Impulsando la vibración háptica y la retroalimentación en dispositivos portátiles

La realidad aumentada, la cirugía virtual, los reemplazos de extremidades, los dispositivos médicos y otras nuevas tecnologías necesitan incorporar motores de vibración háptica y retroalimentación para dar al usuario una sensación completa de cómo están interactuando con su entorno. A menos que estas aplicaciones de vanguardia incluyan vibración háptica y retroalimentación, los usuarios se ven obligados a depender de sus otros cuatro sentidos para comprender el entorno real o virtual. Los componentes de bajo costo para soportar la retroalimentación háptica han estado disponibles desde los días de los teléfonos celulares tipo concha para apoyar estas aplicaciones, y los diseñadores solo están limitados por su imaginación.

Tras una reciente consulta de un nuevo cliente, he tenido que sumergirme en el mundo de la vibración háptica y la retroalimentación. Si eres un diseñador de electrónica de audio, entonces probablemente estés familiarizado con los transductores y cómo emparejarlos con amplificadores, MCUs u otros componentes. Ya sea que estés familiarizado o no con los transductores, hay un problema de software embebido que resolver, particularmente cuando se consideran los sensores utilizados para activar la retroalimentación háptica.

Elegir un motor de vibración háptica

Un motor de vibración háptica viene en dos variedades: amplitud variable y frecuencia variable. Obviamente, estos motores pueden desglosarse en diferentes estructuras de motor, como motores de oscilación vertical, lineales y de masa rotatoria excéntrica (ERM, por sus siglas en inglés). Los motores ERM eran comunes en los buscapersonas antiguos y los primeros teléfonos celulares. Los motores de oscilación vertical y los motores lineales son similares en la forma en que impulsan una fuerza contra un paquete. Estos motores pueden montarse en la placa o en el paquete a través de un par de cables.

El estilo de moneda/panqueque mostrado arriba es básicamente un motor de CC controlado por amplitud, donde la frecuencia puede variar de ~10000 a ~15000 RPM al variar el voltaje de CC que ve el motor. El voltaje de CC requerido para impulsar estos motores típicamente varía de 2 a 5 V, y los dispositivos requieren entre ~50 a ~100 mA. Numerosos estudios en las últimas 2 décadas han encontrado que la frecuencia de vibración óptima para la háptica varía de 150 Hz a 180 Hz. También hay versiones de CA disponibles (ver la tabla abajo).

Otro tipo de motor de vibración háptica es un actuador resonante lineal (LRA). Este tipo de motor tiene una fuerte resonancia dentro de un ancho de banda estrecho. Estos dispositivos no deberían usarse con háptica controlada por frecuencia, pero son muy útiles para háptica controlada por voltaje, ya que responderán a la frecuencia de conducción (es decir, son un motor de CA).

¿Emparejamiento de impedancia o puente de impedancia?

Incorporar estos motores en un sistema real no es un desafío tan grande, ya que no generan los mismos problemas de EMI conducidos y radiados que los motores más grandes. Si se colocan en la placa (es decir, como un componente SMD), deben estar cerca del borde de la placa y cerca de la región que permitirá al usuario percibir mejor la vibración. Diseñe las placas para estos componentes como lo haría con cualquier otro motor pequeño de DC/AC.

Debido a los requisitos de voltaje y corriente, siempre surge la pregunta de emparejamiento de impedancia vs. puenteo de impedancia al conectar un motor de vibración a un controlador. Los motores de vibración háptica son esencialmente transductores que emiten una vibración mecánica de baja frecuencia específica en respuesta a una señal eléctrica de baja frecuencia.

Si lees algunos tutoriales sobre transductores, incluso en sitios web populares altamente técnicos, encontrarás algunas recomendaciones de diseño que indican que se requiere un emparejamiento de impedancia entre el CI fuente y un transductor. Este era precisamente el tipo de consejo que uno encontraría en EDN y Hyperphysics, hasta que varias quejas obligaron a los propietarios de los sitios a cambiar su contenido. Si se debe usar emparejamiento de impedancia o puenteo de impedancia depende de la naturaleza del controlador.

Si el controlador es efectivamente una fuente de voltaje controlada por corriente (es decir, baja impedancia de salida), entonces se debe utilizar el puenteo de impedancia para transferir un alto voltaje de salida al motor. Esto es básicamente lo que se hace con el equipo de audio moderno. Sin embargo, si el controlador tiene la funcionalidad inversa, se debe seleccionar el motor de tal manera que su impedancia sea mucho menor que la impedancia de la fuente. Los efectos de la línea de transmisión no son relevantes aquí ya que estamos operando en los 100’s de Hz.

Algoritmos de Retroalimentación Háptica

Una parte importante de la retroalimentación háptica es variar la sensación de vibración a medida que cambia alguna otra entrada en el sistema. Los datos pueden introducirse en el sistema junto con algunas mediciones de sensores externos y utilizarse para controlar la intensidad de la vibración háptica. Estos sistemas pueden ser de bucle abierto o de bucle cerrado, y se asemejan a las estrategias de control utilizadas en los sistemas de control industrial.

Los algoritmos de retroalimentación háptica son lo suficientemente ligeros como para ser integrados en un MCU o un FPGA pequeño, siempre y cuando el dispositivo tenga suficientes entradas para soportar las otras funciones en el producto. Sin embargo, los algoritmos de retroalimentación háptica aún necesitan ser diseñados para productos particulares, y estos algoritmos siguen siendo un área activa de investigación científica y de ingeniería.

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