วิธีใช้แฮปติกเพื่อการรับรู้ที่ดีขึ้นในอินเตอร์เฟซสื่อสารกับผู้ใช้งาน

ความต้องการอินเตอร์เฟซสื่อสารกับผู้ใช้งาน (HMI) ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นและการรับรู้ที่ดีขึ้นกำลังผลักดันการนำแฮปติกมาใช้ในการใช้งาน Industry 4.0, อุตสาหกรรมยานยนต์, ระบบการแพทย์และการกู้ชีพเบื้องต้น, อุปกรณ์ Internet of Things (IoT), อุปกรณ์สวมใส่ และอุปกรณ์สำหรับผู้บริโภคอื่น ๆ ตัวอย่างเช่น อุปกรณ์แฮปติกสามารถให้การตอบสนองในระบบการฝึกอบรมทางการแพทย์และการฟื้นฟูผู้ป่วยด้วย VR (ความเป็นจริงเสมือน) หรือ AR (ความเป็นจริงเสริม) หรือสามารถให้การแจ้งเตือนขั้นสูงบนพวงมาลัยเพื่อแจ้งให้ผู้ขับขี่ทราบถึงสภาพที่อาจไม่ปลอดภัย นอกจากนี้ยังใช้แฮปติกร่วมกับเทคโนโลยี HMI อื่น ๆ เช่น เสียง เพื่อให้อินเทอร์เฟซทางประสาทสัมผัสที่สมจริงและเสมือนจริงยิ่งขึ้น

ความท้าทายบางประการที่นักออกแบบต้องเผชิญเมื่อใช้ระบบแฮปติกคือการเลือกเทคโนโลยีแฮปติกที่ถูกต้องไม่ว่าจะเป็นแบบมวลหมุนเยื่องศูนย์ (ERM) หรือตัวกระตุ้นเรโซแนนซ์เชิงเส้น (LRA) เพื่อรวมเข้ากับระบบอย่างเหมาะสมและได้ระดับการตอบสนองที่ต้องการ ขับเคลื่อนโซลูชัน และทำความเข้าใจวิธีการทดสอบการสั่นสะเทือน ประสิทธิภาพเสียง และความน่าเชื่อถือ

บทความนี้เริ่มต้นด้วยการทบทวนสั้น ๆ เกี่ยวกับประโยชน์ที่ได้รับจากการตอบสนองแบบแฮปติกได้ในการใช้งานแบบต่าง ๆ จากนั้นจะแนะนำตัวเลือกเทคโนโลยีแฮปติกพร้อมกับตัวอย่างอุปกรณ์แฮปติกจาก PUI Audio โดยจะกล่าวถึงวิธีการรวมอุปกรณ์แฮปติกเข้ากับระบบต่าง ๆ รวมถึงตัวอย่างไอซีไดรเวอร์แบบแฮปติก และปิดท้ายด้วยรายละเอียดวิธีการทดสอบการสั่นสะเทือนและประสิทธิภาพเสียง

อินเทอร์เฟซแบบพหุประสาท

มีการใช้แฮปติกร่วมกับการตอบสนองทางภาพและการได้ยินมากขึ้น เพื่อสร้างสภาพแวดล้อมแบบพหุประสาท และปรับปรุงการตอบโต้ระหว่างมนุษย์กับเครื่องจักร อินเทอร์เฟซแบบแฮปติกอาจรวมถึงเสื้อผ้า ถุงมือ หน้าจอสัมผัส และวัตถุอื่น ๆ เช่น อุปกรณ์เคลื่อนที่และเมาส์คอมพิวเตอร์

การโต้ตอบแบบพหุประสาทมีประโยชน์อย่างยิ่งในสภาพแวดล้อมที่องค์ประกอบของ HMI ที่ไม่ใช่ภาพ เช่น แฮปติกหรือเสียง สามารถทำให้ผู้ใช้สามารถจดจ่อกับงานในมือได้ เช่น การควบคุมเครื่องจักรหรือเครื่องมือผ่าตัดจากระยะไกล หรือการขับรถ การรวมแฮปติกเข้ากับ HMI ยังสนับสนุนการโต้ตอบแบบแมนนวลที่ได้รับการปรับปรุงกับสภาพแวดล้อมเสมือนหรือระบบระยะไกลที่ทำงานทางไกล เพื่อให้ได้รับประโยชน์สูงสุดจากการรวมระบบแฮปติกเข้ากับ HMI นักออกแบบจำเป็นต้องเข้าใจการแลกเปลี่ยนประสิทธิภาพของเทคโนโลยีแฮปติก

เทคโนโลยีอุปกรณ์แฮปติก

เทคโนโลยีแฮปติกที่พบบ่อยที่สุดคือ ERM และ LRA โดบ ERM ใช้มวลเยื้องศูนย์กลางบนเพลามอเตอร์เพื่อทำให้เกิดความไม่สมดุลและสร้างแรงสั่นสะเทือน อุปกรณ์ ERM นั้นขับเคลื่อนด้วยแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ที่ค่อนข้างเรียบง่าย ซึ่งการใช้พลังงาน DC ร่วมกับการออกแบบทางกลไกที่ค่อนข้างเรียบง่าย มีข้อเสียหลายประการ:

ข้อดี:

• ขับเคลื่อนง่าย
• ราคาถูก
• ฟอร์มแฟกเตอร์ที่ยืดหยุ่น
• การรวมระบบที่ง่ายขึ้นในบางการออกแบบ

ข้อเสีย:

• ใช้พลังงานสูง
• ตอบสนองช้า
• ขนาดโซลูชันที่ใหญ่ขึ้น

แทนที่จะใช้มวลเยื้องศูนย์เพื่อสร้างการสั่นแบบหลายแกน อุปกรณ์ LRA จะสั่นในการเคลื่อนที่เชิงเส้นโดยใช้ขดลวดเสียง แม่เหล็กทรงกลม และสปริง อุปกรณ์ LRA ต้องใช้ไดรฟ์ไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) เพื่อจ่ายไฟให้กับขดลวดเสียง AC สร้างสนามแม่เหล็กแปรผันในขดลวดเสียงที่ทำให้แม่เหล็กเคลื่อนที่ขึ้นและลง สปริงเชื่อมต่อแม่เหล็กเข้ากับตัวเครื่อง เพื่อถ่ายเทพลังงานสั่นสะเทือนไปยังระบบ เนื่องจากอุปกรณ์ LRA นั้นใช้ขดลวดเสียงและไม่พึ่งพาแปรงเหมือนที่ใช้ในอุปกรณ์ ERM อุปกรณ์ชนิดนี้จึงใช้พลังงานน้อยกว่าสำหรับแรงสั่นสะเทือนที่กำหนด การเบรกสามารถทำได้โดยการขับเคลื่อนอุปกรณ์ LRA ที่มีการเปลี่ยนเฟส 180° ซึ่งช่วยเร่งเวลาตอบสนอง

อุปกรณ์ LRA ทำงานอย่างมีประสิทธิภาพในย่านความถี่เรโซแนนซ์ที่ค่อนข้างแคบ (ปกติคือ ±2 ถึง ±5 เฮิรตซ์ (Hz)) ผลจากความคลาดเคลื่อนในการผลิต อายุของส่วนประกอบ สภาวะแวดล้อม และการติดตั้ง ทำให้ความถี่เรโซแนนซ์ที่แน่นอนของอุปกรณ์ LRA อาจแตกต่างกันไปและส่งผลให้การออกแบบวงจรไดรฟ์มีความซับซ้อน แฮปติกแบบ LRA ให้ข้อดีและข้อเสียแก่นักออกแบบที่แตกต่างกันเมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์ ERM:

ข้อดี:

• เวลาตอบสนองเร็วขึ้น
• ประสิทธิภาพที่สูงขึ้น
• อัตราเร่งเพิ่มขึ้น
• เบรกได้
• อาจมีขนาดเล็กลงได้

ข้อเสีย:

• ความถี่เรโซแนนท์อาจแตกต่างกันไป
• ขับเคลื่อนยาก
• ค่าใช้จ่ายที่สูงขึ้น

นอกจากความแตกต่างในการใช้งานแล้ว อุปกรณ์ ERM และ LRA ยังมีรูปแบบแพ็คเกจที่หลากหลายอีกด้วย อุปกรณ์ ERM สามารถอยู่ในแพ็คเกจแบบเหรียญหรือแท่ง ในขณะที่ LRA อยู่ในแพ็คเกจเหรียญ ปริซึม (สี่เหลี่ยม) หรือทรงกระบอก (รูปที่ 1) อุปกรณ์ ERM และ LRA แบบเหรียญมักจะมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 8 มิลลิเมตร (มม.) และมีความหนาประมาณ 3 มม. อุปกรณ์แฮปติกแบบ ERM แบบแท่งมีขนาดใหญ่ขึ้นโดยมีความยาวประมาณ 12 มม. และกว้าง 4 มม.

รูปที่ 1: ERM มีอยู่ในแพ็คเกจแท่งหรือเหรียญ ในขณะที่ LRA มาในรูปแบบเหรียญ ทรงกระบอก หรือปริซึม (แหล่งที่มารูปภาพ: PUI Audio)

อุปกรณ์ ERM แบบเหรียญ

สำหรับการใช้งานในอุปกรณ์สวมใส่ที่สามารถใช้ประโยชน์จากอุปกรณ์ ERM แบบเหรียญ นักออกแบบสามารถใช้ HD-EM0803-LW20-R ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 8 มม. หนา 3 มม. จาก PUI Audio ข้อมูลจำเพาะสำหรับ HD-EM0803-LW20-R ประกอบด้วย:

• ความเร็วพิกัด 12,000 (±3,000) รอบต่อนาที (rpm)
• ความต้านทานของขั้วต่อ 38 โอห์ม (Ω) (±50%)
• แรงดันไฟฟ้าขาเข้า 3 Vdc
• กระแสไฟฟ้าปกติ 80 มิลลิแอมป์ (mA)
• ช่วงอุณหภูมิในการทำงาน -20 ถึง +60 องศาเซลเซียส (°C)

สำหรับอุปกรณ์ที่ต้องใช้งานในสภาพแวดล้อมที่การระบายความร้อนได้ไม่ดีนัก นักออกแบบสามารถหันไปใช้ HD-EM1003-LW15-R ที่มีอุณหภูมิทำงานตั้งแต่ -30°C ถึง +70°C มีพิกัดความเร็วและขนาดเท่ากับ HD-EM0803-LW20-R และมีความต้านทานของขั้วต่อที่ 46 Ω (±50%) โดยมีการใช้กระแสไฟที่ 85 mA อุปกรณ์ ERM แบบเหรียญทั้งสองนี้สามารถขับเคลื่อนด้วยแรงดัน DC บวกหรือลบสำหรับการเคลื่อนไหวตามเข็มนาฬิกาหรือทวนเข็มนาฬิกา ประกอบด้วยสายไฟขนาด 20 มม. สำหรับการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าที่ยืดหยุ่น และสร้างเสียงรบกวนรอบข้างสูงสุด 50 เดซิเบล (dBA)

ERM แบบแท่ง

HD-EM1206-SC-R มีความยาว 12.4 มม. กว้าง 3.8 มม. มีความเร็ว 12,000 (±3,000) รอบต่อนาที เมื่อขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้ากระแสตรง 3 โวลต์ มีพิกัดอุณหภูมิทำงานตั้งแต่ -20 ถึง +60°C และเสียงรบกวนสูงสุดที่ 50 dBA การออกแบบที่ต้องการเสียงรบกวนในระดับต่ำสามารถใช้ HD-EM1204-SC-R (รูปที่ 2) ทำให้เกิดเสียงสูงสุดเพียง 45 dBA นอกจากนี้ยังมีพิกัดความเร็วที่สูงกว่า 13,000 (±3,000) รอบต่อนาที และช่วงอุณหภูมิการทำงานที่กว้างขึ้นตั้งแต่ -30°C ถึง +70°C เมื่อเทียบกับ HD-EM1206-SC-R อุปกรณ์ทั้งสองมีความต้านทานขั้วต่ำที่ 30 Ω (±20%) และกระแสไฟที่ 90 mA

รูปที่ 2: HD-EM1204-SC-R ERM เหมาะสำหรับการใช้งานที่ต้องการระดับเสียงรบกวนต่ำ (แหล่งที่มารูปภาพ: PUI Audio)

อุปกรณ์ LRA

การออกแบบที่ต้องการเวลาตอบสนองเร็วขึ้น ประหยัดพลังงานมากขึ้น และการสั่นสะเทือนที่แรงขึ้นสามารถใช้ HD-LA0803-LW10-R อุปกรณ์ LRA ของ PUI Audio ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 8 มม. สูง 3.2 มม. (รูปที่ 3) อุปกรณ์ LRA มีความแม่นยำมากกว่าเมื่อเทียบกับระบบแฮปติกแบบ ERM ตัวอย่างเช่น ความต้านทานของอุปกรณ์ ERM มีค่าตั้งแต่ 30 (±20%) ถึง 46 Ω (±50%) ในขณะที่ความต้านทานของ HD-LA0803-LW10-R มค่าเท่ากับ 25 Ω (±15%) การใช้พลังงานของ HD-LA0803-LW10-R อยู่ที่ประมาณ 180 มิลลิวัตต์ (mW), (2 V_RMS x 90 mA) ในขณะที่อุปกรณ์ ERM ที่กล่าวถึงข้างต้นใช้ไฟตั้งแต่ 240 ถึง 270 mW อุปกรณ์ LRA นี้มีช่วงอุณหภูมิทำงาน -20 ถึง +70°C

รูปที่ 3: HD-LA0803-LW10-R LRA รวมการสั่นสะเทือนที่รุนแรง เวลาตอบสนองที่รวดเร็ว และประสิทธิภาพในการใช้พลังงาน (แหล่งที่มารูปภาพ: PUI Audio)

การรวมระบบ

การใช้เทปกาวสองหน้าเป็นวิธีการประกอบที่แนะนำสำหรับอุปกรณ์แฮปติกแบบเหรียญ และให้การคัปปลิ้งกับระบบการสั่นสะเทือนที่ดีที่สุด อุปกรณ์เทปสองหน้าประกอบด้วยสายตะกั่วที่ต้องมีการเชื่อมต่อผ่านรูและการบัดกรีกับแผงวงจร อุปกรณ์แบบแท่ง ทรงกระบอก และแท่งปริซึมสามารถใช้ได้กับรูปแบบการรวมระบบที่แตกต่างกันสองแบบ: เทปสองหน้าและหน้าสัมผัสสปริง โดยใช้เทปสองหน้ากับอุปกรณ์ที่มีสายตะกั่วที่บัดกรีด้วยมือ เช่น อุปกรณ์แบบเหรียญ และใช้หน้าสัมผัสสปริงในการรวมฟังก์ชันของคัปปลิ้งแบบสั่นสะเทือนเข้ากับการเชื่อมต่อทางไฟฟ้า หน้าสัมผัสสปริงขจัดความจำเป็นในการบัดกรีด้วยมือ ทำให้การประกอบง่ายขึ้นและลดต้นทุน นอกจากนี้การใช้หน้าสัมผัสสปริงยังช่วยลดความยุ่งยากในการซ่อมแซม

การขับเคลื่อนอุปกรณ์แฮปติก

วงจรไดรฟ์แบบแยกสามารถใช้กับอุปกรณ์ LRA และ ERM แม้ว่าการใช้ไดรเวอร์ที่สร้างจากส่วนประกอบแบบแยกส่วนสามารถลดต้นทุนได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการออกแบบที่ค่อนข้างเรียบง่าย แต่อาจส่งผลให้มีขนาดที่ใหญ่ขึ้นและใช้เวลาในการออกสู่ตลาดช้าลง เมื่อเทียบกับไอซีไดรเวอร์ สำหรับการใช้งานที่ต้องการโซลูชันที่กะทัดรัดและมีประสิทธิภาพสูง นักออกแบบสามารถหันไปใช้ DRV2605L จาก Texas Instruments ซึ่ง DRV2605L เป็นระบบควบคุมแบบวงปิดที่สมบูรณ์สำหรับการตอบสนองแบบสัมผัสคุณภาพสูงที่สามารถขับเคลื่อนทั้งอุปกรณ์ ERM และ LRA (รูปที่ 4) DRV2605L รวมการเข้าถึงซอฟต์แวร์ TouchSense 2200 จาก Immersion พร้อมเอฟเฟกต์แฮปติกกรรมสิทธิ์มากกว่า 100 รายการ รวมถึงฟังก์ชันการแปลงเสียงเป็นการสั่นสะเทือน

รูปที่ 4: ไอซี DRV2605L สามารถขับเคลื่อนอุปกรณ์แฮปติก LRA หรือ ERM ได้ (แหล่งที่มารูปภาพ: Texas Instruments)

การทดสอบการสั่นสะเทือน

เนื่องจากอุปกรณ์แฮปติกทำงานโดยอาศัยการสั่น จึงต้องสร้างขึ้นให้มีความทนทาน โดย PUI Audio ได้กำหนดจิ๊กทดสอบที่จะใช้สำหรับการทดสอบการสั่นสะเทือน ดังแสดงในรูปที่ 5 การทดสอบนี้ดำเนินการกับระบบทดสอบการสั่นสะเทือนแบบอิเล็กโทรไดนามิกระดับอุตสาหกรรม สามารถตั้งโปรแกรมสำหรับการทดสอบการสั่นสะเทือนเฉพาะเพื่อจำลองสภาวะต่างๆ เช่น การสั่นในรูปสัญญาณไซน์ การสั่นแบบสุ่ม และพัลส์การสั่นสะเทือนทางกล

รูปที่ 5: จิ๊กทดสอบที่แนะนำสำหรับการทดสอบการสั่นสะเทือนของอุปกรณ์แฮปติก (แหล่งที่มารูปภาพ: PUI Audio)

PUI Audio มีการทดสอบการสั่นสะเทือนสามแบบสำหรับอุปกรณ์แฮปติก (ดูตารางที่ 1) หลังจากดำเนินการทดสอบแล้ว และอุปกรณ์ "พัก" เป็นเวลาสี่ชั่วโมง ซึ่งจะต้องเป็นไปตามข้อกำหนดพิกัดความเร็ว (สำหรับอุปกรณ์ ERM) หรือการเร่งความเร็ว (สำหรับอุปกรณ์ LRA) ตลอดจนความต้านทาน พิกัดกระแสไฟฟ้า และสัญญาณรบกวน

ตารางที่ 1: ข้อกำหนดการทดสอบการสั่นสะเทือนสำหรับอุปกรณ์แฮปติก (แหล่งที่มาตาราง: PUI Audio)

นอกเหนือจากการทดสอบการสั่นสะเทือนแล้ว PUI Audio ยังได้กำหนดการทดสอบแรงกระแทกดังนี้:

• การเร่งความเร็ว: ครึ่งไซนูซอยด์ 500 g
• ระยะเวลา: 2 มิลลิวินาที (ms)
• ทดสอบ/ด้าน: 3 ครั้ง/6 ด้าย รวมแรงกระแทก 18 ครั้ง

เกณฑ์ผ่าน/ไม่ผ่านจะเหมือนกับการทดสอบการสั่นสะเทือน

การวัดเสียงรบกวน

ระดับของเสียงรบกวน (เชิงกล) ที่เกิดจากอุปกรณ์แฮปติกนั้นแตกต่างกันออกไป โดยวิธีการติดตั้งอุปกรณ์แฮปติกมีบทบาทสำคัญในการลดระดับเสียง PUI Audio แนะนำให้ใช้การตั้งค่าการทดสอบเฉพาะสำหรับการวัดเสียงจากอุปกรณ์แฮปติกที่แสดงในรูปที่ 6 ควรทำการทดสอบในห้องที่มีฉนวนป้องกันเสียงรบกวนรอบข้าง 23 dBA หากติดตั้งอุปกรณ์เข้ากับจิ๊ก 75 g ที่จะถูกติดตั้งในระบบ การทดสอบนี้ทำให้ผู้ออกแบบทราบถึงระดับเสียงที่ต้องการ

รูปที่ 6: จิ๊กทดสอบที่แนะนำสำหรับการวัดเสียงของอุปกรณ์แฮปติก (แหล่งที่มารูปภาพ: PUI Audio)

สรุป

ผู้ใช้สามารถใช้แฮปติกด้วยการให้การตอบสนองแบบสัมผัส เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของ HMI และช่วยสร้างสภาพแวดล้อมแบบพหุประสาทที่มีประสิทธิภาพสูง อย่างไรก็ตาม เมื่อพิจารณาถึงการใช้แฮปติก นักออกแบบจำเป็นต้องเข้าใจความแตกต่างระหว่างเทคโนโลยี ERM และ LRA และวิธีการขับเคลื่อนอย่างมีประสิทธิภาพ รวมถึงวิธีทดสอบเพื่อให้แน่ใจว่ามีพิจารณาถึงระดับความเชื่อถือได้ของระบบและประสิทธิภาพของระบบ ดังที่แสดงไว้ อุปกรณ์แฮปติกพร้อมใช้งาน เช่นเดียวกับไดรเวอร์และขั้นตอนการทดสอบ

บทความแนะนำ

1. นำมิติใหม่สู่การนำ HMI ไปใช้โดยไม่ต้องใช้ทรัพยากรจำนวนมาก
2. วิธีการใช้สัญญาณเตือนภัยอย่างถูกต้องในการตรวจสอบทางการแพทย์