ウェアラブルでのハプティック振動とフィードバックの駆動

拡張現実、仮想手術、四肢の置換、医療機器などの新技術は、装着者が自分の環境とどのように相互作用しているかを完全に感じ取るために、触覚振動モーターとフィードバックを取り入れる必要があります。これらの最先端のアプリケーションが触覚振動とフィードバックを含まない場合、ユーザーは実際のまたは仮想の環境を理解するために他の四つの感覚に頼らざるを得ません。触覚フィードバックをサポートする低コストのコンポーネントは、貝殻型携帯電話の時代から利用可能であり、デザイナーの想像力のみが限界です。

最近の新規クライアントからの問い合わせを受けて、私は触覚振動とフィードバックの世界に飛び込むことになりました。もしあなたがオーディオ電子機器のデザイナーなら、トランスデューサーとそれらをアンプ、MCU、または他のコンポーネントとどのように組み合わせるかについておそらく馴染みがあるでしょう。トランスデューサーに馴染みがあるかどうかにかかわらず、触覚フィードバックを引き起こすために使用されるセンサーを考慮すると、解決すべき組み込みソフトウェアの問題があります。

触覚振動モーターの選択

触覚振動モーターには、変動振幅型と変動周波数型の2種類があります。明らかに、これらのモーターは、垂直振動、リニア、偏心回転質量（ERM）振動モーターなど、異なるモーター構造に分けることができます。ERMモーターは、古いポケベルや初期の携帯電話に一般的でした。垂直振動モーターとリニアモーターは、パッケージに対して力を駆動する方法が似ています。これらのモーターは、ボードまたは一対のワイヤーを介してパッケージに取り付けることができます。

上に示されたコイン/パンケーキ型は基本的に振幅制御された直流モーターであり、モーターにかかる直流電圧を変えることで、周波数を約10000 RPMから約15000 RPMまで変えることができます。これらのモーターを駆動するために必要な直流電圧は通常2Vから5Vの範囲で、デバイスは約50mAから約100mAの間を必要とします。過去20年間に行われた多くの研究によると、ハプティクスに最適な振動周波数は150Hzから180Hzの範囲であることがわかっています。ACバージョンも利用可能です（下の表を参照してください）。

もう一つのタイプのハプティック振動モーターはリニア共振アクチュエータ（LRA）です。このタイプのモーターは狭い帯域内で強い共振を持ちます。これらのデバイスは周波数制御されたハプティクスには使用すべきではありませんが、駆動周波数（つまり、ACモーター）で反応するため、電圧制御されたハプティクスには非常に有用です。

インピーダンスマッチングかインピーダンスブリッジングか？

これらのモーターを実際のシステムに組み込むことはそれほど難しくありません。なぜなら、大きなモーターと同じような導電性および放射性のEMI問題を引き起こさないからです。ボード上に配置する場合（つまり、SMDコンポーネントとして）、ボードの端に近く、ユーザーが振動を最もよく感じられる領域の近くに配置する必要があります。これらのコンポーネントのためのボードをレイアウトする際は、他の小型DC/ACモーターと同様に行ってください。

電圧と電流の要件により、振動モーターをドライバーに接続する際には常に、インピーダンスマッチングとインピーダンスブリッジングのどちらを使用するかという問題があります。触覚振動モーターは、低周波の電気信号に応答して特定の低周波の機械振動を出力するトランスデューサーです。

トランスデューサーに関するいくつかのチュートリアルを読むと、技術的に高度な人気のあるウェブサイトでさえ、ソースICとトランスデューサー間のインピーダンスマッチングが必要であるとする設計推奨事項が見つかります。これは、EDNやHyperphysicsで見つかるまさにそのようなアドバイスでしたが、いくつかの苦情がサイトの所有者にコンテンツの変更を強いました。インピーダンスマッチングまたはインピーダンスブリッジングを使用するかどうかは、ドライバーの性質によって異なります。

ドライバーが実質的に電流制御型の電圧源（つまり、出力インピーダンスが低い）である場合、インピーダンスブリッジングを使用して高出力電圧をモーターに伝達するべきです。これは、現代のオーディオ機器で行われていることと基本的に同じです。しかし、ドライバーが逆の機能を持つ場合、モーターはそのインピーダンスがソースインピーダンスよりもはるかに低いものを選択すべきです。伝送線効果は、数百Hzの範囲で動作しているため、ここでは関連ありません。

触覚フィードバックアルゴリズム

触覚フィードバックの重要な部分は、システムに入力される他の入力が変化するにつれて、振動感覚を変化させることです。データは外部センサーからの測定値と共にシステムに入力され、触覚振動の強度を制御するために使用されます。これらのシステムは、オープンループまたはクローズドループシステムであり、産業制御システムで使用される制御戦略に似ています。

触覚フィードバックアルゴリズムは、デバイスが製品の他の機能をサポートするのに十分な入力を持っている限り、MCUや小さなFPGAに組み込むのに十分軽量です。触覚フィードバックアルゴリズムは特定の製品に合わせて設計する必要があり、これらのアルゴリズムは依然として科学的および工学的研究の活発な分野です。

新しいPCBに触覚振動とフィードバックを組み込む予定の場合、Altium Designer®のCADツールを使用して新しいボードをレイアウトし、触覚振動モーターのコンポーネントモデルを配置する必要があります。MCADツールは、ボードをそのエンクロージャにきれいに収め、製造の準備をするのに役立ちます。

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