Cómo utilizar la háptica para mejorar la percepción en las interfaces hombre-máquina

La necesidad de contar con interfaces hombre-máquina (HMI) más eficaces y de mejorar la percepción está impulsando la adopción de la háptica en aplicaciones de la Industria 4.0, sistemas de automoción, médicos y de primera respuesta, dispositivos del Internet de las cosas (IoT), para vestir y otros dispositivos de consumo. Por ejemplo, los dispositivos hápticos pueden proporcionar información en sistemas de formación médica y rehabilitación de pacientes basados en la RV (realidad virtual) o la RA (realidad aumentada), o pueden proporcionar alertas mejoradas en un volante para informar a los conductores de condiciones potencialmente inseguras. La háptica también se utiliza en combinación con otras tecnologías de HMI, como el sonido, para ofrecer interfaces sensoriales más envolventes y realistas.

Algunos de los retos a los que se enfrentan los diseñadores al utilizar la háptica son la selección de la tecnología háptica correcta -masa rotatoria excéntrica (ERM) o actuador lineal resonante (LRA)-, la integración adecuada en un sistema para lograr el nivel deseado de retroalimentación, su accionamiento y la comprensión de cómo probar su vibración, rendimiento acústico y fiabilidad.

Este artículo comienza con un breve repaso de las ventajas que la retroalimentación háptica puede aportar a varios escenarios de aplicación. A continuación, presenta las opciones de tecnología háptica junto con ejemplos reales de dispositivos hápticos de PUI Audio. En él se explica cómo integrar los dispositivos hápticos en los sistemas, incluido un ejemplo de CI de controlador háptico, y se concluye detallando las metodologías para probar el rendimiento de las vibraciones y el ruido.

Interfaces multisensoriales

La háptica se utiliza cada vez más en combinación con la retroalimentación visual y auditiva para crear entornos multisensoriales y mejorar la interacción entre humanos y máquinas. Las interfaces hápticas pueden incluir ropa, guantes, pantallas táctiles y otros objetos como dispositivos móviles y mouse de computadoras.

La interacción multisensorial es especialmente útil en entornos en los que un elemento no visual de la HMI, como la háptica o el sonido, puede permitir al usuario mantener la concentración en la tarea que está realizando, como el control remoto de maquinaria o herramientas quirúrgicas, o la conducción de un coche. La integración de la háptica en las HMI también permite mejorar la interacción manual con entornos virtuales o sistemas remotos teleoperados. Para obtener el máximo beneficio de la integración de la háptica en una IHM, los diseñadores deben comprender las compensaciones de rendimiento de las tecnologías hápticas.

Tecnologías de dispositivos hápticos

Las tecnologías hápticas más comunes son la ERM y la LRA. Un ERM utiliza una masa descentrada en el eje del motor para provocar un desequilibrio y crear vibraciones. Los dispositivos ERM se accionan con tensiones de corriente continua (CC) relativamente sencillas. El uso de la corriente continua, combinado con su diseño mecánico relativamente sencillo, tiene varios inconvenientes:

Ventajas:

• Simple de manipular
• Bajo costo
• Factor de forma flexible
• Integración del sistema más sencilla para algunos diseños

Desventajas:

• Alto consumo de energía
• Respuesta lenta
• Mayor tamaño de la solución

En lugar de utilizar una masa excéntrica para crear vibraciones multieje, un dispositivo LRA vibra con un movimiento lineal utilizando una bobina de voz, un imán circular y un muelle. Los dispositivos LRA requieren accionamientos de corriente alterna (CA) para alimentar la bobina móvil. La CA crea un campo magnético variable en la bobina móvil que hace que el imán se mueva hacia arriba y hacia abajo. El muelle conecta el imán con la carcasa del aparato, transfiriendo la energía vibratoria al sistema. Dado que los dispositivos LRA se basan en una bobina de voz y no dependen de las escobillas utilizadas en los ERM, consumen menos energía para una intensidad de vibración determinada. El frenado puede implementarse accionando un dispositivo LRA con 180° de desplazamiento de fase, lo que acelera los tiempos de respuesta.

Los dispositivos LRA funcionan eficazmente en bandas de resonancia relativamente estrechas (normalmente de ±2 a ±5 Hertz (Hz)). Como resultado de las tolerancias de fabricación, el envejecimiento de los componentes, las condiciones ambientales y las consideraciones de montaje, la frecuencia de resonancia exacta de un dispositivo LRA puede variar, complicando el diseño del circuito de accionamiento. La háptica LRA presenta a los diseñadores un conjunto diferente de ventajas y desventajas en comparación con los dispositivos ERM:

Ventajas:

• Tiempo de respuesta más rápido
• Mayor eficiencia
• Aumento de la aceleración
• Se puede frenar
• Puede ser de menor tamaño

Desventajas:

• La frecuencia de resonancia puede variar
• Desafío para conducir
• Mayor costo

Además de las diferencias en su funcionamiento, los dispositivos ERM y LRA están disponibles en varios estilos de embalaje. Los dispositivos ERM pueden presentarse en envases de monedas o de barras, mientras que los LRA se presentan en envases de monedas, prismáticos (rectangulares) o de barril (Figura 1). Los dispositivos ERM y LRA de tipo moneda suelen tener unos 8 milímetros (mm) de diámetro y un grosor de unos 3 mm. Los dispositivos hápticos ERM de tipo barra son más grandes y miden unos 12 mm de largo por 4 mm de ancho.

Figura 1: Los ERM están disponibles en envases de barra o de moneda, mientras que los LRA vienen en formatos de moneda, barril o prismáticos. (Fuente de la imagen: PUI Audio)

Dispositivos ERM tipo moneda

Para aplicaciones como los dispositivos para vestir, que pueden beneficiarse de un dispositivo ERM tipo moneda, los diseñadores pueden utilizar el HD-EM0803-LW20-R de PUI Audio, de 8 mm de diámetro por 3 mm de grosor. Las especificaciones del HD-EM0803-LW20-R incluyen:

• Velocidad nominal de 12.000 (±3.000) revoluciones por minuto (rpm)
• Resistencia de los terminales de 38 ohmios (Ω) (±50%)
• Tensión de entrada de 3 voltios CC
• Consumo de corriente nominal de 80 miliamperios (mA)
• Rango de temperatura de funcionamiento de -20 a +60 grados Celsius (°C)

Para los dispositivos que deban funcionar en entornos térmicos más difíciles, los diseñadores pueden recurrir al HD-EM1003-LW15-R, con capacidad para funcionar entre -30 °C y +70 °C. Tiene la misma velocidad nominal y el mismo tamaño que el HD-EM0803-LW20-R, y presenta una resistencia de terminal de 46 Ω (±50%) con un consumo de corriente nominal de 85 mA. Ambos dispositivos ERM de tipo moneda pueden ser accionados con corriente continua positiva o negativa para el movimiento en sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario. Incluyen cables de 20 mm para conexiones eléctricas flexibles y producen un ruido acústico máximo de 50 decibelios ambientales (dBA).

Bares ERM

El HD-EM1206-SC-R mide 12.4 mm de largo por 3.8 mm de ancho. Tiene una velocidad nominal de 12,000 (±3,000) rpm cuando se acciona con 3 voltios CC. Está preparado para funcionar entre -20 y +60 °C y produce un máximo de 50 dBA de ruido acústico. Los diseños que requieren niveles más bajos de ruido acústico pueden utilizar el HD-EM1204-SC-R (Figura 2). Esto produce un ruido acústico máximo de sólo 45 dBA. También tiene una mayor velocidad nominal de 13,000 (±3,000) rpm, y un rango de temperatura de funcionamiento más amplio, de -30 °C a +70 °C, en comparación con el HD-EM1206-SC-R. Ambos dispositivos tienen una baja resistencia terminal de 30 Ω (±20%) y un consumo de corriente nominal de 90 mA.

Figura 2: El ERM HD-EM1204-SC-R es adecuado para aplicaciones que requieren bajos niveles de ruido acústico. (Fuente de la imagen: PUI Audio)

Dispositivo LRA

Los diseños que requieren tiempos de respuesta más rápidos, una mayor eficiencia energética y una vibración más fuerte pueden utilizar el dispositivo LRA HD-LA0803-LW10-R de 8 mm de diámetro por 3.2 mm de altura de PUI Audio (Figura 3). Los dispositivos LRA son más precisos, en relación con los hápticos ERM. Por ejemplo, la resistencia de los dispositivos ERM oscila entre 30 (±20%) y 46 Ω (±50%), mientras que la resistencia del HD-LA0803-LW10-R está especificada en 25 Ω (±15%). El consumo de energía del HD-LA0803-LW10-R es de unos 180 milivatios (mW), (2V_RMS x 90 mA), mientras que los dispositivos ERM mencionados anteriormente consumen de 240 a 270 mW. Este dispositivo LRA tiene un rango de temperatura de funcionamiento de -20 a +70 °C.

Figura 3: El LRA HD-LA0803-LW10-R combina fuertes vibraciones, rápidos tiempos de respuesta y eficiencia energética. (Fuente de la imagen: PUI Audio)

Integración de sistema

El uso de cinta adhesiva de doble cara es el método de montaje preferido para los dispositivos hápticos tipo moneda, y proporciona el mejor acoplamiento de vibración al sistema. Los dispositivos con cinta adhesiva de doble cara incluyen cables conductores que requieren conexiones a través de agujeros y soldadura manual a la placa de circuito. Los dispositivos de barra, barril y prismáticos están disponibles con dos estilos diferentes de integración del sistema: cinta de doble cara y contactos de muelle. Cuando se utiliza cinta adhesiva de doble cara, estos dispositivos incluyen cables de conexión soldados a mano como los dispositivos tipo moneda. El uso de contactos de muelle combina las funciones de acoplamiento de vibraciones junto con la conectividad eléctrica. Los contactos de muelle eliminan la necesidad de soldar a mano, lo que simplifica el montaje y reduce los costes. Además, el uso de contactos de muelle puede simplificar las reparaciones sobre el terreno.

Accionamiento de dispositivos hápticos

Los circuitos de accionamiento discretos pueden utilizarse con dispositivos LRA y ERM. Si bien el uso de un driver fabricado con componentes discretos puede reducir los costos, especialmente en el caso de diseños relativamente sencillos, puede dar lugar a una solución de mayor tamaño y a un tiempo de comercialización más lento, en comparación con un CI de driver. Para aplicaciones que necesitan una solución compacta y de alto rendimiento, los diseñadores pueden recurrir al DRV2605L de Texas Instruments. El DRV2605L es un completo sistema de control de bucle cerrado para una retroalimentación táctil de alta calidad que puede accionar dispositivos ERM y LRA (Figura 4). El DRV2605L incluye acceso al software TouchSense 2200 de Immersion con más de 100 efectos hápticos con licencia, además de una función de conversión de audio a vibración.

Figura 4: El CI DRV2605L puede accionar dispositivos hápticos LRA o ERM. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Pruebas de vibración

Dado que los dispositivos hápticos funcionan a base de vibraciones, es importante que su construcción sea resistente. PUI Audio ha especificado una plantilla de prueba que se utilizará para las pruebas de vibración, que se muestra en la figura 5. La prueba se realiza con un sistema de prueba de vibración electrodinámica de grado industrial. Se puede programar para pruebas de vibración específicas para simular diversas condiciones, como la vibración sinusoidal, la vibración aleatoria y el impulso de choque mecánico.

Figura 5: Plantilla recomendada para las pruebas de vibración de los dispositivos hápticos. (Fuente de la imagen: PUI Audio)

Hay tres pruebas de vibración especificadas por PUI Audio para sus dispositivos hápticos (véase la Tabla 1). Tras la realización de las pruebas y el "reposo" de los dispositivos durante cuatro horas, estos deben cumplir las especificaciones de velocidad nominal (para los dispositivos ERM) o de aceleración (para los modelos LRA), así como de resistencia, corriente nominal y ruido.

Tabla 1: Especificaciones de las pruebas de vibración de los dispositivos hápticos. (Fuente de la tabla: PUI Audio)

Además de las pruebas de vibración, PUI Audio ha definido las pruebas de choque como sigue:

• Aceleración: Semisinusoidal 500 g
• Tiempo de duración: 2 milisegundos (ms)
• Prueba/cara: 3 veces/6 caras para un total de 18 descargas

Los criterios de aprobado/desaprobado son los mismos que para las pruebas de vibración.

Medición del ruido acústico

El nivel de ruido acústico (mecánico) producido por los dispositivos hápticos varía, y la forma de montar el dispositivo háptico desempeña un papel fundamental para minimizar el nivel de ruido. PUI Audio recomienda el uso de una configuración de prueba específica para medir el ruido acústico de los dispositivos hápticos, que se muestra en la Figura 6. La prueba debe realizarse en una sala blindada con 23 dBA de ruido ambiental. Si el dispositivo se monta en la plantilla de 75 g tal y como se instalará en el sistema, esta prueba informará a los diseñadores sobre el nivel de ruido que cabe esperar de la aplicación.

Figura 6: Plantilla de ensayo recomendada para medir el ruido acústico de los dispositivos hápticos. (Fuente de la imagen: PUI Audio)

Conclusión:

Al proporcionar información táctil a los usuarios, la háptica puede utilizarse para mejorar el rendimiento de la HMI y ayudar a crear entornos multisensoriales de alto rendimiento. Sin embargo, al considerar el uso de la háptica, los diseñadores deben comprender las compensaciones entre las tecnologías ERM y LRA, cómo manejarlas eficazmente y cómo probarlas para garantizar que se alcancen los niveles necesarios de fiabilidad y rendimiento del sistema. Como se ha demostrado, los dispositivos hápticos son fáciles de conseguir, al igual que los controladores y los procedimientos de prueba.

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