Conduzindo Vibração Háptica e Feedback em Dispositivos Vestíveis

A realidade aumentada, cirurgia virtual, substituições de membros, dispositivos médicos e outras novas tecnologias precisam incorporar motores de vibração háptica e feedback para dar ao usuário uma percepção completa de como eles estão interagindo com o ambiente. A menos que essas aplicações de ponta incluam vibração háptica e feedback, os usuários são forçados a depender de seus outros quatro sentidos para entender o ambiente real ou virtual. Componentes de baixo custo para suportar o feedback háptico estão disponíveis desde os tempos dos celulares flip para apoiar essas aplicações, e os designers são limitados apenas pela sua imaginação.

Após uma recente consulta de um novo cliente, tive que mergulhar no mundo da vibração háptica e feedback. Se você é um designer de eletrônicos de áudio, então provavelmente está familiarizado com transdutores e como combiná-los com amplificadores, MCUs ou outros componentes. Independentemente de estar ou não familiarizado com transdutores, existe um problema de software embutido a ser resolvido, particularmente quando se considera os sensores usados para acionar o feedback háptico.

Escolhendo um Motor de Vibração Háptica

Um motor de vibração háptica vem em duas variedades: amplitude variável e frequência variável. Obviamente, esses motores podem ser divididos em diferentes estruturas de motor, como oscilação vertical, linear e massa rotativa excêntrica (ERM) motores de vibração. Os motores ERM eram comuns em antigos pagers e primeiros celulares. Motores de oscilação vertical e motores lineares são semelhantes na maneira como eles aplicam uma força contra um pacote. Esses motores podem ser montados na placa ou no pacote por meio de um par de fios.

O estilo moeda/panqueca mostrado acima é basicamente um motor DC controlado por amplitude, onde a frequência pode variar de ~10000 a ~15000 RPM ao variar a tensão DC vista pelo motor. A tensão DC necessária para acionar esses motores geralmente varia de 2 a 5 V, e os dispositivos requerem entre ~50 a ~100 mA. Diversos estudos nas últimas duas décadas descobriram que a frequência de vibração ótima para haptics varia de 150 Hz a 180 Hz. Versões AC também estão disponíveis (veja a tabela abaixo).

Outro tipo de motor de vibração haptic é um atuador ressonante linear (LRA). Esse tipo de motor tem uma forte ressonância dentro de uma faixa de largura de banda estreita. Esses dispositivos não devem ser usados com haptics controlados por frequência, mas são muito úteis para haptics controlados por tensão, pois responderão na frequência de acionamento (ou seja, são um motor AC).

Casamento de Impedância ou Ponte de Impedância?

Integrar esses motores em um sistema real não é tão desafiador, pois eles não criam os mesmos problemas de EMI conduzidos e irradiados como motores maiores. Se colocados na placa (ou seja, como um componente SMD), eles devem ser posicionados perto da borda da placa e próximos à região que permitirá ao usuário perceber melhor a vibração. Projete placas para esses componentes como faria com qualquer outro motor pequeno DC/AC.

Devido aos requisitos de tensão e corrente, sempre há uma questão de casamento de impedância vs. ponte de impedância ao conectar um motor de vibração a um driver. Motores de vibração háptica são essencialmente transdutores que produzem uma vibração mecânica de baixa frequência específica em resposta a um sinal elétrico de baixa frequência.

Se você ler alguns tutoriais sobre transdutores, mesmo em sites populares altamente técnicos, encontrará algumas recomendações de design que afirmam que o casamento de impedância entre o CI fonte e um transdutor é necessário. Essa era exatamente tal recomendação que se encontraria no EDN e Hyperphysics, até que várias reclamações forçaram os proprietários dos sites a mudar seu conteúdo. Se deve ser usado casamento de impedância ou ponte de impedância depende da natureza do driver.

Se o driver é efetivamente uma fonte de tensão controlada por corrente (ou seja, baixa impedância de saída), então a ponte de impedância deve ser usada para transferir alta tensão de saída para o motor. Isso é basicamente o que é feito com equipamentos de áudio modernos. No entanto, se o driver tem a funcionalidade inversa, o motor deve ser selecionado de forma que sua impedância seja muito menor do que a impedância da fonte. Efeitos de linha de transmissão não são relevantes aqui, pois estamos operando na faixa de 100’s de Hz.

Algoritmos de Feedback Háptico

Uma parte importante do feedback háptico é variar a sensação de vibração conforme alguma outra entrada no sistema muda. Dados podem ser inseridos no sistema junto com algumas medições de sensores externos e usados para controlar a intensidade da vibração háptica. Esses sistemas podem ser de malha aberta ou fechada, e eles se assemelham às estratégias de controle usadas em sistemas de controle industrial.

Os algoritmos de feedback háptico são leves o suficiente para serem embutidos em um MCU ou pequeno FPGA, desde que o dispositivo tenha entradas suficientes para suportar as outras funções no produto. Os algoritmos de feedback háptico ainda precisam ser projetados para produtos específicos, e esses algoritmos ainda são uma área ativa de pesquisa científica e de engenharia.

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