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La tecnología háptica es una forma única de mecatrónica que incluye elementos mecánicos, eléctricos y computacionales. Con sensores y actuadores sofisticados, ofrece a los usuarios una mejor interacción con las máquinas que los sistemas convencionales actuales. Haptics proporciona a los usuarios señales visuales y auditivas a partir de experiencias computacionales y táctiles como el tacto, la presión, el peso, la textura y la calidez. Esto promueve una conexión más profunda y tangible con nuestros dispositivos y lleva nuestra interacción con las aplicaciones a un nivel más inmersivo. En este blog, exploraremos cómo la implementación de hápticos beneficia a una amplia gama de aplicaciones diferentes, así como las últimas técnicas de diseño en el área de la retroalimentación háptica.
Casos de uso hápticos
Primero, echemos un vistazo a las implementaciones actuales y futuras de la tecnología háptica y consideremos por qué necesitamos o queremos tecnología háptica.
Médico
Por ejemplo, en el campo médico, permite a los médicos sentir lo que toca una mano robótica para un mejor control y seguridad. Las técnicas quirúrgicas, como la cirugía laparoscópica, que utilizan tecnología háptica, permiten a los cirujanos realizar incisiones más pequeñas que sanan más rápido para el paciente. Utilizando manipuladores controlados a distancia junto con vídeo, un cirujano puede realizar operaciones delicadas con mayor precisión que nunca. Un cirujano necesita saber cuánta fuerza ejerce un bisturí. Demasiado y el corte es demasiado profundo. Demasiado poco y el corte queda demasiado plano. Asimismo, el cirujano debe saber si está empujando o desgarrando un vaso sanguíneo. La retroalimentación de fuerza es importante aquí.
Jugar
En las aplicaciones de juegos, en lugar de joysticks y clics del teclado, los hápticos brindan al usuario retroalimentación virtual que resiste la fuerza de control y también le permite sentir la sensación de texturas y otros fenómenos físicos. Hasta la fecha, se utilizan micromotores, actuadores piezoeléctricos, transferencias de fluidos y presión de aire para interactuar físicamente con un usuario. Sin embargo, desarrollar con estas tecnologías hápticas es muy diferente a desarrollar otros diseños de máquinas más tradicionales.
Afortunadamente, los fabricantes de dispositivos están abordando estas necesidades con sistemas de desarrollo y casos de uso para brindar orientación a los ingenieros nuevos en la tecnología háptica. Los acelerómetros son una tecnología clave para los diseños hápticos. Se utilizan en auriculares para controlar el campo de visión, en guantes para monitorear el movimiento de la mano y en conjuntos robóticos controlados remotamente para proporcionar información de retroalimentación de fuerza.
Muchos fabricantes de dispositivos ofrecen acelerómetros para aplicaciones OEM y kits de desarrollo, notas de aplicación y diseños de referencia. Además, debido al uso generalizado de acelerómetros en teléfonos móviles, estos dispositivos multieje son económicos y están fácilmente disponibles en minoristas y fabricantes estándar. Un kit de desarrollo de acelerómetro típico incluye sensores multieje y una interfaz de computadora como USB, I2C, SPI o UART. Las salidas pueden ser digitales o analógicas y las mediciones de hasta 16G no son infrecuentes.
Dispositivos de consumo
Para aplicaciones que requieren captura y procesamiento de movimiento complejos, los diseños hápticos implementan cada vez más unidades de medida inercial (IMU). Las IMU son esencialmente un acelerómetro + giroscopios + sensores magnetómetros. Estos sensores altamente integrados y de potencia ultrabaja se pueden adaptar para una variedad de aplicaciones de alto rendimiento, incluidos dispositivos portátiles, dispositivos montados en la cabeza, teléfonos inteligentes, cámaras, drones y auriculares AR/VR/MR. Con algoritmos de software listos para usar, las IMU forman un paquete de sistema de sensor inteligente robusto que puede calcular fácilmente la orientación, la posición y la velocidad y puede usarse para el seguimiento de la posición y el reconocimiento de actividad/gestos con alta precisión y baja latencia.
Además, debido a las economías de escala y la adopción generalizada de IMU en teléfonos inteligentes, cámaras, drones y otros dispositivos de consumo, estos sistemas de sensores inteligentes programables de múltiples ejes también son económicos y están fácilmente disponibles en minoristas y fabricantes estándar. Al igual que los acelerómetros, los kits de desarrollo de IMU típicos incluyen un sensor multieje, sensores ambientales y una interfaz de computadora como USB, I2C, SPI o UART.
Técnicas de diseño háptico.
Con tal variedad de aplicaciones para la tecnología háptica, surgen varias técnicas de diseño que los ingenieros continúan perfeccionando y desarrollando. Algunos diseños hápticos utilizan técnicas de microfluidos que bombean fluidos dentro y fuera de una serie de cámaras y también son capaces de crear sensaciones en la piel. En la mayoría de los casos se utilizan bombas basadas en micromotores, microválvulas y tubos capilares. Afortunadamente, la tecnología de control de motores ha madurado y hay muchos kits de desarrollo de control de motores disponibles para permitir estas técnicas de microfluidos.
Diseños de amplificadores operacionales y microcontroladores.
Los micromotores no consumen una gran cantidad de energía y normalmente pueden ser alimentados por amplificadores operacionales para accionar los motores de forma bidireccional. En aplicaciones donde los amplificadores operacionales por sí solos no son suficientes para accionar los micromotores, se pueden utilizar microcontroladores con funciones de control de motores, como controladores de corriente más alta, modulación de ancho de pulso (PWM), temporizadores múltiples e incluso salidas analógicas para accionar muchos motores, bombas, etc. o microválvulas.
procesamiento de señales digitales
Los procesadores con capacidades de procesamiento de señales digitales (DSP) son particularmente útiles para accionar micromotores y monitorear los EMF, que pueden usarse para medir la resistencia a las presiones aplicadas digitalmente. Las placas de desarrollo de ejemplo incluyen una sección de procesador y una matriz de transistores de potencia, si es necesario. Los diseños hápticos que aprovechan los DSP ofrecen un enorme potencial para ofrecer experiencias inmersivas para juegos, películas, música y más. Al complementar el contenido audiovisual con vibraciones táctiles, los diseños hápticos pueden mejorar la estimulación sensorial y aumentar la participación del usuario. Los procesadores con capacidades DSP pueden ejecutar algoritmos de filtrado complejos para un control preciso de múltiples motores en la aplicación. Además, estas técnicas de control motor también se pueden utilizar para crear sistemas de sensación basados en la presión del aire y sistemas basados en bombas de fluido. Además, esta tecnología se puede adaptar para accionar microactuadores piezoeléctricos que pueden generar sensaciones electromecánicas, o también puede accionar transmisores ultrasónicos y actuadores piezoeléctricos.
Hápticos ultrasónicos
También hay un diseño inteligente de tecnología háptica que utiliza ondas ultrasónicas de una matriz ultrasónica que se combinan para crear una fuerza percibida. Este tipo de tecnología de ultrasonido háptico crea sensaciones hápticas en el aire utilizando ondas de ultrasonido enfocadas, lo que permite a las personas experimentar retroalimentación háptica en sus manos sin contacto físico con un dispositivo. Si bien se ha utilizado principalmente para proporcionar retroalimentación táctil, como la sensación de presionar un botón virtual, su uso se utiliza cada vez más para estimular e influir en áreas más grandes del cuerpo.
La próxima generación de hápticos de alta definición (HD) requiere algo más que hardware. La integración de software en futuros diseños de sistemas hápticos será crucial para superar las limitaciones de las soluciones basadas únicamente en hardware.
Diploma
El diseño háptico es una disciplina relativamente nueva, pero existen herramientas de desarrollo y orientación para los ingenieros. A medida que se desarrollen productos hápticos, también aparecerán en el mercado kits de desarrollo adicionales y notas de aplicación. A medida que se desarrollen tecnologías hápticas para uso crítico en los sectores médico, industrial, de control robótico y de reparación remota, la industria del juego impulsará esta tecnología más y más rápido. Las aplicaciones fácilmente disponibles a mayor escala harán avanzar la tecnología háptica para simplificar el diseño de aplicaciones específicas y crear oportunidades para futuras innovaciones y aplicaciones.
Después de graduarse en ingeniería eléctrica, Jon Gabay trabajó como ingeniero de diseño, programador de firmware, diseñador de sistemas, investigador científico y desarrollador de productos para empresas de defensa, comerciales, industriales, de consumo, energéticas y médicas. Como investigador e inventor de energías alternativas, ha estado involucrado desde que fundó y dirigió Dedicated Devices Corp. hasta 2004 con tecnología de automatización. Desde entonces, ha estado realizando investigación y desarrollo, escribiendo artículos y desarrollando tecnologías para ingenieros y estudiantes de próxima generación.
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