Come utilizzare la tecnologia aptica per migliorare la percezione nelle interfacce uomo-macchina

L'esigenza di interfacce uomo-macchina (HMI) più efficaci e di una migliore percezione sta portando all'adozione della tecnologia aptica nelle applicazioni di Impresa 4.0, nei sistemi automotive, medicali e di pronto soccorso, nei dispositivi per Internet delle cose (IoT), in quelli indossabili e in altri dispositivi consumer. Ad esempio, i dispositivi aptici possono fornire il riscontro nei sistemi di formazione medica e di riabilitazione dei pazienti basati sulla VR (realtà virtuale) o sulla AR (realtà aumentata), oppure possono fornire avvisi potenziati nel volante per informare i conducenti di condizioni potenzialmente pericolose. La tecnologia aptica viene utilizzata anche in combinazione con altre tecnologie HMI, come il suono, per fornire interfacce sensoriali più coinvolgenti e realistiche.

Alcune delle sfide che i progettisti devono affrontare quando utilizzano la tecnologia aptica sono la scelta della tecnologia aptica corretta - massa eccentrica rotante (ERM) o attuatore risonante lineare (LRA) - la sua corretta integrazione in un sistema per ottenere il livello di riscontro desiderato, il suo azionamento e la comprensione di come testarne la resistenza alle vibrazioni, le prestazioni acustiche e l'affidabilità.

Questo articolo inizia con una breve rassegna dei vantaggi che il riscontro aptico può portare in diversi scenari applicativi. Presenta quindi varie opzioni di tecnologia aptica ed esempi reali di dispositivi aptici di PUI Audio. Illustra le modalità di integrazione dei dispositivi aptici nei sistemi, con un esempio di driver in CI aptici e si conclude illustrando le metodologie di verifica delle prestazioni in termini di resistenza alle vibrazioni e rumore.

Interfacce multisensoriali

La tecnologia aptica è sempre più utilizzata in combinazione con il riscontro visivo e uditivo per creare ambienti multisensoriali e migliorare l'interazione tra uomo e macchina. Le interfacce aptiche possono includere indumenti, guanti, schermi tattili e altri oggetti come dispositivi mobili e mouse per computer.

L'interazione multisensoriale è particolarmente utile negli ambienti in cui un elemento HMI non visivo, come la tecnologia aptica o il suono, può consentire all'utente di rimanere concentrato sul compito da svolgere, ad esempio nel controllo a distanza di macchinari o strumenti chirurgici o nella guida di un'automobile. L'integrazione della tecnologia aptica nelle interfacce HMI consente anche di migliorare l'interazione manuale con ambienti virtuali o sistemi remoti telecomandati. Per trarre il massimo beneficio dall'integrazione della tecnologia aptica in una HMI, i progettisti devono capire i compromessi prestazionali delle tecnologie aptiche.

Tecnologie dei dispositivi aptici

Le tecnologie aptiche più comuni sono ERM e LRA. Un ERM utilizza una massa decentrata sull'albero motore per provocare uno squilibrio e creare vibrazioni. I dispositivi ERM sono pilotati con tensioni in corrente continua (c.c.) relativamente semplici. L'uso dell'alimentazione c.c., unito a una struttura meccanica relativamente semplice, comporta diversi compromessi:

Vantaggi:

• Semplice da pilotare
• Basso costo
• Fattore di forma flessibile
• Integrazione del sistema più semplice per alcuni progetti

Svantaggi:

• Elevato consumo energetico
• Risposta lenta
• Soluzione di dimensioni maggiori

Anziché utilizzare una massa eccentrica per creare vibrazioni multiasse, un dispositivo LRA vibra con un movimento lineare utilizzando una bobina vocale, un magnete circolare e una molla. I dispositivi LRA richiedono comandi a corrente alternata (c.a.) per alimentare la bobina vocale. La corrente alternata crea un campo magnetico variabile nella bobina vocale che fa muovere il magnete verso l'alto e verso il basso. La molla collega il magnete all'alloggiamento del dispositivo, trasferendo l'energia vibrazionale al sistema. Poiché i dispositivi LRA si basano su una bobina vocale e non si affidano alle spazzole utilizzate negli ERM, consumano meno energia per una determinata intensità di vibrazione. La frenata può essere implementata pilotando un dispositivo LRA con uno spostamento di fase di 180°, accelerando i tempi di risposta.

I dispositivi LRA funzionano in modo efficiente in bande di risonanza relativamente strette (di solito da ±2 a ±5 Hz). A causa delle tolleranze di produzione, dell'invecchiamento dei componenti, delle condizioni ambientali e delle considerazioni sul montaggio, l'esatta frequenza di risonanza di un dispositivo LRA può variare, e questo complica la progettazione del circuito di azionamento. La tecnologia aptica LRA presenta ai progettisti una serie di vantaggi e svantaggi diversi rispetto ai dispositivi ERM:

Vantaggi:

• Tempi di risposta più rapidi
• Efficienza superiore
• Aumento dell'accelerazione
• Frenata possibile
• Dimensioni potenzialmente più piccole

Svantaggi:

• Frequenza di risonanza variabile
• Guida impegnativa
• Costo più elevato

Oltre alle differenze di funzionamento, i dispositivi ERM e LRA sono disponibili in diverse tipologie di contenitore. I dispositivi ERM possono avere contenitori a forma di moneta o lingotto, mentre gli LRA sono offerti in contenitori a forma di moneta, prisma (rettangolare) o di barile (Figura 1). I dispositivi ERM e LRA a moneta tendono ad avere un diametro di circa 8 mm e uno spessore di circa 3 mm. I dispositivi aptici ERM a forma di lingotto sono più grandi e misurano circa 12 mm di lunghezza per 4 mm di larghezza.

Figura 1: Gli ERM sono disponibili in contenitori a forma di lingotto o di moneta, mentre gli LRA sono disponibili nei formati a moneta, barile o prisma. (Immagine per gentile concessione di PUI Audio)

Dispositivi ERM a forma di moneta

Per applicazioni come i dispositivi indossabili che possono beneficiare di un dispositivo ERM a forma di moneta, i progettisti possono utilizzare HD-EM0803-LW20-R di PUI Audio, con un diametro di 8 mm e uno spessore di 3 mm. Le specifiche di HD-EM0803-LW20-R includono:

• Velocità nominale di 12.000 (±3.000) giri/min
• Resistenza terminale di 38 Ω (±50%)
• Tensione di ingresso di 3 V c.c.
• Assorbimento di corrente nominale di 80 mA
• Temperatura di funzionamento da -20 a +60 °C

Per i dispositivi che devono operare in ambienti termici più difficili, i progettisti possono rivolgersi al modello HD-EM1003-LW15-R, in grado di funzionare da -30 a +70 °C. Ha la stessa velocità nominale e le stesse dimensioni del modello HD-EM0803-LW20-R e presenta una resistenza terminale di 46 Ω (±50%) con un assorbimento di corrente nominale di 85 mA. Entrambi i dispositivi ERM a moneta possono essere pilotati con corrente continua positiva o negativa per il movimento in senso orario o antiorario. Sono dotati di cavi di 20 mm per collegamenti elettrici flessibili e producono un rumore acustico massimo di 50 dBA.

ERM a forma di lingotto

HD-EM1206-SC-R misura 12,4 mm di lunghezza per 3,8 mm di larghezza. La velocità nominale è di 12.000 (±3.000) giri/min, con alimentazione a 3 V c.c. È progettato per funzionare da -20 a +60 °C e produce un rumore acustico massimo di 50 dBA. I progetti che richiedono livelli inferiori di rumore acustico possono utilizzare HD-EM1204-SC-R (Figura 2). Questo prodotto produce un rumore acustico massimo di soli 45 dBA. Inoltre, rispetto a HD-EM1206-SC-R, ha una velocità nominale più elevata, pari a 13.000 (±3.000) giri/min, e un intervallo della temperatura di funzionamento più ampio, da -30 a +70 °C. Entrambi i dispositivi hanno una bassa resistenza terminale di 30 Ω (±20%) e un assorbimento di corrente nominale di 90 mA.

Figura 2: L'ERM HD-EM1204-SC-R è adatto alle applicazioni che richiedono bassi livelli di rumore acustico. (Immagine per gentile concessione di PUI Audio)

Dispositivo LRA

I progetti che richiedono tempi di risposta più rapidi, maggiore efficienza energetica e vibrazioni maggiori possono utilizzare il dispositivo LRA HD-LA0803-LW10-R di PUI Audio, con diametro di 8 mm e altezza di 3,2 mm (Figura 3). I dispositivi LRA sono più precisi rispetto ai dispositivi aptici ERM. Ad esempio, la resistenza dei dispositivi ERM varia da 30 (±20%) a 46 Ω (±50%), mentre la resistenza di HD-LA0803-LW10-R è specificata a 25 Ω (±15%). Il consumo energetico di HD-LA0803-LW10-R è di circa 180 mW, (2 V_RMS x 90 mA), mentre i dispositivi ERM discussi in precedenza consumano da 240 a 270 mW. Questo dispositivo LRA ha un intervallo della temperatura di funzionamento compreso tra -20 e +70 °C.

Figura 3: L'LRA HD-LA0803-LW10-R combina vibrazioni forti, tempi di risposta rapidi ed efficienza energetica. (Immagine per gentile concessione di PUI Audio)

Integrazione nel sistema

L'uso di nastro biadesivo è il metodo di assemblaggio preferito per i dispositivi aptici a forma di moneta, in quanto fornisce il miglior accoppiamento vibrazionale al sistema. I dispositivi con nastro biadesivo includono conduttori che richiedono connessioni a foro passante e saldature manuali al circuito stampato. I dispositivi a forma di lingotto,barile e prisma sono disponibili con due diversi stili di integrazione del sistema: nastro biadesivo e contatti a molla. Quando si utilizza il nastro biadesivo, questi dispositivi includono conduttori saldati a mano, come i dispositivi a moneta. L'uso di contatti a molla combina le funzioni di accoppiamento vibrazionale con la connettività elettrica. I contatti a molla eliminano la necessità di saldare a mano, semplificando l'assemblaggio e riducendo i costi. Inoltre, l'uso di contatti a molla può semplificare le riparazioni sul campo.

Pilotaggio di dispositivi aptici

Possono essere utilizzati circuiti di azionamento discreti con i dispositivi LRA e ERM. Se da un lato l'uso di un driver realizzato con componenti discreti può ridurre i costi, soprattutto per progetti relativamente semplici, dall'altro può comportare una soluzione di dimensioni maggiori e un time-to-market più lungo, rispetto a un driver in CI. Per le applicazioni che richiedono una soluzione compatta e ad alte prestazioni, i progettisti possono rivolgersi al modello DRV2605L di Texas Instruments. DRV2605L è un sistema di controllo completo ad anello chiuso per un riscontro tattile di alta qualità che può pilotare sia dispositivi ERM che LRA (Figura 4). DRV2605L include accesso al software TouchSense 2200 di Immersion con oltre 100 effetti aptici autorizzati e una funzione di conversione audio-vibrazioni.

Figura 4: Il CI DRV2605L può pilotare dispositivi aptici LRA o ERM. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Test di resistenza alle vibrazioni

Poiché i dispositivi aptici funzionano sulla base delle vibrazioni, è importante che abbiano una costruzione rinforzata. PUI Audio ha specificato una dima di prova da utilizzare per i test di resistenza alle vibrazioni, illustrata nella Figura 5. Il test è realizzato con un sistema di misura delle vibrazioni elettrodinamiche di livello industriale. Può essere programmato per la misura di vibrazioni specifiche per simulare varie condizioni come vibrazioni sinusoidali, vibrazioni casuali e impulsi di shock meccanico.

Figura 5: Dima di prova consigliata per le misure di vibrazioni dei dispositivi aptici. (Immagine per gentile concessione di PUI Audio)

I test di resistenza alle vibrazioni specificati da PUI Audio per i suoi dispositivi aptici sono tre (v. Tabella 1). Dopo il test e dopo che il dispositivo è fatto "riposare" per quattro ore, questo deve soddisfare le specifiche di velocità nominale (per i dispositivi ERM) o di accelerazione (per i modelli LRA), nonché di resistenza, corrente nominale e rumore.

Tabella 1: Specifiche di misura delle vibrazioni per i dispositivi aptici. (Tabella per gentile concessione di PUI Audio)

Oltre ai test di resistenza alle vibrazioni, PUI Audio ha definito i test di resistenza agli urti come segue:

• Accelerazione: semisinusoidale 500 g
• Durata: 2 millisecondi
• Test/faccia: 3 volte/6 facce per un totale di 18 shock

I criteri di superamento/non superamento sono gli stessi dei test di resistenza alle vibrazioni.

Misurazione del rumore acustico

Il livello di rumore acustico (meccanico) prodotto dai dispositivi aptici varia e il montaggio del dispositivo aptico riveste un ruolo fondamentale nel ridurre al minimo il livello di rumore. PUI Audio consiglia l'uso di una specifica configurazione di test per la misurazione del rumore acustico dei dispositivi aptici, illustrata nella Figura 6. Il test deve essere eseguito in una stanza schermata con 23 dBA di rumore ambientale. Se il dispositivo è montato sulla dima da 75 g come sarà installato nel sistema, questo test informerà i progettisti sul livello di rumore da aspettarsi dall'applicazione.

Figura 6: Dima di prova consigliata per la misurazione del rumore acustico dei dispositivi aptici. (Immagine per gentile concessione di PUI Audio)

Conclusione

Fornendo un riscontro tattile agli utenti, la tecnologia aptica può essere utilizzata per migliorare le prestazioni delle interfacce HMI e contribuire a creare ambienti multisensoriali ad alte prestazioni. Quando si considera l'uso della tecnologia aptica, tuttavia, i progettisti devono comprendere i compromessi tra le tecnologie ERM e LRA, come pilotarle efficacemente e come testarle per garantire i livelli necessari di affidabilità e prestazioni del sistema. Come si è visto, i dispositivi aptici sono facilmente reperibili, così come i driver e le procedure di prova.

Letture consigliate

1. Una nuova dimensione nell'implementazione di un'interfaccia uomo-macchina che non richiede un uso intensivo delle risorse
2. Come implementare correttamente gli allarmi acustici nel monitoraggio medicale