Guida alla vibrazione aptica e al feedback nei dispositivi indossabili

La realtà aumentata, la chirurgia virtuale, le sostituzioni di arti, i dispositivi medici e altre nuove tecnologie necessitano di incorporare motori di vibrazione aptica e feedback per fornire all'utente una percezione completa di come sta interagendo con il proprio ambiente. A meno che queste applicazioni all'avanguardia non includano vibrazione aptica e feedback, gli utenti sono costretti a fare affidamento sui loro altri quattro sensi per comprendere l'ambiente reale o virtuale. Componenti a basso costo per supportare il feedback aptico sono disponibili sin dai tempi dei telefoni cellulari a conchiglia per supportare queste applicazioni, e i progettisti sono limitati solo dalla loro immaginazione.

Dopo una recente richiesta da parte di un nuovo cliente, ho dovuto immergermi nel mondo della vibrazione aptica e del feedback. Se sei un progettista di elettronica audio, allora probabilmente sei familiare con i trasduttori e come abbinarli con amplificatori, MCU o altri componenti. Che tu sia familiare o meno con i trasduttori, c'è un problema di software incorporato da risolvere, in particolare quando si considerano i sensori utilizzati per attivare il feedback aptico.

Scegliere un motore a vibrazione aptica

Un motore a vibrazione aptica si presenta in due varietà: ampiezza variabile e frequenza variabile. Ovviamente, questi motori possono essere suddivisi in diverse strutture di motori, come motori a oscillazione verticale, lineari e a massa rotante eccentrica (ERM). I motori ERM erano comuni nei vecchi cercapersone e nei primi telefoni cellulari. I motori a oscillazione verticale e i motori lineari sono simili nel modo in cui esercitano una forza contro un involucro. Questi motori possono essere montati sulla scheda o sull'involucro tramite una coppia di fili.

Lo stile a moneta/pancake mostrato sopra è sostanzialmente un motore DC controllato in ampiezza, dove la frequenza può variare da ~10000 a ~15000 RPM variando la tensione DC percepita dal motore. La tensione DC richiesta per alimentare questi motori varia tipicamente da 2 a 5 V, e i dispositivi richiedono tra ~50 a ~100 mA. Numerosi studi negli ultimi 2 decenni hanno scoperto che la frequenza di vibrazione ottimale per l'haptics varia da 150 Hz a 180 Hz. Sono disponibili anche versioni AC (vedi la tabella sotto).

Un altro tipo di motore per vibrazione haptica è un attuatore a risonanza lineare (LRA). Questo tipo di motore ha una forte risonanza in una banda stretta. Questi dispositivi non dovrebbero essere usati con haptics controllati in frequenza, ma sono molto utili per haptics controllati in tensione, poiché risponderanno alla frequenza di guida (cioè, sono un motore AC).

Adattamento di Impedenza o Ponte di Impedenza?

Integrare questi motori in un sistema reale non è così difficile, poiché non creano gli stessi problemi di EMI condotti e irradiati come i motori più grandi. Se posizionati sulla scheda (ad es., come componente SMD), dovrebbero essere collocati vicino al bordo della scheda e vicino alla regione che permetterà all'utente di percepire meglio la vibrazione. Progetta le schede per questi componenti come faresti per qualsiasi altro piccolo motore DC/AC.

TRANSLATE:

A causa dei requisiti di tensione e corrente, si pone sempre la questione del matching dell'impedenza vs. il bridging dell'impedenza quando si collega un motore di vibrazione a un driver. I motori di vibrazione aptica sono essenzialmente trasduttori che emettono una specifica vibrazione meccanica a bassa frequenza in risposta a un segnale elettrico a bassa frequenza.

Se leggete alcuni tutorial sui trasduttori, anche su siti web popolari fortemente tecnici, troverete alcune raccomandazioni di progettazione che affermano che il matching dell'impedenza tra l'IC sorgente e un trasduttore è necessario. Questo era proprio il tipo di consiglio che si poteva trovare su EDN e Hyperphysics, fino a quando diverse lamentele hanno costretto i proprietari dei siti a cambiare il loro contenuto. Se utilizzare il matching dell'impedenza o il bridging dell'impedenza dipende dalla natura del driver.

Se il driver è effettivamente una sorgente di tensione controllata in corrente (cioè, bassa impedenza di uscita), allora dovrebbe essere utilizzato il bridging di impedenza per trasferire alta tensione di uscita al motore. Questo è sostanzialmente ciò che viene fatto con l'attrezzatura audio moderna. Tuttavia, se il driver ha la funzionalità inversa, il motore dovrebbe essere selezionato in modo che la sua impedenza sia molto inferiore rispetto all'impedenza della sorgente. Gli effetti della linea di trasmissione non sono rilevanti qui poiché stiamo operando nell'ordine delle centinaia di Hz.

Algoritmi di Feedback Aptico

Una parte importante del feedback aptico è variare la sensazione di vibrazione man mano che un altro input nel sistema cambia. I dati possono essere inseriti nel sistema insieme ad alcune misurazioni da sensori esterni e utilizzati per controllare l'intensità della vibrazione aptica. Questi sistemi possono essere a ciclo aperto o a ciclo chiuso e assomigliano alle strategie di controllo utilizzate nei sistemi di controllo industriale.

Gli algoritmi di feedback aptico sono abbastanza leggeri da essere incorporati in un MCU o in un piccolo FPGA, purché il dispositivo disponga di abbastanza input per supportare le altre funzioni nel prodotto. Gli algoritmi di feedback aptico devono comunque essere progettati per prodotti specifici, e questi algoritmi sono ancora un'area attiva di ricerca scientifica e ingegneristica.

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