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 entender el entorno real o virtual. Desde los tiempos de los teléfonos móviles con carcasa se dispone de componentes de bajo coste para este tipo de aplicaciones con retroalimentación háptica, y los diseñadores sólo están limitados por su imaginación.

Tras una reciente consulta de un nuevo cliente, he tenido que meterme de lleno en el mundo de la vibración háptica y la retroalimentación. Si eres un diseñador de electrónica de audio, probablemente estés familiarizado con los transductores y con cómo emparejarlos con amplificadores, MCUs u otros componentes. Tanto si estás familiarizado con los transductores como si no, 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

Existen dos tipos de motores de vibración háptica: de amplitud variable y de frecuencia variable. Obviamente, estos motores de vibración háptica pueden dividirse en diferentes estructuras, como los motores vibratorios oscilantes verticales, lineales y de masa rotatoria excéntrica (ERM, por sus siglas en inglés). Los motores ERM eran habituales en los antiguos buscapersonas y en los primeros teléfonos móviles. Los motores de oscilación vertical y los motores lineales son similares en la forma en que impulsan una fuerza contra un paquete. Estos motores de vibración háptica pueden montarse en la placa de PCB o en el paquete sobre un par de cables.

El estilo moneda/panqueque mostrado arriba es básicamente un motor de CC controlado por amplitud, en el que la frecuencia puede variar de ~10000 a ~15000 RPM variando la tensión de CC vista por el motor. La tensión continua necesaria para accionar estos motores suele oscilar entre 2 y 5 V, y los dispositivos requieren entre ~50 y ~100 mA. Varios estudios realizados en las dos últimas décadas han demostrado que la frecuencia de vibración óptima para la vibración háptica oscila entre 150 Hz y 180 Hz. También existen versiones de corriente alterna (véase la tabla siguiente).

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

¿Emparejamiento de impedancia o puente de impedancia?

Incorporar los motores de vibración háptica 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 de PCB (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 háptica. Diseña las placas para estos componentes como lo harías 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 páginas web muy técnicas, encontrarás recomendaciones de diseño que afirman que es necesaria la adaptación de impedancias entre el circuito integrado fuente y el transductor. Éste era uno de los consejos que se podían encontrar en EDN e Hyperphysics, hasta que varias quejas obligaron a los propietarios del sitio web a cambiar su contenido. La adaptación o puenteado de impedancias depende de la naturaleza del transductor.

Si el controlador es efectivamente una fuente de tensión controlada por corriente (es decir, baja impedancia de salida), entonces se debe utilizar el puenteo de impedancia para transferir una alta tensión 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 de retroalimentación háptica 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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