Haptische Vibration und Feedback in Wearables integrieren

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.

Ohne haptische Vibration und Feedback in diesen Spitzentechnologien wären 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 gibt es bereits seit den Tagen der Klapphandys, und Designer sind mittlerweile 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, gilt es ein eingebettetes Softwareproblem zu lösen, insbesondere wenn man die Sensoren betrachtet, die verwendet werden, um haptisches Feedback auszulösen.

In diesem Blogbeitrag gehen wir auf alle wichtigen Punkte ein, die Sie berücksichtigen sollten, um haptisches Feedback in Ihr Produkt zu integrieren.

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 und lineare Vibrationsmotoren sowie solche mit exzentrisch rotierenden Massen (ERM).

ERM-Motoren waren in alten Pagern und frühen Mobiltelefonen üblich. Vertikal oszillierende Motoren und lineare Motoren sind sich ähnlich darin, 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 Motor im 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).

Motortypen im Vergleich

Linearer DC-Motor (Münz-Form oder verkapselt)

• Ideale Anwendung: Frequenzkontrolle
• Treiber: DC
• Variationen in der DC-Spannung führen zu Variationen in der Amplitude, sodass der Benutzer Änderungen der Amplitude sensibler wahrnehmen kann.

Linearer DC-Motor (Münz-Form oder verkapselt)

• Ideale Anwendung: Kontrolle von Frequenz und Amplitude
• Treiber: AC
• Amplitude und Spannung können unabhängig voneinander eingestellt werden.

LRA

• Ideale Anwendung: Kontrolle der Amplitude
• Treiber: AC (Sinus, Sägezahn etc.)
• Wird am besten an der Resonanzfrequenz des Motors eingesetzt.

Platzierung von Vibrationsmotoren

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.

Impedanzanpassung oder Impedanzüberbrückung?

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.

Wenn Sie planen, haptische Vibration und Feedback in eine neue PCB zu integrieren, sollten Sie die CAD-Tools in Altium Designer® verwenden, um Ihr neues Board zu layouten und Komponentenmodelle für Ihren haptischen Vibrationsmotor zu platzieren. Die MCAD-Tools können Ihnen helfen, Ihr Board so zu entwerfen, dass es sauber in sein Gehäuse passt und für die Herstellung vorbereitet ist.

Jetzt können Sie eine kostenlose Testversion von Altium Designer herunterladen und mehr über die branchenführenden Layout-, Simulations- und Produktionsplanungswerkzeuge erfahren. Sprechen Sie noch heute mit einem Altium-Experten, um mehr zu erfahren.