웨어러블에서 촉각 진동 및 피드백 구현

증강 현실, 가상 수술, 사지 교체, 의료 기기 및 기타 새로운 기술은 착용자가 자신이 환경과 어떻게 상호 작용하는지 완전히 이해할 수 있도록 촉각 진동 모터와 피드백을 통합해야 합니다. 이러한 최첨단 응용 프로그램에 촉각 진동 및 피드백이 포함되지 않는 경우, 사용자는 실제 또는 가상 환경을 이해하기 위해 다른 네 가지 감각에 의존해야 합니다. 촉각 피드백을 지원하기 위한 저비용 구성 요소는 조개껍데기 휴대폰 시절부터 이러한 응용 프로그램을 지원하기 위해 사용 가능했으며, 디자이너는 상상력에 의해서만 제한됩니다.

최근 새로운 고객의 문의를 받고 나서, 저는 촉각 진동 및 피드백의 세계로 뛰어들게 되었습니다. 만약 여러분이 오디오 전자 기기 디자이너라면, 변환기가 무엇인지, 그리고 그것들을 증폭기, MCU 또는 다른 구성 요소와 어떻게 짝지어 사용하는지 잘 알고 있을 것입니다. 변환기에 익숙하든 그렇지 않든, 내장 소프트웨어 문제가 해결되어야 합니다. 특히 촉각 피드백을 유발하기 위해 사용되는 센서를 고려할 때 더욱 그렇습니다.

촉각 진동 모터 선택하기

촉각 진동 모터는 가변 진폭과 가변 주파수의 두 가지 종류가 있습니다. 분명히, 이러한 모터는 수직 진동, 선형, 그리고 이심 회전 질량(Eccentric Rotating Mass, ERM) 진동 모터와 같은 다양한 모터 구조로 세분화될 수 있습니다. ERM 모터는 옛날 호출기와 초기 휴대폰에서 흔히 사용되었습니다. 수직 진동 모터와 선형 모터는 패키지에 대한 힘을 구동하는 방식이 유사합니다. 이러한 모터는 보드나 한 쌍의 전선을 통해 패키지에 장착될 수 있습니다.

위에 보여진 동전/팬케이크 스타일은 기본적으로 진폭 제어 DC 모터로, 모터에 인가되는 DC 전압을 변화시켜 ~10000에서 ~15000 RPM 사이의 주파수를 변화시킬 수 있습니다. 이 모터를 구동하는 데 필요한 DC 전압은 일반적으로 2V에서 5V 사이이며, 장치는 대략 ~50에서 ~100 mA 사이를 요구합니다. 지난 20년 동안의 여러 연구에서 햅틱스에 최적의 진동 주파수는 150Hz에서 180Hz 사이라는 것을 발견했습니다. AC 버전도 사용 가능합니다(아래 표 참조).

또 다른 유형의 햅틱 진동 모터는 선형 공진 액추에이터(LRA)입니다. 이 유형의 모터는 좁은 대역폭 내에서 강한 공진을 가집니다. 이 장치들은 주파수 제어 햅틱스에는 사용되어서는 안 되지만, 구동 주파수에서 반응하기 때문에(즉, AC 모터입니다) 전압 제어 햅틱스에 매우 유용합니다.

임피던스 매칭 또는 임피던스 브리징?

이 모터들을 실제 시스템에 통합하는 것은 그리 어렵지 않습니다. 왜냐하면 이들은 큰 모터들처럼 동일한 전도 및 방사된 EMI 문제를 일으키지 않기 때문입니다. 만약 보드에 배치된다면(즉, SMD 구성요소로서), 사용자가 진동을 가장 잘 느낄 수 있는 지역과 보드 가장자리 근처에 배치해야 합니다. 이러한 구성요소를 위한 보드를 다른 소형 DC/AC 모터와 마찬가지로 배치하세요.

전압과 전류 요구 사항으로 인해 진동 모터를 드라이버에 연결할 때 항상 임피던스 매칭과 임피던스 브리징 중 어느 것을 사용해야 하는지에 대한 의문이 있습니다. 촉각 진동 모터는 본질적으로 특정 저주파 기계 진동을 저주파 전기 신호에 대한 반응으로 출력하는 변환기입니다.

변환기에 대한 일부 튜토리얼을 읽으면, 심지어 기술적으로 매우 인기 있는 웹사이트에서조차 소스 IC와 변환기 사이에 임피던스 매칭이 필요하다는 설계 권장 사항을 찾을 수 있습니다. 이는 EDN과 Hyperphysics에서 찾을 수 있는 바로 그런 조언이었으나, 여러 불만이 제기되어 사이트 소유자가 콘텐츠를 변경하도록 강요받았습니다. 임피던스 매칭이나 임피던스 브리징 중 어느 것을 사용해야 하는지는 드라이버의 성격에 따라 달라집니다.

드라이버가 효과적으로 전류 제어 전압 소스(즉, 낮은 출력 임피던스)인 경우, 고출력 전압을 모터에 전달하기 위해 임피던스 브리징을 사용해야 합니다. 이것은 기본적으로 현대 오디오 장비에서 수행되는 작업입니다. 그러나 드라이버가 반대 기능을 가지고 있다면, 모터는 소스 임피던스보다 훨씬 낮은 임피던스를 가지도록 선택되어야 합니다. 여기서는 100Hz대에서 작동하기 때문에 전송선 효과는 관련이 없습니다.

햅틱 피드백 알고리즘

촉각 피드백의 중요한 부분은 시스템에 다른 입력이 변함에 따라 진동 감각을 다양하게 하는 것입니다. 데이터는 외부 센서로부터의 일부 측정값과 함께 시스템에 입력될 수 있으며, 이를 사용하여 촉각 진동 강도를 제어할 수 있습니다. 이러한 시스템은 개방 루프 또는 폐쇄 루프 시스템일 수 있으며, 산업 제어 시스템에서 사용되는 제어 전략을 닮았습니다.

촉각 피드백 알고리즘은 MCU나 작은 FPGA에 내장될 수 있을 만큼 가벼우며, 장치가 제품의 다른 기능을 지원하기에 충분한 입력을 가지고 있는 한 사용할 수 있습니다. 촉각 피드백 알고리즘은 여전히 특정 제품에 맞게 설계되어야 하며, 이러한 알고리즘은 여전히 과학 및 공학 연구의 활발한 분야입니다.

새로운 PCB에 촉각 진동 및 피드백을 통합할 계획이라면, Altium Designer®의 CAD 도구를 사용하여 새로운 보드를 레이아웃하고 촉각 진동 모터를 위한 구성 요소 모델을 배치해야 합니다. MCAD 도구는 보드를 깔끔하게 케이스에 맞게 설계하고 제조를 준비하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

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