Haptische Vibration und Feedback in Wearables steuern

Erweiterte Realität, virtuelle Chirurgie, Gliedmaßenersatz, medizinische Geräte und andere neue Technologien müssen haptische Vibrationsmotoren und Feedback integrieren, um dem Träger ein vollständiges Gefühl dafür zu geben, wie sie mit ihrer Umgebung interagieren. Wenn diese Spitzentechnologien nicht haptische Vibration und Feedback beinhalten, sind die Benutzer gezwungen, sich auf ihre anderen vier Sinne zu verlassen, um die reale oder virtuelle Umgebung zu verstehen. Günstige Komponenten zur Unterstützung von haptischem Feedback sind seit den Tagen der Klapphandys verfügbar, um diese Anwendungen zu unterstützen, und Designer sind nur durch ihre Vorstellungskraft begrenzt.

Nach einer kürzlichen Anfrage eines neuen Kunden musste ich in die Welt der haptischen Vibration und des Feedbacks eintauchen. Wenn Sie ein Audioelektronik-Designer sind, dann sind Sie wahrscheinlich mit Transduktoren vertraut und wissen, wie man sie mit Verstärkern, MCUs oder anderen Komponenten paart. Unabhängig davon, ob Sie mit Transduktoren vertraut sind, gibt es ein eingebettetes Softwareproblem zu lösen, insbesondere wenn man die Sensoren betrachtet, die verwendet werden, um haptisches Feedback auszulösen.

Auswahl eines haptischen Vibrationsmotors

Ein haptischer Vibrationsmotor kommt in zwei Varianten vor: variable Amplitude und variable Frequenz. Offensichtlich können diese Motoren in verschiedene Motorenstrukturen unterteilt werden, wie vertikal oszillierende, lineare und exzentrisch rotierende Massen (ERM) Vibrationsmotoren. Die ERM-Motoren waren in alten Pagern und frühen Mobiltelefonen üblich. Vertikal oszillierende Motoren und lineare Motoren sind ähnlich in der Art, wie sie eine Kraft gegen ein Paket antreiben. Diese Motoren können auf der Platine oder am Paket über ein Paar Drähte montiert werden.

Der oben gezeigte Münz-/Pfannkuchenstil ist im Grunde ein amplitudenkontrollierter Gleichstrommotor, bei dem die Frequenz durch Verändern der vom Motor gesehenen Gleichspannung von ~10000 bis ~15000 U/min variiert werden kann. Die zum Betrieb dieser Motoren erforderliche Gleichspannung liegt typischerweise zwischen 2 und 5 V, und die Geräte benötigen zwischen ~50 und ~100 mA. Eine Reihe von Studien hat in den letzten 2 Jahrzehnten ergeben, dass die optimale Vibrationsfrequenz für Haptik zwischen 150 Hz und 180 Hz liegt. Es sind auch AC-Versionen verfügbar (siehe die Tabelle unten).

Ein anderer Typ von haptischem Vibrationsmotor ist ein linearer Resonanzaktuator (LRA). Dieser Motortyp hat eine starke Resonanz innerhalb einer schmalen Bandbreite. Diese Geräte sollten nicht mit frequenzgesteuerter Haptik verwendet werden, aber sie sind sehr nützlich für spannungsgesteuerte Haptik, da sie auf die Antriebsfrequenz reagieren (d.h., es handelt sich um einen Wechselstrommotor).

Impedanzanpassung oder Impedanzüberbrückung?

Das Integrieren dieser Motoren in ein reales System stellt keine so große Herausforderung dar, da sie nicht die gleichen geleiteten und abgestrahlten EMI-Probleme wie größere Motoren verursachen. Wenn sie auf der Platine platziert werden (d.h. als SMD-Komponente), sollten sie nahe am Rand der Platine und in der Nähe des Bereichs platziert werden, der es dem Benutzer ermöglicht, die Vibration am besten wahrzunehmen. Layouten Sie Platinen für diese Komponenten, wie Sie es bei jedem anderen kleinen Gleich-/Wechselstrommotor tun würden.

Aufgrund der Spannungs- und Stromanforderungen stellt sich immer die Frage nach Impedanzanpassung vs. Impedanzüberbrückung beim Anschließen eines Vibrationsmotors an einen Treiber. Haptische Vibrationsmotoren sind im Wesentlichen Wandler, die eine spezifische mechanische Schwingung niedriger Frequenz als Reaktion auf ein elektrisches Signal niedriger Frequenz ausgeben.

Wenn Sie einige Tutorials über Wandler lesen, auch auf technisch anspruchsvollen beliebten Websites, finden Sie einige Designempfehlungen, die besagen, dass eine Impedanzanpassung zwischen dem Quell-IC und einem Wandler erforderlich ist. Dies war genau solch ein Rat, den man auf EDN und Hyperphysics finden würde, bis mehrere Beschwerden die Seitenbetreiber dazu zwangen, ihre Inhalte zu ändern. Ob Impedanzanpassung oder Impedanzüberbrückung verwendet werden sollte, hängt von der Art des Treibers ab.

Wenn der Treiber effektiv eine stromgesteuerte Spannungsquelle ist (d.h. niedrige Ausgangsimpedanz), dann sollte Impedanzüberbrückung verwendet werden, um hohe Ausgangsspannung auf den Motor zu übertragen. Das ist im Grunde das, was mit moderner Audioausrüstung gemacht wird. Wenn der Treiber jedoch die umgekehrte Funktionalität hat, sollte der Motor so ausgewählt werden, dass seine Impedanz viel niedriger ist als die Quellenimpedanz. Übertragungsleitungseffekte sind hier nicht relevant, da wir im Bereich von 100 Hz arbeiten.

Haptische Feedback-Algorithmen

Ein wichtiger Teil des haptischen Feedbacks ist die Variation der Vibrationswahrnehmung, wenn sich eine andere Eingabe in das System ändert. Daten können zusammen mit einigen Messungen von externen Sensoren in das System eingegeben und verwendet werden, um die Intensität der haptischen Vibration zu steuern. Diese Systeme können offene oder geschlossene Regelkreise sein und ähneln den Steuerungsstrategien, die in industriellen Steuerungssystemen verwendet werden.

Haptische Feedback-Algorithmen sind leicht genug, um in einem MCU oder kleinen FPGA eingebettet zu werden, solange das Gerät genügend Eingänge hat, um die anderen Funktionen im Produkt zu unterstützen. Haptische Feedback-Algorithmen müssen dennoch für spezielle Produkte entworfen werden, und diese Algorithmen sind nach wie vor ein aktives Forschungs- und Entwicklungsgebiet in Wissenschaft und Technik.

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