Miten haptiikan käytöllä parannetaan HMI-käyttöliittymien hahmottamista

Tehokkaampien käyttöliittymien (HMI) ja paremman hahmottamisen tarve lisää haptisen teknologian käyttöönottoa teollisuus 4.0 -sovelluksissa, autoteollisuudessa, lääkinnällisissä ja ensiapujärjestelmissä, esineiden internetin (IoT) laitteissa, puettavissa ja muissa kuluttajalaitteissa. Haptiset laitteet voivat esimerkiksi tarjota palautetta virtuaalitodellisuuteen (VR) tai laajennettuun todellisuuteen (AR) perustuvissa lääkinnällisissä koulutus- ja kuntoutusjärjestelmissä. Vaihtoehtoisesti ne voivat antaa kuljettajille parannettuja hälytyksiä ajon aikana mahdollisesti vaarallisista olosuhteista. Haptiikkaa käytetään myös yhdessä muiden HMI-tekniikoiden kanssa, esimerkkinä äänen kanssa. Näin voidaan tarjota entistä immersiivisempiä ja realistisempia aistiperusteisia käyttöliittymiä.

Haptisten järjestelmien suunnittelussa haasteita asettavat muun muassa sopivan haptisen teknologian – epäkeskisen pyörivän massan (ERM) tai lineaarisen resonanssiaktuaattorin (LRA) – valitseminen, sen integrointi järjestelmään halutun palautetason saavuttamiseksi ja sen ohjaus. Lisäksi on ymmärrettävä, miten tärinän ja äänen suorituskykyä sekä luotettavuutta testataan.

Tämä artikkeli alkaa lyhyellä katsauksella haptisen palautteen tarjoamista hyödyistä erilaisissa sovellusskenaarioissa. Sen jälkeen siinä esitellään haptisia teknologiavaihtoehtoja sekä käytännön esimerkkejä PUI Audion haptisista laitteista. Artikkelissa käsitellään sitä, miten haptiset laitteet integroidaan järjestelmiin, mukaan lukien esimerkki haptisesta ohjainmikropiiristä. Lopuksi siinä esitellään yksityiskohtaisesti tärinän ja melun suorituskyvyn testausmenetelmiä.

Moniaistiset käyttöliittymät

Haptiikkaa käytetään yhä enemmän yhdessä visuaalisen ja auditiivisen palautteen kanssa moniaististen ympäristöjen luontiin ja ihmisten ja koneiden välisen vuorovaikutuksen parantamiseen. Haptisia käyttöliittymiä voivat olla vaatteet, käsineet, kosketusnäytöt ja muut esineet, kuten mobiililaitteet ja tietokoneen hiiret.

Moniaistinen vuorovaikutus on erityisen hyödyllistä ympäristöissä, joissa ei-visuaalinen käyttöliittymäelementti, kuten haptiikka tai ääni, voi auttaa käyttäjää keskittymään senhetkiseen tehtävään, kuten koneiden tai kirurgisten välineiden kauko-ohjaukseen tai auton ajamiseen. Haptiikan integrointi käyttöliittymiin parantaa myös manuaalista vuorovaikutusta virtuaaliympäristöjen tai telekäyttöisten etäjärjestelmien kanssa. Jotta haptiikan integroinnista käyttöliittymään saataisiin maksimaalinen hyöty, suunnittelijoiden on ymmärrettävä haptisten teknologioiden suorituskykyyn liittyvät hyvät ja huonot puolet.

Haptiset laiteteknologiat

Yleisimmät haptiset teknologiat ovat ERM ja LRA. ERM käyttää epäkeskomassaa moottorin akselilla. Tämä aiheuttaa epätasapainon ja siten tärinää. ERM-laitteita ohjataan suhteellisen yksinkertaisilla tasajännitteillä (DC). DC-virran käyttöön ja sen suhteellisen yksinkertaiseen mekaaniseen rakenteeseen liittyy useita hyötyjä ja haittoja:

Hyödyt:

• Helppo ohjattavuus
• Edullinen
• Joustava koko
• Jotkin mallit helpompi integroida järjestelmään

Haitat:

• Suuri energiankulutus
• Hidas vaste
• Suurempi ratkaisukoko

Sen sijaan, että moniakselisen tärinän tuottamiseen käytettäisiin epäkeskistä massaa, LRA-komponentti värähtelee lineaarisessa liikkeessä puhekelan, pyöreän magneetin ja jousen avulla. LRA-komponentit vaativat vaihtovirtaohjausta (AC) äänikelan aktivointiin. AC luo puhekelaan muuttuvan magneettikentän, joka saa magneetin liikkumaan ylös ja alas. Jousi yhdistää magneetin komponentin koteloon ja siirtää värinäenergian järjestelmään. Koska LRA-komponentit perustuvat puhekelaan eivätkä ERM-laitteissa käytettäviin harjoihin, ne kuluttavat vähemmän sähköä samalla värinävoimakkuudella. Jarrutus voidaan toteuttaa ohjaamalla LRA-komponenttia 180°:n vaihesiirtymällä, mikä lyhentää vasteaikoja.

LRA-komponentit toimivat tehokkaasti suhteellisen kapeilla resonanssikaistoilla (yleensä ±2 ... ±5 hertsiä (Hz)). LRA-komponentin tarkka resonanssitaajuus voi vaihdella valmistustoleranssien, komponenttien vanhenemisen, ympäristöolosuhteiden ja asennukseen liittyvien näkökohtien vuoksi, mikä vaikeuttaa ohjauspiirin suunnittelua. LRA-haptiikka tarjoaa suunnittelijoille erilaisia etuja ja haittoja kuin ERM-laitteet:

Hyödyt:

• Nopeampi vasteaika
• Korkeampi hyötysuhde
• Suurempi kiihtyvyys
• Jarrutus on mahdollista
• Pienempi koko mahdollinen

Haitat:

• Resonanssitaajuus voi vaihdella
• Haastava ohjata
• Korkeammat kustannukset

Toimintaerojen lisäksi ERM- ja LRA-komponentteja on saatavana useissa eri kotelomuodoissa. ERM-komponentit voivat käyttää nappi- tai palkkimaisia koteloita, kun taas LRA-komponentit käyttävät napin, särmiön (suorakulmion) tai ympyrälieriön muotoisia koteloita (kuva 1). Nappimalliset ERM- ja LRA-komponentit ovat yleensä halkaisijaltaan noin 8 millimetriä (mm) ja niiden paksuus on noin 3 mm. Palkkityyppiset ERM-haptiikkakomponentit ovat suurempia; noin 12 mm pitkiä ja 4 mm leveitä.

Kuva 1: ERM-komponentteja on saatavana palkin tai napin muotoisissa koteloissa, kun taas LRA-komponentteja on saatavana nappi-, ympyrälieriö- tai särmiömuodoissa. (Kuvan lähde: PUI Audio)

Nappimalliset ERM-komponentit

Suunnittelijat voivat käyttää PUI Audion HD-EM0803-LW20-R-mallia puettavien laitteiden kaltaisissa sovelluksissa, joissa voidaan käyttää nappimallisia ERM-komponentteja. Sen halkaisija on 8 mm ja paksuus 3 mm. Komponentin HD-EM0803-LW20-R:n tekninen erittely:

• nimellisnopeus 12 000 (±3 000) kierrosta minuutissa (rpm)
• liitäntävastus 38 ohmia (Ω) (±50 %)
• tulojännite 3 volttia DC
• nimellisvirrankulutus 80 milliampeeria (mA)
• käyttölämpötila-alue -20 ... +60 celsiusastetta (°C).

Jos komponentteja täytyy käyttää haastavammissa lämpöympäristöissä, suunnittelijat voivat valita mallin HD-EM1003-LW15-R, joka on tarkoitettu lämpötila-alueelle -30 ... +70 °C. Sen nimellisnopeus ja koko ovat samat kuin mallilla HD-EM0803-LW20-R, ja sen liitäntävastus on 46 Ω (±50 %) ja nimellisvirrankulutus 85 mA. Molempia näitä nappimallisia ERM-komponentteja voidaan ohjata positiivisella tai negatiivisella DC-virralla myötä- tai vastapäivään tapahtuvaa liikettä varten. Ne on varustettu 20 mm:n johtimilla joustavia sähköliitäntöjä varten, ja niiden tuottama äänentaso on jopa 50 desibeliä (dBA).

Palkkimalliset ERM-komponentit

HD-EM1206-SC-R on 12,4 mm pitkä ja 3,8 mm leveä. Sen nimellisnopeus on 12 000 (±3 000) rpm, kun sitä ohjataan 3 voltin DC-virralla. Tämä malli on tarkoitettu lämpötila-alueelle -20 ... +60 °C, ja sen tuottama äänentaso on jopa 50 dBA. Alhaisempaa äänentasoa vaativissa ratkaisuissa voidaan käyttää komponenttia HD-EM1204-SC-R (kuva 2). Se tuottama maksimi äänentaso on vain 45 dBA. Myös sen nimellisnopeus on HD-EM1206-SC-R-komponenttiin verrattuna suurempi, 13 000 (±3 000) rpm, ja sen käyttölämpötila-alue on laajempi, -30 ... +70 °C. Kummallakin niistä on alhainen liitäntävastus 30 Ω (±20 %) ja niiden nimellisvirrankulutus on 90 mA.

Kuva 2: HD-EM1204-SC-R ERM sopii sovelluksiin, joissa vaaditaan alhaista äänentasoa. (Kuvan lähde: PUI Audio)

LRA-laite

Nopeampia vasteaikoja, suurempaa energiatehokkuutta ja voimakkaampaa tärinää vaativissa ratkaisuissa voidaan käyttää PUI Audion komponenttia HD-LA0803-LW10-R, jonka halkaisija on 8 mm ja korkeus 3,2 mm (kuva 3). LRA-komponentit ovat ERM-haptiikan suhteen tarkempia. ERM-komponenttien vastus vaihtelee esimerkiksi arvojen 30 (±20 %) ja 46 Ω (±50 %) välillä, kun taas HD-LA0803-LW10-R-komponentin vastus on 25 Ω (±15 %). HD-LA0803-LW10-R-komponentin virrankulutus on noin 180 milliwattia (mW) (2 V_RMS x 90 mA), kun taas edellä mainittujen ERM-komponenttien virrankulutus on 240–270 mW. Tämän LRA-komponentin käyttölämpötila-alue on -20 ... +70 °C.

Kuva 3: LRA-komponentissa HD-LA0803-LW10-R LRA yhdistyvät voimakas tärinä, nopeat vasteajat ja energiatehokkuus. (Kuvan lähde: PUI Audio)

Järjestelmäintegraatio

Kaksipuolisen teipin käyttö on suositeltavin asennusmenetelmä nappimallisille haptisille komponenteille, ja sillä saadaan aikaan paras tärinäkytkentä järjestelmään. Kaksipuolista teippiä käyttävien laitteiden johtimet vaativat läpiasennusliitäntöjä ja käsin juottamista piirilevyyn. Palkin, ympyrälieriön ja särmiön mallisia komponentteja on saatavana kahdella eri järjestelmäintegraatiovaihtoehdolla: kaksipuolisella teipillä ja jousikoskettimilla. Kun käytetään kaksipuolista teippiä, näissä komponenteissa on käsin juotetut johtimet kuten nappimallisissa laitteissakin. Jousikoskettimien käyttö yhdistää tärinäkytkennän ja sähköisen liitettävyyden toiminnot. Jousikoskettimet poistavat käsinjuottamisen tarpeen, mikä yksinkertaistaa asennusta ja vähentää kustannuksia. Jousikoskettimien käyttö voi myös helpottaa korjauksia käyttöpaikalla.

Haptisten komponenttien ohjaus

LRA- ja ERM-komponenttien kanssa voidaan käyttää erillisiä ohjauspiirejä. Vaikka erillisistä komponenteista valmistetun ohjaimen käyttö voi laskea kustannuksia erityisesti suhteellisen yksinkertaisissa malleissa, ratkaisun koko voi kasvaa ja sen markkinoilletuonti voi olla hitaampaa mikropiiriohjaimeen verrattuna. Suunnittelijat voivat käyttää Texas Instrumentsin mikropiiriä DRV2605L sovelluksissa, joissa tarvitaan kompakti ja suorituskykyinen ratkaisu. DRV2605L on valmis suljetun silmukan ohjausjärjestelmä korkealaatuista taktiilia palautetta varten, ja se voi ohjata sekä ERM- että LRA-komponentteja (kuva 4). DRV2605L sisältää mahdollisuuden Immersionin TouchSense 2200 -ohjelmiston käyttöön, joka tarjoaa yli 100 lisensoitua haptista efektiä sekä muuntotoiminnon äänestä tärinäksi.

Kuva 4: DRV2605L-mikropiiri voi ohjata haptisia LRA- tai ERM-komponentteja. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

Tärinätestaus

Koska haptiset komponentit tärisevät, niiden täytyy olla lujarakenteisia. PUI Audio on määritellyt tärinätestaukseen käytettävän testauslaitteen, joka näkyy kuvassa 5. Testi toteutetaan teollisuustasoisella sähködynaamisella tärinänmittausjärjestelmällä. Se voidaan ohjelmoida erilaisten olosuhteiden simulointiin erityisiä tärinätestejä varten, kuten sinitärinän, satunnaisen tärinän ja mekaanisen iskupulssin.

Kuva 5: Haptisten komponenttien tärinätestaukseen suositeltava testauslaite. (Kuvan lähde: PUI Audio)

PUI Audio on määritellyt omille haptisille komponenteilleen kolme tärinätestiä (katso taulukko 1). Niiden on täytettävä testauksen suorittamisen ja neljän tunnin ”lepoajan” jälkeen nimellisnopeutta (ERM-komponentit) tai kiihtyvyyttä (LRA-mallit) sekä vastusta, nimellisvirtaa ja melua koskevat vaatimukset.

Taulukko 1: Tärinätestispesifikaatio haptisille komponenteille. (Taulukon lähde: PUI Audio)

Tärinätestauksen lisäksi PUI Audio on määritellyt iskutestauksen seuraavasti:

• Kiihtyvyys: puolisinimuotoinen 500 g
• Kestoaika: 2 millisekuntia (ms)
• Testi/puoli: 3 kertaa/6 puolta, yhteensä 18 iskua

Hyväksymis-/hylkäyskriteerit ovat samat kuin tärinätestauksessa.

Äänen mittaaminen

Haptisten komponenttien tuottaman (mekaanisen) äänen taso vaihtelee, ja tällaisen komponentin asennustavalla on ratkaiseva vaikutus äänentason minimointiin. PUI Audio suosittelee haptisten komponenttien synnyttämän äänen mittaamiseen erityistä testausjärjestelyä, joka on esitetty kuvassa 6. Testi on suoritettava suojatussa huoneessa 23 dBA:n ympäristömelussa. Jos komponentti kiinnitetään 75 g:n testilaitteeseen samoin kuin se asennetaan järjestelmään, tämä testi tarjoaa suunnittelijoille tietoa sovelluksen odotettavissa olevasta äänentasosta.

Kuva 6: Haptisen komponentin akustisen äänen mittaamiseen suositeltava testauslaite. (Kuvan lähde: PUI Audio)

Yhteenveto

Haptiikalla voidaan parantaa käyttöliittymän suorituskykyä ja luoda huipputehokkaita moniaistisia ympäristöjä hyödyntäen käyttäjien saamaa taktiilista palautetta. Haptiikan käyttöä harkittaessa suunnittelijoiden on kuitenkin ymmärrettävä ERM- ja LRA-teknologioiden väliset hyvät ja huonot puolet ja tiedettävä, miten komponentteja ohjataan tehokkaasti ja miten niitä testataan. Näin voidaan varmistaa järjestelmän luotettavuuden ja suorituskyvyn toteutuminen vaaditulla tasolla. Kuten edellä on esitetty, haptisia komponentteja on helposti saatavilla, samoin kuin ohjaimia ja testausmenetelmiä.

Suositeltavaa luettavaa

1. Bringing New Dimensions to HMI Implementation Without Needing Heavy Use of Resources (HMI-toteutuksen uudet ulottuvuudet ilman resurssien raskasta käyttöä)
2. How to Properly Implement Audible Alarms in Medical Monitoring (Miten käyttää äänihälytyksiä oikein lääketieteellisessä valvonnassa)