Como usar dispositivos hápticos para melhorar a percepção nas interfaces de homem-máquina

A necessidade de interfaces mais eficazes de homem-máquina (HMIs) e uma percepção melhorada está impulsionando a adoção da háptica nas aplicações da Indústria 4.0, nos sistemas automotivos, médicos e de primeiros socorros, nos dispositivos de Internet das coisas (IoT), nos dispositivos vestíveis e em outros de consumo. Por exemplo, os dispositivos hápticos podem fornecer resposta em VR (realidade virtual) ou AR (realidade aumentada) baseadas em sistemas de treinamento médico e reabilitação de pacientes, ou podem fornecer alertas aprimorados em um volante para informar os motoristas sobre condições potencialmente inseguras. Dispositivos hápticos também estão sendo usados em combinação com outras tecnologias HMI, como o som, para proporcionar interfaces sensoriais mais imersivas e realistas.

Alguns dos desafios que os projetistas enfrentam ao usar a háptica estão em selecionar a tecnologia háptica correta — massa rotativa excêntrica (ERM) ou atuador ressonante linear (LRA) — integrando-a corretamente em um sistema para atingir o nível desejado de resposta, acionando-o e compreendendo como testar sua vibração, desempenho em ruído e confiabilidade.

Este artigo começa com uma breve revisão dos benefícios que a resposta háptica pode trazer a vários cenários de aplicação. Em seguida, introduz opções de tecnologia háptica com exemplos reais de dispositivos hápticos da PUI Audio. Discute como integrar dispositivos hápticos em sistemas, incluindo um exemplo de um CI acionador háptico, e finaliza detalhando metodologias para testar o desempenho em vibração e ruído.

Interfaces multissensoriais

A tecnologia háptica está sendo cada vez mais utilizada em combinação com resposta visual e auditiva para criar ambientes multissensoriais e interação aprimorada entre humanos e máquinas. As interfaces hápticas podem incluir roupas, luvas, telas sensíveis ao toque e outros objetos, como dispositivos móveis e mouse de computador.

A interação multissensorial é particularmente útil em ambientes onde um elemento HMI não-visual, como a háptica ou o som, pode permitir que o usuário se mantenha concentrado na tarefa em mãos, como controlar remotamente máquinas ou ferramentas cirúrgicas, ou dirigir um carro. A integração da háptica nas HMIs também suporta a interação manual aprimorada com ambientes virtuais ou sistemas remotos teleoperados. Para obter o máximo benefício da integração háptica em uma HMI, os projetistas precisam entender os compromissos de desempenho das tecnologias hápticas.

Tecnologias de dispositivos hápticos

As tecnologias hápticas mais comuns são ERM e LRA. Um ERM usa uma massa fora de centro no eixo do motor para causar um desequilíbrio e criar vibração. Os dispositivos ERM são acionados com tensões de corrente contínua (CC) relativamente simples. O uso da alimentação CC, combinado com seu projeto mecânico relativamente simples, tem vários compromissos:

Vantagens:

• Simples de acionar
• Baixo custo
• Fator de forma flexível
• Integração mais simples do sistema para alguns projetos

Desvantagens:

• Alto consumo de energia
• Resposta lenta
• Tamanho maior da solução

Em vez de usar uma massa excêntrica para criar vibrações de múltiplos eixos, um dispositivo LRA vibra em um movimento linear usando uma bobina de alto-falante, um ímã circular e uma mola. Os dispositivos LRA requerem acionamentos de corrente alternada (CA) para alimentar a bobina de alto-falante. A corrente CA cria um campo magnético variável na bobina de alto-falante que faz com que o ímã se mova para cima e para baixo. A mola conecta o ímã à carcaça do dispositivo, transferindo energia vibracional para o sistema. Como os dispositivos LRA são baseados em uma bobina de alto-falante e não dependem das escovas usadas nos ERMs, eles consomem menos energia para uma dada força de vibração. A frenagem pode ser implementada acionando um dispositivo LRA com 180° de deslocamento de fase, acelerando o tempo de resposta.

Os dispositivos LRA operam eficientemente em bandas ressonantes relativamente estreitas (geralmente ±2 a ±5 Hertz (Hz)). Como resultado das tolerâncias de fabricação, envelhecimento dos componentes, condições ambientais e considerações de montagem, a freqüência de ressonância exata de um dispositivo LRA pode variar, complicando o projeto do circuito de acionamento. A tecnologia háptica LRA apresenta aos projetistas um conjunto diferente de vantagens e desvantagens em comparação com os dispositivos ERM:

Vantagens:

• Tempo de resposta mais rápido
• Maior eficiência
• Aumento da aceleração
• A frenagem é possível
• Pode ser menor em tamanho

Desvantagens:

• A frequência ressonante pode variar
• Desafio para acionar
• Custo mais alto

Além das diferenças em seu funcionamento, os dispositivos ERM e LRA estão disponíveis em vários estilos de invólucros. Os dispositivos ERM podem estar em invólucros de estilo moeda ou barra, enquanto os LRAs estão em invólucros de estilo moeda, prismáticos (retangulares) ou em invólucros cilíndricos (Figura 1). Os dispositivos estilo moeda ERM e LRA tendem a ter cerca de 8 milímetros (mm) de diâmetro com espessuras de cerca de 3 mm. Os dispositivos hápticos ERM tipo barra são maiores, medindo cerca de 12 mm de comprimento por 4 mm de largura.

Figura 1: Os ERMs estão disponíveis em invólucros de estilo barra ou moeda, enquanto que os LRAs vêm em formatos de moeda, cilíndricos ou prismáticos. (Fonte da imagem: PUI Audio)

Dispositivos ERM estilo moeda

Para aplicações tais como vestíveis que podem se beneficiar de um dispositivo ERM estilo moeda, os projetistas podem usar o HD-EM0803-LW20-R com diâmetro de 8 mm por 3 mm de espessura da PUI Audio. As especificações para o HD-EM0803-LW20-R incluem:

• Velocidade nominal de 12.000 (±3.000) rotações por minuto (rpm)
• Resistência terminal de 38 ohms (Ω) (±50%)
• Tensão de entrada de 3 volts CC
• Consumo nominal de corrente a 80 miliamperes (mA)
• Faixa da temperatura de operação de -20 a +60 graus Celsius (°C)

Para dispositivos que precisam operar em ambientes térmicos mais desafiadores, os projetistas podem recorrer ao HD-EM1003-LW15-R, dimensionado para operação de -30°C a +70°C. Tem a mesma velocidade nominal e é do mesmo tamanho que o HD-EM0803-LW20-R, e apresenta uma resistência terminal de 46 Ω (±50%) com um consumo nominal de corrente de 85 mA. Ambos os dispositivos ERM estilo moeda podem ser acionados com alimentação CC positiva ou negativa para movimento no sentido horário ou anti-horário. Eles incluem fios condutores de 20 mm para conexões elétricas flexíveis e produzem um ruído acústico máximo de 50 decibéis ambiente (dBA).

ERMs de barra

O HD-EM1206-SC-R mede 12,4 mm de comprimento por 3,8 mm de largura. Tem uma velocidade nominal de 12.000 (±3.000) rpm quando acionado com 3 volts CC. É dimensionado para operação de -20 a +60°C e produz um máximo de 50 dBA de ruído acústico. Projetos que exigem níveis mais baixos de ruído acústico podem usar o HD-EM1204-SC-R (Figura 2). Isto produz um ruído acústico máximo de apenas 45 dBA. Também tem uma velocidade nominal mais alta de 13.000 (±3.000) rpm, e uma faixa de temperatura operacional mais ampla de -30°C a +70°C, em comparação com o HD-EM1206-SC-R. Ambos os dispositivos têm uma baixa resistência terminal de 30 Ω (±20%) e um consumo nominal de corrente de 90 mA.

Figura 2: O ERM HD-EM1204-SC-R é adequado para aplicações que requerem baixos níveis de ruído acústico. (Fonte da imagem: PUI Audio)

Dispositivo LRA

Projetos que requerem maior rapidez nos tempos de resposta, maior eficiência energética e vibração mais forte podem usar o dispositivo LRA HD-LA0803-LW10-R de 8 mm de diâmetro por 3,2 mm de altura da PUI Audio (Figura 3). Os dispositivos LRA são mais precisos, em relação aos ERM hápticos. Por exemplo, a resistência dos dispositivos ERM varia de 30 (±20%) a 46 Ω (±50%), enquanto a resistência do HD-LA0803-LW10-R é especificada como 25 Ω (±15%). O consumo de potência do HD-LA0803-LW10-R é de cerca de 180 miliwatt (mW), (2 V_RMS x 90 mA), enquanto os dispositivos ERM discutidos acima consomem de 240 a 270 mW. Este dispositivo LRA tem uma faixa de temperatura operacional de -20 a +70°C.

Figura 3: O LRA HD-LA0803-LW10-R combina forte vibração, rápidos tempos de resposta e eficiência energética. (Fonte da imagem: PUI Audio)

Integração de sistemas

O uso de fita dupla face é o método de montagem preferido para dispositivos hápticos de estilo moeda, e fornece o melhor acoplamento de vibração para o sistema. Os dispositivos de fita dupla face incluem fios condutores que requerem conexões de furo passante e soldagem manual à placa de circuito. Os dispositivos de barra, cilíndricos e prismáticos estão disponíveis com dois estilos diferentes de integração de sistemas: fita dupla face e contatos de mola. Quando a fita dupla face é usada, estes dispositivos incluem fios condutores soldados à mão como dispositivos do tipo moeda. O uso de contatos de mola combina as funções de acoplamento por vibração com a conectividade elétrica. Os contatos de mola eliminam a necessidade de soldagem manual, simplificando a montagem e reduzindo os custos. Além disso, o uso de contatos de mola pode simplificar os reparos no campo.

Acionando dispositivos hápticos

Circuitos discretos de acionamento podem ser usados com dispositivos LRA e ERM. Embora o uso de um acionador feito com componentes discretos possa reduzir os custos, especialmente para projetos relativamente simples, pode resultar em uma solução de tamanho maior e tempo de comercialização mais lento, em comparação com um IC acionador. Para aplicações que necessitam de uma solução compacta e de alto desempenho, os projetistas podem recorrer ao DRV2605L da Texas Instruments. O DRV2605L é um sistema completo de controle em malha fechada para resposta tátil de alta qualidade que pode acionar tanto dispositivos ERM quanto LRA (Figura 4). O DRV2605L inclui acesso ao software TouchSense 2200 da Immersion com mais de 100 efeitos hápticos licenciados, além de uma função de conversão de áudio para vibração.

Figura 4: O CI DRV2605L pode acionar dispositivos hápticos LRA ou ERM. (Fonte da imagem: Texas Instruments)

Teste de vibração

Como os dispositivos hápticos operam com base na vibração, é importante que eles sejam construídos de forma robusta. A PUI Audio especificou um gabarito de teste a ser usado para testes de vibração, mostrado na Figura 5. O teste é implementado com um sistema de teste de vibrações eletrodinâmicas de grau industrial. Pode ser programado para testes específicos de vibração para simular várias condições, tais como vibração senoidal, vibração aleatória e pulso de choque mecânico.

Figura 5: Gabarito de teste recomendado para o teste de vibração de dispositivos hápticos. (Fonte da imagem: PUI Audio)

Há três testes de vibração especificados pela PUI Audio para seus dispositivos hápticos (ver Tabela 1). Após o teste ter sido administrado, e os dispositivos "descansados" por quatro horas, eles são obrigados a atender as especificações de velocidade nominal (para dispositivos ERM) ou aceleração (para modelos LRA), bem como resistência, corrente nominal e ruído.

Tabela 1: Especificações do teste de vibração para dispositivos hápticos. (Fonte da tabela: PUI Audio)

Além dos testes de vibração, a PUI Audio definiu os testes de choque da seguinte forma:

• Aceleração: Meia onda senoidal 500 g
• Tempo de duração: 2 milissegundos (ms)
• Teste/face: 3 vezes/6 faces para um total de 18 choques

Os critérios de aprovação/reprovação são os mesmos que para os testes de vibração.

Medindo o ruído acústico

O nível de ruído acústico (mecânico) produzido pelos dispositivos hápticos varia, dependendo da forma como o dispositivo háptico é montado, desempenhando um papel fundamental na minimização do nível de ruído. A PUI Audio recomenda o uso de um arranjo de teste específico para medir o ruído acústico de dispositivos hápticos, mostrado na Figura 6. O teste deve ser realizado em uma sala protegida com 23 dBA de ruído ambiente. Se o dispositivo for montado no gabarito de 75 g, como será instalado no sistema, este teste informará os projetistas sobre o nível de ruído a ser esperado da aplicação.

Figura 6: Gabarito de teste recomendado para medir o ruído acústico do dispositivo háptico. (Fonte da imagem: PUI Audio)

Conclusão

Ao fornecer resposta tátil aos usuários, a tecnologia háptica pode ser usada para melhorar o desempenho da HMI e ajudar a criar ambientes multissensoriais de alto desempenho. Ao considerar o uso da háptica, entretanto, os projetistas precisam entender os compromissos entre as tecnologias ERM e LRA, como acioná-los efetivamente e como testá-los para garantir que os níveis necessários de confiabilidade e desempenho do sistema sejam notados. Como mostrado, dispositivos hápticos estão prontamente disponíveis, assim como os acionadores e procedimentos de teste.

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