Utiliser l'haptique pour améliorer la perception dans les interfaces homme-machine

Le besoin d'interfaces homme-machine (IHM) plus efficaces et d'une perception améliorée favorise l'adoption de l'haptique dans les applications d'Industrie 4.0, les systèmes automobiles, médicaux et de première intervention, les dispositifs Internet des objets (IoT), les dispositifs corporels et d'autres dispositifs grand public. Par exemple, les dispositifs haptiques peuvent fournir une rétroaction dans les systèmes de formation et de rééducation médicales basés sur la réalité virtuelle (RV) ou la réalité augmentée (RA), ou fournir des alertes améliorées dans un volant pour informer les conducteurs de conditions potentiellement dangereuses. L'haptique est également utilisée en combinaison avec d'autres technologies IHM, comme le son, afin de fournir des interfaces sensorielles plus immersives et réalistes.

Certains des défis auxquels sont confrontés les concepteurs lorsqu'ils utilisent l'haptique sont le choix de la technologie haptique appropriée — masse rotative excentrique (ERM) ou actionneur linéaire résonant (LRA) —, l'intégration correcte dans un système pour obtenir le niveau de rétroaction souhaité, la commande et la manière de tester les performances en matière de vibrations, de bruit et de fiabilité.

Cet article commence par un aperçu des avantages que la rétroaction haptique peut apporter à plusieurs scénarios d'application. Il présente ensuite les possibilités offertes par la technologie haptique ainsi que des exemples pratiques de dispositifs haptiques de PUI Audio. Il aborde la manière d'intégrer les dispositifs haptiques dans les systèmes, y compris un exemple de circuit intégré de commande haptique, et conclut en détaillant les méthodologies pour tester les performances en matière de vibrations et de bruit.

Interfaces multi-sensorielles

L'haptique est de plus en plus utilisée en combinaison avec la rétroaction visuelle et auditive pour créer des environnements multi-sensoriels et améliorer l'interaction entre les humains et les machines. Les interfaces haptiques peuvent inclure des vêtements, des gants, des écrans tactiles et d'autres objets tels que des dispositifs mobiles et des souris d'ordinateur.

L'interaction multi-sensorielle est particulièrement utile dans les environnements où un élément IHM non visuel, comme l'haptique ou le son, peut permettre à l'utilisateur de rester concentré sur la tâche à accomplir, comme la commande à distance de machines ou d'outils chirurgicaux, ou la conduite d'une voiture. L'intégration de l'haptique dans les IHM permet également d'améliorer l'interaction manuelle avec les environnements virtuels ou les systèmes distants téléopérés. Pour tirer le meilleur parti de l'intégration de l'haptique dans une IHM, les concepteurs doivent comprendre les compromis de performances des technologies haptiques.

Technologies des dispositifs haptiques

Les technologies haptiques les plus courantes sont ERM et LRA. L'ERM utilise une masse décentrée sur l'arbre du moteur pour causer un déséquilibre et créer des vibrations. Les dispositifs ERM sont commandés par des tensions continues (CC) relativement simples. L'utilisation d'une alimentation CC, associée à leur conception mécanique relativement simple, implique plusieurs compromis :

Avantages :

• Commande simple
• Faible coût
• Facteur de forme flexible
• Intégration système plus simple pour certaines conceptions

Inconvénients :

• Consommation d'énergie élevée
• Réponse lente
• Solution plus volumineuse

Au lieu d'utiliser une masse excentrique pour créer des vibrations multi-axes, un dispositif LRA vibre selon un mouvement linéaire avec une bobine mobile, un aimant circulaire et un ressort. Les dispositifs LRA nécessitent des entraînements à courant alternatif (CA) pour alimenter la bobine mobile. Le courant alternatif crée un champ magnétique variable dans la bobine mobile qui fait monter et descendre l'aimant. Le ressort relie l'aimant au boîtier du dispositif, transférant ainsi l'énergie de vibration au système. Comme les dispositifs LRA sont basés sur une bobine mobile et ne dépendent pas des balais utilisés dans les ERM, ils consomment moins d'énergie pour une force de vibration donnée. Le freinage peut être réalisé en commandant un dispositif LRA avec un déphasage de 180°, ce qui accélère les temps de réponse.

Les dispositifs LRA fonctionnent efficacement dans des bandes de résonance relativement étroites (généralement ±2 Hertz (Hz) à ±5 Hz). En raison des tolérances de fabrication, du vieillissement des composants, des conditions environnementales et des considérations de montage, la fréquence de résonance exacte d'un dispositif LRA peut varier, ce qui complique la conception du circuit de commande. Par rapport aux dispositifs ERM, l'haptique LRA présente un ensemble différent d'avantages et d'inconvénients :

Avantages :

• Temps de réponse plus rapide
• Rendement supérieur
• Accélération accrue
• Freinage possible
• Format pouvant être plus compact

Inconvénients :

• Fréquence de résonance pouvant varier
• Commande difficile
• Coût plus élevé

Outre les différences de fonctionnement, les dispositifs ERM et LRA sont disponibles dans différents styles de boîtier. Les dispositifs ERM peuvent se présenter sous la forme de boîtiers de types boutons ou barres, tandis que les LRA se présentent sous la forme de boîtiers de types boutons, prismatiques (rectangulaires) ou cylindriques (Figure 1). Les dispositifs ERM et LRA de type bouton ont généralement un diamètre d'environ 8 millimètres (mm) et une épaisseur d'environ 3 mm. Les dispositifs haptiques ERM de type barre sont plus grands, mesurant environ 12 mm de long par 4 mm de large.

Figure 1 : Les ERM sont disponibles en boîtiers de types bouton ou barre, tandis que les LRA sont disponibles en formats boutons, prismatiques et cylindriques. (Source de l'image : PUI Audio)

Dispositifs ERM de type bouton

Pour les applications telles que les dispositifs corporels pouvant bénéficier d'un dispositif ERM de type bouton, les concepteurs peuvent utiliser le HD-EM0803-LW20-R de PUI Audio, mesurant 8 mm de diamètre et 3 mm d'épaisseur. Les spécifications du HD-EM0803-LW20-R incluent :

• Vitesse nominale de 12 000 (±3000) tours par minute (tr/min)
• Résistance de terminaison de 38 ohms (Ω) (±50 %)
• Tension d'entrée de 3 volts (V) CC
• Appel de courant nominal de 80 milliampères (mA)
• Plage de températures de fonctionnement de -20 degrés Celsius (°C) à +60°C

Pour les dispositifs devant fonctionner dans des environnements thermiques plus difficiles, les concepteurs peuvent se tourner vers le HD-EM1003-LW15-R, conçu pour fonctionner de -30°C à +70°C. Il présente la même vitesse nominale et le même format que le HD-EM0803-LW20-R, et une résistance de terminaison de 46 Ω (±50 %) avec un appel de courant nominal de 85 mA. Ces deux dispositifs ERM de type bouton peuvent être commandés par un courant CC positif ou négatif pour un mouvement dans le sens horaire ou anti-horaire. Ils sont dotés de fils de 20 mm pour des connexions électriques flexibles et produisent un bruit acoustique maximum de 50 décibels ambiants (dBA).

ERM de type barre

Le HD-EM1206-SC-R mesure 12,4 mm de long par 3,8 mm de large. Il a une vitesse nominale de 12 000 (±3000) tr/min lorsqu'il est commandé avec 3 VCC. Il est répertorié pour un fonctionnement de -20°C à +60°C et produit un bruit acoustique maximum de 50 dBA. Les conceptions exigeant des niveaux de bruit acoustique inférieurs peuvent utiliser le HD-EM1204-SC-R (Figure 2). Ce dispositif produit un bruit acoustique maximum de seulement 45 dBA. Il présente également une vitesse nominale plus élevée de 13 000 (±3000) tr/min, et une plage de températures de fonctionnement plus étendue de -30°C à +70°C, par rapport au HD-EM1206-SC-R. Les deux dispositifs présentent une faible résistance de terminaison de 30 Ω (±20 %) et un appel de courant nominal de 90 mA.

Figure 2 : L'ERM HD-EM1204-SC-R convient aux applications exigeant de faibles niveaux de bruit acoustique. (Source de l'image : PUI Audio)

Dispositifs LRA

Les conceptions qui requièrent des temps de réponse plus rapides, un rendement énergétique supérieur et des vibrations plus élevées peuvent utiliser le dispositif LRA HD-LA0803-LW10-R de PUI Audio, mesurant 8 mm de diamètre et 3,2 mm de hauteur (Figure 3). Les dispositifs LRA sont plus précis que les dispositifs haptiques ERM. Par exemple, la résistance des dispositifs ERM s'étend de 30 Ω (±20 %) à 46 Ω (±50 %), tandis que la résistance du HD-LA0803-LW10-R est spécifiée à 25 Ω (±15 %). La consommation d'énergie du HD-LA0803-LW10-R est d'environ 180 milliwatts (mW), (2 V_RMS x 90 mA), tandis que les dispositifs ERM mentionnés précédemment consomment de 240 mW à 270 mW. Ce dispositif LRA affiche une plage de températures de fonctionnement de -20°C à +70°C.

Figure 3 : Le LRA HD-LA0803-LW10-R combine des vibrations élevées, des temps de réponse rapides et un rendement énergétique supérieur. (Source de l'image : PUI Audio)

Intégration système

Le ruban adhésif double face est la méthode d'assemblage privilégiée pour les dispositifs haptiques de type bouton, car il permet le meilleur couplage des vibrations au système. Les dispositifs à ruban double face incluent des fils conducteurs qui nécessitent des connexions traversantes et la soudure manuelle au circuit imprimé. Les dispositifs de types barres, cylindriques et prismatiques sont disponibles avec deux styles d'intégration système différents : ruban adhésif double face et contacts à ressort. Lorsque du ruban adhésif double face est utilisé, ces dispositifs incluent des fils à souder à la main, comme les dispositifs de type bouton. L'utilisation de contacts à ressort combine des fonctions de couplage des vibrations et de connectivité électrique. Les contacts à ressort éliminent le recours à la soudure manuelle, ce qui simplifie l'assemblage et réduit les coûts. En outre, l'utilisation de contacts à ressort peut simplifier les réparations sur le terrain.

Commande de dispositifs haptiques

Des circuits de commande discrets peuvent être utilisés avec les dispositifs LRA et ERM. Si l'utilisation d'un circuit d'attaque fabriqué à partir de composants discrets peut réduire les coûts, en particulier pour les conceptions relativement simples, elle peut entraîner une solution plus volumineuse et un délai de mise sur le marché plus long par rapport à un circuit d'attaque intégré. Pour les applications qui nécessitent une solution compacte et hautes performances, les concepteurs peuvent se tourner vers le DRV2605L de Texas Instruments. Le DRV2605L est un système de commande en boucle fermée complet pour une rétroaction tactile de haute qualité, capable de commander des dispositifs ERM et LRA (Figure 4). Le DRV2605L inclut l'accès au logiciel TouchSense 2200 d'Immersion avec plus de 100 effets haptiques sous licence, ainsi qu'une fonction de conversion audio-vibration.

Figure 4 : Le circuit intégré DRV2605L peut commander des dispositifs haptiques LRA ou ERM. (Source de l'image : Texas Instruments)

Tests de vibrations

Comme les dispositifs haptiques fonctionnent sur la base des vibrations, il est important qu'ils soient construits de manière robuste. PUI Audio a spécifié un gabarit à utiliser pour les tests de vibrations, illustré à la Figure 5. Le test est réalisé avec un système de test de vibrations électrodynamiques de grade industriel. Il peut être programmé pour des tests de vibrations spécifiques afin de simuler diverses conditions telles que des vibrations sinusoïdales, des vibrations aléatoires et des impulsions de chocs mécaniques.

Figure 5 : Gabarit de test recommandé pour les tests de vibrations des dispositifs haptiques. (Source de l'image : PUI Audio)

PUI Audio a spécifié trois tests de vibrations pour ses dispositifs haptiques (voir Tableau 1). Après les tests et une période de repos de quatre heures, les dispositifs doivent répondre aux spécifications de vitesse nominale (pour les dispositifs ERM) ou d'accélération (pour les modèles LRA), ainsi qu'aux spécifications de résistance, de courant nominal et de bruit.

Tableau 1 : Spécifications des tests de vibrations pour les dispositifs haptiques. (Source du tableau : PUI Audio)

En plus des tests de vibrations, PUI Audio a défini les tests de choc comme suit :

• Accélération : demi-sinusoïdale 500 g
• Durée : 2 millisecondes (ms)
• Test/face : 3 fois/6 faces pour un total de 18 chocs

Les critères de réussite/d'échec sont les mêmes que pour les tests de vibrations.

Mesure du bruit acoustique

Le niveau de bruit acoustique (mécanique) produit par les dispositifs haptiques varie. La façon dont le dispositif haptique est monté joue un rôle clé dans la réduction du niveau de bruit. PUI Audio recommande l'utilisation d'une configuration de test spécifique pour mesurer le bruit acoustique des dispositifs haptiques, comme illustré à la Figure 6. Le test doit être effectué dans une pièce blindée avec un bruit ambiant de 23 dBA. Si le dispositif est monté sur le gabarit de 75 g tel qu'il sera installé dans le système, ce test renseigne les concepteurs sur le niveau de bruit à attendre de l'application.

Figure 6 : Gabarit de test recommandé pour mesurer le bruit acoustique d'un dispositif haptique. (Source de l'image : PUI Audio)

Conclusion

En fournissant une rétroaction tactile aux utilisateurs, l'haptique peut être utilisée pour améliorer les performances des IHM et aider à créer des environnements multi-sensoriels performants. Toutefois, lorsqu'ils envisagent d'utiliser l'haptique, les concepteurs doivent comprendre les compromis entre les technologies ERM et LRA, et savoir comment les commander efficacement et comment les tester pour s'assurer que les niveaux requis de fiabilité et de performances système sont atteints. Comme illustré, les dispositifs haptiques sont facilement disponibles, de même que les circuits de commande et les procédures de test.

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