Bar ERM'er

HD-EM1206-SC-R måler 12,4 mm i længden og 3,8 mm i bredden. Den har en nominel hastighed på 12.000 (±3.000) omdrejninger pr. minut, når den drives med 3 V DC. Den er beregnet til drift fra -20 til +60 °C og producerer højst 50 dBA akustisk støj. Design, der kræver lavere niveauer af akustisk støj, kan bruge HD-EM1204-SC-R (Figur 2). Dette giver en maksimal akustisk støj på kun 45 dBA. Den har også en højere nominel hastighed på 13.000 (±3.000) omdrejninger pr. minut og et større driftstemperaturområde på -30 °C til +70 °C sammenlignet med HD-EM1206-SC-R. Begge enheder har en lav terminalmodstand på 30 Ω (±20 %) og et nominelt strømforbrug på 90 mA.

Figur 2: HD-EM1204-SC-R ERM er velegnet til applikationer, der kræver et lavt akustisk støjniveau. (Billedkilde: PUI Audio)

LRA-anordning

Design, der kræver hurtigere responstider, større energieffektivitet og stærkere vibrationer, kan bruge PUI Audios 8 mm diameter og 3,2 mm høje HD-LA0803-LW10-R LRA-enhed (Figur 3). LRA-enheder er mere præcise i forhold til ERM-haptik. For eksempel varierer modstanden for ERM-enheder fra 30 (±20 %) til 46 Ω (±50 %), mens modstanden for HD-LA0803-LW10-R er specificeret til 25 Ω (±15 %). HD-LA0803-LW10-R's strømforbrug er ca. 180 milliwatt (mW) (2 V_RMS x 90 mA), mens de ERM-enheder, der er omtalt ovenfor, har et strømforbrug på 240 til 270 mW. Denne LRA-enhed har et driftstemperaturområde på -20 til +70 °C.

Figur 3: HD-LA0803-LW10-R LRA kombinerer stærke vibrationer, hurtige responstider og energieffektivitet. (Billedkilde: PUI Audio)

Systemintegration

Anvendelse af dobbeltklæbende tape er den foretrukne monteringsmetode til haptiske enheder i møntstil, og det giver den bedste vibrationskobling til systemet. Dobbeltklæbende tape-enheder omfatter ledninger, der kræver gennemgående hulforbindelser og håndlodning til printkortet. Bar-, barrel- og prismatiske enheder er tilgængelig med to forskellige systemintegrationstyper: Dobbeltklæbende tape og fjederkontakter. Når der anvendes dobbeltklæbende tape, omfatter disse enheder håndloddede ledninger ligesom møntlignende enheder. Brugen af fjederkontakter kombinerer funktionerne vibrationskobling og elektrisk tilslutning. Fjederkontakterne eliminerer behovet for håndlodning, hvilket forenkler monteringen og reducerer omkostningerne. Brugen af fjederkontakter kan også forenkle reparationer på stedet.

Kørsel af haptiske anordninger

Diskrete drevkredsløb kan anvendes med LRA- og ERM-enheder. Mens brugen af en driver fremstillet af diskrete komponenter kan sænke omkostningerne, især for relativt enkle designs, kan det resultere i en større løsning og en langsommere time-to-market sammenlignet med et driver-IC. Til applikationer, der kræver en kompakt og højtydende løsning, kan designere henvende sig til DRV2605L fra Texas Instruments. DRV2605L er et komplet styresystem med lukket kredsløb til taktil feedback af høj kvalitet, der kan styre både ERM- og LRA-enheder (Figur 4). DRV2605L omfatter adgang til TouchSense 2200-softwaren fra Immersion med over 100 licenserede haptiske effekter samt en lyd-til-vibrations-konverteringsfunktion.

Figur 4: DRV2605L-IC'en kan styre LRA- eller ERM-haptiske enheder. (Billedkilde: Texas Instruments)

Vibrationsprøvning

Da haptiske enheder fungerer på basis af vibrationer, er det vigtigt, at de er robust konstrueret. PUI Audio har specificeret en testmåtte, der skal anvendes til vibrationstest, som vist i figur 5. Testen gennemføres med et elektrodynamisk vibrationstestsystem af industriel kvalitet. Den kan programmeres til specifikke vibrationstest for at simulere forskellige forhold som f.eks. sinus vibrationer, tilfældige vibrationer og mekaniske stødpuls.

Figur 5: Anbefalet prøveopstilling til vibrationsprøvning af haptiske anordninger. (Billedkilde: PUI Audio)

PUI Audio har specificeret tre vibrationstest for deres haptiske enheder (se tabel 1). Når testen er gennemført, og apparaterne har "hvilet" i fire timer, skal de opfylde specifikationerne for nominel hastighed (for ERM-apparater) eller acceleration (for LRA-modeller) samt modstand, nominel strømstyrke og støj.

Tabel 1: Vibrationstestspecifikationer for haptiske anordninger. (Kilde til tabellen: PUI Audio)

Ud over vibrationstest har PUI Audio defineret stødtest som følger:

• Acceleration: Halvsinusformet 500 g
• Varighed: 2 millisekunder (ms)
• Test/overflade: I alt 18 stød: 3 gange/6 overflader

Kriterierne for bestået/ikke bestået er de samme som for vibrationsprøvning.

Måling af akustisk støj

Niveauet af akustisk (mekanisk) støj fra haptiske enheder varierer, og det spiller en afgørende rolle for minimeringen af støjniveauet, hvordan den haptiske enhed er monteret. PUI Audio anbefaler, at der anvendes en særlig testopstilling til måling af akustisk støj fra haptiske enheder, som vist i figur 6. Testen skal udføres i et afskærmet rum med 23 dBA omgivende støj. Hvis enheden er monteret på 75 g jiggen, som den skal installeres i systemet, vil denne test give designerne oplysninger om det støjniveau, de kan forvente fra applikationen.

Figur 6: Anbefalet prøveopstilling til måling af akustisk støj fra haptisk udstyr. (Billedkilde: PUI Audio)

Konklusion

Ved at give taktil feedback til brugerne kan haptik bruges til at forbedre HMI-ydelsen og bidrage til at skabe højtydende multisensoriske miljøer. Når man overvejer at bruge haptik, skal designere imidlertid forstå kompromiserne mellem ERM- og LRA-teknologier, hvordan man effektivt styrer dem, og hvordan man tester dem for at sikre, at de nødvendige niveauer for systemets pålidelighed og ydeevne opnås. Som det fremgår, er haptisk udstyr let tilgængeligt, og det samme gælder drivere og testprocedurer.

Anbefalet læsning

1. Nye dimensioner i implementeringen af HMI'er uden at det kræver store ressourcer
2. Sådan implementeres akustiske alarmer korrekt i medicinsk overvågning