כיצד להשתמש בהאפטיקה (Haptics) עבור תפיסה משופרת בממשקי אדם-מכונה

הצורך בממשקי אדם-מכונה (HMIs) יעילים יותר ותפיסה משופרת מניעים את האימוץ של האפטיקה ביישומי Industry 4.0, מערכות רפואיות ותגובה ראשונה בחרום, רכב, התקני אינטרנט של דברים (IoT), לבישים והתקני צרכנים אחרים. לדוגמה, התקנים האפטיים (Haptic‏) יכולים לספק משוב במערכות אימון רפואי ושיקום חולים המבוססות VR (מציאות מדומה) או AR (מציאות רבודה), או הם יכולים לספק התרעות משופרות בגלגל ההגה כדי לידע נהגים על מצבים לא בטוחים פוטנציאליים. האפטיקה (Haptics) משמשת גם בשילוב עם טכנולוגיות HMI אחרות כגון צליל לאספקת ממשקים חושיים סוחפים ומציאותיים יותר.

חלק מהאתגרים העומדים בפני מתכננים כשמשתמשים בהאפטיקה הם בחירת הטכנולוגיה ההאפטית הנכונה—מסה מסתובבת אקסצנטרית (ERM) או מפעיל תהודה ליניארית (LRA)—שילובה הנכון במערכת כדי להשיג את רמת המשוב המבוקשת, דחיפתה וההבנה כיצד לבדוק את הרעידות, ביצועי הרעש והאמינות שלה.

מאמר זה מתחיל עם סקירה קצרה של היתרונות שמשוב האפטי יכול להביא ‏למספר תרחישי יישום. אחר כך הוא מציג אופציות טכנולוגיה האפטית יחד עם דוגמאות של העולם-האמיתי מבית PUI Audio. המאמר דן בשאלה כיצד לשלב התקנים האפטיים במערכות, כולל דוגמה של IC דרייבר הפטי, ומסיים בפירוט מתודולוגיות לבדיקת רעידות וביצועי רעש.

ממשקים רב-חושיים

משתמשים יותר ויותר בהאפטיקה בשילוב עם משוב חזותי ושמיעתי ליצירת סביבות רב-חושיות ואינטראקציה מוגדלת בין בני אדם ומכונות. ממשקים האפטיים יכולים לכלול בגדים, כפפות, מסכי מגע ופריטים אחרים כגון התקנים ניידים ועכברי מחשב.

אינטראקציה רב-חושית היא שימושית במיוחד בסביבות בהן אלמנט HMI לא-חזותי כמו האפטיקה או צליל יכול לאפשר למשתמש לשמור על מיקוד במשימה שעל הפרק, כמו בקרת מכונה או כלי ניתוח מרחוק, או לנהוג מכונית. שילוב של האפטיקה בתוך ממשקי HMI תומך גם באינטראקציה ידנית מוגברת עם סביבות וירטואליות או מערכות מופעלות מרחוק. כדי להפיק את התועלת המקסימלית משילוב האפטיקה ב-HMI, מתכננים חייבים להבין את פשרות הביצועים של טכנולוגיות האפטיות.

טכנולוגיות התקן האפטי

הטכנולוגיות ההאפטיות הנפוצות ביותר הן ERM ו-LRA. טכנולוגיית‏ ERM משתמשת‏ במסה המרוכזת מחוץ למרכז על גל המנוע כדי לגרום לחוסר איזון וליצירת רעידות. התקני ERM נדחפים על ידי מתחי זרם ישר (DC) פשוטים יחסית . לשימוש במתח DC,‏ בשילוב עם התכנון המכני הפשוט יחסית שלהם, יש מספר פשרות:

יתרונות:

• פשוטים לדחיפה
• עלות נמוכה
• גורם צורה גמיש
• אינטגרציית מערכת פשוטה יותר עבור תכנים מסוימים

חסרונות:

• צריכת אנרגיה גבוהה
• תגובה איטית
• גודל פתרון גדול יותר

במקום להשתמש במסה לא ממורכזת כדי ליצור רעידות מרובות-צירים, התקן LRA רועד בתנועה ליניארית תוך שימוש ב‏סליל קול (voice coil), מגנט עגול וקפיץ. התקני LRA דורשים דוחפי זרם חילופין (AC) להזנת סליל הקול (voice coil). ה-AC‏ יוצר שדה מגנטי משתנה בסליל הקול, שגורם לתנועת המגנט מעלה מטה.‏ הקפיץ מחבר את המגנט לבית ההתקן, תוך העברת אנרגיה של רעידות למערכת. מאחר והתקני LRA מבוססים על סליל קול (voice coil) ואינם סומכים על המברשות המשמשות בהתקני ERM, הם צורכים פחות הספק עבור עוצמת רעידות נתונה. ניתנת לממש בלימה על ידי דחיפת התקן‏ LRA עם היסט פאזה של °‏180‏, תוך זרוז זמן תגובה.

התקני LRA עובדים ביעילות בפסי תהודה צרים יחסית (בדרך כלל ±2 עד 5‏± הרץ (Hz‏)). כתוצאה מטולרנסים של ייצור, התיישנות רכיבים, תנאים סביבתיים ושיקולי הרכבה, תדר התהודה המדויק של התקן‏ LRA יכול להשתנות, דבר המסבך את התכנון של מעגל הדחיפה. האפטיקה LRA מציגה למתכננים סט יתרונות וחסרונות‏ שונה בהשוואה להתקני ERM:

יתרונות:

• זמן תגובה מהיר יותר
• נצילות גבוהה יותר
• תאוצה מוגדלת
• בלימה היא אפשרית
• יכולה להיות קטנה יותר בגודל

חסרונות:

• תדר תהודה יכול להשתנות
• מאתגרת לדחיפה
• עלות גבוהה יותר

בנוסף להבדלים בפעולתם, התקני ERM ו-LRA זמינים במספר סגנונות מארז. התקני ERM יכולים להיות במארזי מטבע או מוט, בעוד התקני LRA הם במארזי מטבע, מנסרה (מלבני) או גליל (איור 1‏). התקני ERM ו-LRA בסגנון מטבע נוטים להיות בערך בקוטר של 8 מילימטר (מ"מ) ובערך בעובי של 3 מ"מ . התקנים האפטיים ERM מסוג מוט הם גדולים יותר, בערך במידות של 12 מ"מ אורך על 4 מ"מ רוחב.

איור 1: התקני ‏ERM זמינים במארזי מוט או מטבע, בעוד התקני LRA באים בתבניות מטבע, גליל או מנסרה. (מקור תמונה: PUI Audio)

התקני ERM בסגנון מטבע

עבור יישומים כמו התקנים לבישים שיכולים להפיק תועלת מהתקן‏ ERM בסגנון-מטבע, מתכננים יכולים להשתמש ב-8 מ"מ קוטר על 3‏ מ"מ עובי HD-EM0803-LW20-R מבית PUI Audio. מפרטי ה-HD-EM0803-LW20-R כוללים:

• מהירות נקובה של 12,000 (±3,000) סיבובים לדקה (rpm)
• התנגדות בין הדקים (terminal resistance) של 38 אוהם (Ω‏) (±50%)
• מתח כניסה של 3 וולט DC
• משיכת זרם נומינלי של 80 מיליאמפר (mA)
• תחום טמפרטורות עבודה של 20- עד 60+ מעלות צלזיוס (°C)

עבור התקנים הנדרשים לעבוד בסביבות תרמיות מאתגרות יותר, מתכננים יכולים לפנות אל ה-HD-EM1003-LW15-R, המדורג לעבוד מ-30°C- עד 70°C‏+. הוא בעל אותה מהירות נקובה וגודלו זהה ל-HD-EM0803-LW20-R, וכולל התנגדות בין הדקים (terminal resistance) של 46‎ Ω‏ (±50%) עם משיכת זרם‏ נומינלי של ‎85 mA‏. שני התקני ה-ERM בסגנון מטבע האלה ניתנים לדחיפה ב-DC חיובי או שלילי עבור תנועה בכיוון השעון או נגד כיוון השעון. הם כוללים חוטים מוליכים באורך ‏20‏ מ"מ עבור חיבורים חשמליים גמישים ומייצרים רעש אקוסטי‏ מקסימלי של 50 דציבלים סביבה (dBA).

התקני ERM מוט

מידות ה-HD-EM1206-SC-R הן 12.4 מ"מ אורך על 3.8 מ"מ רוחב. הם בעלי מהירות נקובה של ‎12,000 (±3,000) rpm‏ כשנדחפים על ידי 3‏ וולט DC‏. הם מדורגים לעבוד מ-20- עד 60‎°C+ ומייצרים רעש אקוסטי‏ מקסימלי של 50‎ dBA. תכנים הדורשים רמות נמוכות יותר של רעש אקוסטי יכולים להשתמש ב-HD-EM1204-SC-R (איור 2‏). זה מייצר רעש‏ אקוסטי מקסימלי של ‎45 dBA בלבד. הוא גם בעל מהירות נקובה גבוהה יותר של 13,000‎ (±3,000) rpm, ותחום טמפרטורות עבודה רחב יותר של ‎30°C- עד 70‎°C+, בהשוואה ל-HD-EM1206-SC-R. שני ההתקנים הם בעלי התנגדות בין הדקים (terminal resistance) של 30‎ Ω‏ (‎±20%) ומשיכת זרם‏ נומינלי של ‎90 mA‏.

איור 2‏: ה-HD-EM1204-SC-R ERM מתאים עבור יישומים הדורשים רמות רעש אקוסטי נמוכות. (מקור תמונה: PUI Audio)

התקני LRA

תכנים הדורשים זמני תגובה מהירים יותר, יעילות-אנרגטית גדולה יותר ורעידות חזקות יותר יכולים להשתמש בהתקן LRA ‏8 מ"מ קוטר על 3.2 מ"מ גובה HD-LA0803-LW10-R של PUI Audio (איור 3‏). התקני LRA הם מדויקים יותר, בהשוואה להאפטיקה ERM. לדוגמה, ההתנגדות של התקני ERM נעה מ-30 (‎±20%‏) עד 46‎ Ω‏ (±50%), בעוד ההתנגדות של ה-HD-LA0803-LW10-R מוגדרת להיות Ω‏ 25‏ (%‏15‏±). צריכת ההספק של ה-HD-LA0803-LW10-R היא בערך 180 מיליוואט (mW)‏, (2‎ V_RMS x ‎90 mA), בעוד התקני ה-ERM הנידונים למעלה צורכים מ-240 עד ‎270 mW‏. התקן LRA זה הוא בעל תחום טמפרטורות עבודה של 20- עד 70°C+.

איור 3‏: ה-HD-LA0803-LW10-R LRA משלב רעידות חזקות, זמני תגובה מהירים ויעילות אנרגטית. (מקור תמונה: PUI Audio)

אינטגרציית מערכת

השימוש בסרט דו-צדדי הוא שיטת ההרכבה המועדפת להתקנים האפטיים בסגנון מטבע, והוא מספק את צימוד הרעידות הטוב ביותר למערכת. התקני סרט דו-צדדי כוללים חוטים מוליכים הדורשים חיבורי חור-עובר והלחמה ידנית ללוח המעגל. התקני מוט, גליל ומנסרה זמינים בשני סגנונות אינטגרציית מערכת שונים: סרט דו-צדדי ומגעי קפיץ. כשמשתמשים בסרט דו-צדדי, התקנים אלה כוללים חוטים מולחמים ביד כמו התקנים בסגנון מטבע. השימוש במגעי קפיץ משלב את הפונקציות של רעידות בצימוד עם חיבוריות חשמלית. מגעי הקפיץ מבטלים את הצורך בהלחמה ידנית, מפשטים הרכבה ומקטינים עלויות. כמו כן, השימוש במגעי קפיץ יכול לפשט תיקוני שדה.

דחיפת התקנים האפטיים

ניתן להשתמש במעגלי דחיפה עשוים מרכיבים בדידים עם התקני LRA ו-ERM. בעוד השימוש בדרייבר העשוי מרכיבים בדידים יכול להנמיך עלויות,‏ במיוחד עבור תכנים פשוטים יחסית, הוא יכול לגרום לפתרון גדול יותר וזמן יציאה לשוק ארוך יותר, בהשוואה לדרייבר IC.‏ עבור יישומים הדורשים פתרון‏ קומפקטי עם ביצועים-עיליים, מתכננים יכולים לפנות אל ה-DRV2605L מבית Texas Instruments. דרייבר ה-DRV2605L‏ הוא מערכת בקרה חוג-סגור שלמה עבור משוב מישושי באיכות גבוהה שיכולה לדחוף התקני ERM כמו גם LRA (איור 4‏). ה-DRV2605L כולל גישה אל תוכנת ה-TouchSense 2200 מבית Immersion עם יותר מ-100 אפקטים האפטיים מורשים, ועוד פונקציית המרה של אודיו לרעידות.‏

איור 4‏: המעגל המשולב DRV2605L יכול לדחוף התקנים האפטיים ERM או LRA. (מקור תמונה: Texas Instruments)

בדיקת רעידות

מאחר והתקנים האפטיים עובדים על הבסיס של רעידות, חשוב שהם יהיו בנויים בצורה קשוחה. PUI Audio הגדירה‏ מקבע (Jig) בדיקה לשימוש עבור בדיקת רעידות, מוצג באיור 5‏. הבדיקה מיושמת באמצעות‏ מערכת בדיקת רעידות אלקטרודינמיות בדרוג-תעשיה. ניתן לתכנת אותה עבור בדיקת רעידות ספציפית כדי לבצע סימולציה של מצבים שונים כגון רעידות סינוס, רעידות אקראיות ופולס זעזוע מכני.

איור 5: מקבע (Jig) בדיקה מומלץ עבור בדיקת רעידות של התקנים האפטיים. (מקור תמונה: PUI Audio)

ישנן שלוש בדיקות רעידות מוגדרות על ידי PUI Audio עבור ההתקנים ההאפטיים שלהם (ראה טבלה 1‏). לאחר ביצוע הבדיקה וההתקנים “נחו” במשך ארבע שעות, הם נדרשים לעמוד במפרטים של מהירות נקובה (עבור התקני ERM) או תאוצה נקובה (עבור דגמי LRA), כמו גם התנגדות, זרם נקוב ורעש.

טבלה 1‏: מפרטי בדיקת רעידות עבור התקנים האפטיים. (מקור טבלה: PUI Audio)

בנוסף לבדיקת רעידות, PUI Audio הגדירה בדיקת זעזועים כדלקמן:

• תאוצה: ‎500 g חצי-סינוסואידאלית
• משך זמן: 2‏ מילי-שניות (ms‏)
• בדיקה/פנים: 3‏ פעמים/6 פנים, סה"כ 18 זעזועים

קריטריונים עובר/נכשל הם זהים לקריטריונים עבור בדיקת רעידות.

מדידת רעש אקוסטי

רמת הרעש האקוסטי (מכני) המיוצרת על ידי התקנים האפטיים משתנה, כשאופן ההרכבה של ההתקן ההאפטי משחק תפקיד חשוב בהקטנת רמת הרעש למינימום. PUI Audio ממליצה על השימוש במערך בדיקה מיוחד עבור מדידת הרעש האקוסטי מהתקנים האפטיים, מוצג באיור 6. הבדיקה צריכה להתבצע בחדר מוגן עם רעש סביבה של 23‎ dBA. אם ההתקן מורכב למקבע (Jig) ה-75‎ g כפי שיהיה מותקן במערכת, בדיקה זו תידע מתכננים על רמת הרעש שיש לצפות מהיישום.

איור 6‏: מקבע (Jig) בדיקה מומלץ עבור בדיקת רעש אקוסטי של התקן האפטי. (מקור תמונה: PUI Audio)

מסקנה

על ידי אספקת משוב מישושי למשתמשים, ניתן להשתמש בהאפטיקה כדי לשפר ביצועי HMI ולסייע ליצור סביבות רב-חושיות ביצועים-עיליים. עם זאת, כששוקלים את השימוש בהאפטיקה, מתכננים חייבים להבין את הפשרות בין טכנולוגיות ERM ו-LRA, כיצד לדחוף אותן באפקטיביות וכיצד לבדוק אותן כדי להבטיח שהרמות הדרושות של אמינות וביצועי מערכת מוגשמות. כמתואר, התקנים האפטיים זמינים מן המוכן, כמו גם דרייברים ונהלי בדיקה.

קריאה מומלצת

1. הבאת ממדים חדשים למימוש HMI ללא הצורך בשימוש כבד של משאבים
2. כיצד לממש כראוי התרעות קוליות בניטור רפואי