Điều khiển Rung và Phản hồi Xúc giác trong Thiết bị Đeo

Thực tế tăng cường, phẫu thuật ảo, thay thế chi, thiết bị y tế và các công nghệ mới khác cần tích hợp động cơ rung haptic và phản hồi để người đeo có thể cảm nhận đầy đủ cách họ tương tác với môi trường xung quanh. Trừ khi những ứng dụng tiên tiến này bao gồm rung haptic và phản hồi, người dùng sẽ buộc phải dựa vào bốn giác quan khác của mình để hiểu môi trường thực tế hoặc ảo. Các linh kiện giá rẻ hỗ trợ phản hồi haptic đã có sẵn từ thời điện thoại vỏ sò để hỗ trợ các ứng dụng này, và các nhà thiết kế chỉ bị giới hạn bởi trí tưởng tượng của họ.

Sau một yêu cầu gần đây từ một khách hàng mới, tôi đã phải nhảy vào thế giới của rung haptic và phản hồi. Nếu bạn là một nhà thiết kế điện tử âm thanh, thì bạn có lẽ đã quen thuộc với các bộ chuyển đổi và cách ghép chúng với ampli, MCU, hoặc các linh kiện khác. Dù bạn có quen thuộc với bộ chuyển đổi hay không, vẫn có một vấn đề phần mềm nhúng cần được giải quyết, đặc biệt khi bạn xem xét các cảm biến được sử dụng để kích hoạt phản hồi haptic.

Lựa chọn Động cơ rung Haptic

Động cơ rung haptic có hai loại: biến đổi biên độ và biến đổi tần số. Rõ ràng, những động cơ này có thể được chia nhỏ thành các cấu trúc động cơ khác nhau, như động cơ dao động dọc, động cơ tuyến tính, và động cơ rung khối lệch tâm (ERM). Động cơ ERM từng phổ biến trong các máy nhắn tin cũ và điện thoại di động đời đầu. Động cơ dao động dọc và động cơ tuyến tính tương tự nhau ở cách chúng tạo ra lực đẩy lên một gói hàng. Những động cơ này có thể được gắn vào bảng mạch hoặc vào gói hàng qua một cặp dây.

Kiểu đồng xu/bánh kếp được hiển thị ở trên cơ bản là một động cơ DC điều khiển biên độ, nơi mà tần số có thể thay đổi từ ~10000 đến ~15000 RPM bằng cách thay đổi điện áp DC mà động cơ nhận được. Điện áp DC cần thiết để vận hành những động cơ này thường nằm trong khoảng từ 2 đến 5 V, và các thiết bị yêu cầu mức dòng điện từ ~50 đến ~100 mA. Một số nghiên cứu trong 2 thập kỷ qua đã phát hiện ra rằng tần số rung động tối ưu cho haptics nằm trong khoảng từ 150 Hz đến 180 Hz. Phiên bản AC cũng có sẵn (xem bảng dưới đây).

Một loại động cơ rung haptic khác là bộ kích động tuyến tính cộng hưởng (LRA). Loại động cơ này có một cộng hưởng mạnh trong một băng thông hẹp. Những thiết bị này không nên được sử dụng với haptics điều khiển tần số, nhưng chúng rất hữu ích cho haptics điều khiển điện áp, vì chúng sẽ phản ứng tại tần số điều khiển (nghĩa là, chúng là một động cơ AC).

Khớp trở kháng hay Cầu trở kháng?

Việc đưa những động cơ này vào một hệ thống thực tế không phải là một thách thức lớn, vì chúng không tạo ra các vấn đề EMI dẫn và bức xạ giống như các động cơ lớn hơn. Nếu được đặt trên bảng mạch (tức là, như một thành phần SMD), chúng nên được đặt gần mép bảng và gần khu vực sẽ cho phép người dùng cảm nhận rõ ràng nhất về độ rung. Bố trí bảng mạch cho những thành phần này như bạn sẽ làm với bất kỳ động cơ DC/AC nhỏ nào khác.

Do yêu cầu về điện áp và dòng điện, luôn có câu hỏi về việc khớp trở kháng so với việc cầu nối trở kháng khi kết nối một động cơ rung với một bộ điều khiển. Động cơ rung haptic cơ bản là các bộ chuyển đổi mà phát ra một rung động cơ học tần số thấp cụ thể phản ứng với một tín hiệu điện tần số thấp.

Nếu bạn đọc một số hướng dẫn về bộ chuyển đổi, ngay cả trên các trang web phổ biến kỹ thuật nặng, bạn sẽ tìm thấy một số khuyến nghị thiết kế cho rằng cần phải khớp trở kháng giữa IC nguồn và bộ chuyển đổi. Đây chính là lời khuyên như người ta có thể tìm thấy trên EDN và Hyperphysics, cho đến khi một số khiếu nại buộc chủ sở hữu trang web phải thay đổi nội dung của họ. Việc sử dụng khớp trở kháng hay cầu nối trở kháng phụ thuộc vào bản chất của bộ điều khiển.

Nếu trình điều khiển thực sự là một nguồn điện áp được điều khiển bởi dòng điện (tức là, trở kháng đầu ra thấp), thì cầu trở kháng nên được sử dụng để chuyển điện áp đầu ra cao đến động cơ. Đây cơ bản là những gì được thực hiện với thiết bị âm thanh hiện đại. Tuy nhiên, nếu trình điều khiển có chức năng ngược lại, động cơ nên được chọn sao cho trở kháng của nó thấp hơn nhiều so với trở kháng nguồn. Hiệu ứng đường truyền không liên quan ở đây vì chúng ta đang hoạt động ở hàng trăm Hz.

Thuật toán Phản hồi Haptic

Một phần quan trọng của phản hồi xúc giác là việc thay đổi cảm giác rung động khi một số đầu vào khác vào hệ thống thay đổi. Dữ liệu có thể được nhập vào hệ thống cùng với một số phép đo từ các cảm biến bên ngoài và được sử dụng để kiểm soát cường độ rung của phản hồi xúc giác. Những hệ thống này có thể là hệ thống vòng mở hoặc vòng kín, và chúng giống như các chiến lược kiểm soát được sử dụng trong các hệ thống kiểm soát công nghiệp.

Các thuật toán phản hồi xúc giác đủ nhẹ để được nhúng vào một MCU hoặc FPGA nhỏ, miễn là thiết bị có đủ đầu vào để hỗ trợ các chức năng khác trong sản phẩm. Các thuật toán phản hồi xúc giác vẫn cần được thiết kế cho các sản phẩm cụ thể, và những thuật toán này vẫn là một lĩnh vực nghiên cứu khoa học và kỹ thuật đang được quan tâm.

Nếu bạn dự định tích hợp rung động và phản hồi xúc giác vào một PCB mới, bạn nên sử dụng các công cụ CAD trong Altium Designer® để thiết kế bảng mạch mới của bạn và đặt các mô hình linh kiện cho động cơ rung động xúc giác của bạn. Các công cụ MCAD có thể giúp bạn thiết kế bảng mạch của mình để vừa vặn gọn gàng với vỏ bảo vệ và chuẩn bị cho việc sản xuất.

Bây giờ bạn có thể tải xuống phiên bản dùng thử miễn phí của Altium Designer và tìm hiểu thêm về các công cụ sắp xếp, mô phỏng và lập kế hoạch sản xuất tốt nhất trong ngành. Nói chuyện với một chuyên gia Altium ngày hôm nay để tìm hiểu thêm.