• Von Liam Critchley, M.Sc.Apr 16 2018

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    Haptische Sensoren gibt es schon eine Weile und in verschiedenen Formen. Unabhängig von der Art der verwendeten haptischen Technologie arbeiten sie alle nach ähnlichen Prinzipien, indem sie eine Kombination aus Kraft, Vibration und Bewegung verwenden, um den Tastsinn wiederherzustellen. In diesem Artikel betrachten wir haptische Sensoren als Ganzes und wie sie funktionieren.

    Haptische Sensoren stellen den Tastsinn wieder her, indem sie eine Kombination aus Kraft-, Vibrations- und Bewegungsempfindungen für den Benutzer erzeugen. Haptische Technologien nehmen stark zu und werden in allen Bereichen eingesetzt, von Automobilen über Spielekonsolen-Controller bis hin zu Smartphones. Es wird angenommen, dass die Produktion und Implementierung haptischer Sensoren bis 2022 eine Branche von 12,8 Milliarden US-Dollar sein wird.

    Es gibt drei Haupttypen von haptischen Sensoren – exzentrische rotierende Massenvibrationsmotoren (ERMV), lineare Resonanzaktoren (LRAs) und Piezo-Haptiksensoren.

    Funktionsweise haptischer Sensoren

    Obwohl es ein allgemeines Prinzip für haptische Sensoren gibt, werden in diesem Artikel einige der Betriebsunterschiede zwischen den verschiedenen Sensortypen hervorgehoben. Abgesehen von der Verwendung einer Kombination aus Kraft, Vibration und Bewegungen verwenden haptische Technologien eine Force-Feedback-Schleife, um die Bewegung des Benutzers zu manipulieren und über einen einfachen Vibrationsalarm hinauszugehen. Das Grundprinzip eines haptischen Sensors ist die Erzeugung eines elektrischen Stroms, der eine Reaktion antreibt, um eine Vibration zu erzeugen. Wie dies geschieht, ist, wo die verschiedenen Technologien unterscheiden.

    Allerdings benötigen nicht alle haptischen Sensoren Berührung, um zu funktionieren. Diese werden als berührungslose Haptik bezeichnet und verwenden Technologien wie Ultraschall und konzentrierte Lufteinschlüsse, um einen interaktiven 3D-Raum um den Benutzer herum zu schaffen. Der Benutzer interagiert dann mit dem Raum um ein Gerät herum, ohne es physisch berühren zu müssen.

    Hier schauen wir uns die drei häufigsten Typen etwas genauer an. Während sie alle nach dem gleichen Grundprinzip arbeiten, unterscheidet sich die Art und Weise, wie sie arbeiten und arbeiten, erheblich.

    ERMVs

    ERMVs arbeitet ähnlich wie ein Gleichstrommotor. ERMVs arbeiten, indem sie ein Magnetfeld aus einem elektrischen Strom erzeugen. Das Magnetfeld treibt ein Objekt in einem Kreis an, wobei eine außermittige Vorspannung vom Drehpunkt aus verwendet wird. Die auf die rotierende Masse ausgeübte Magnetkraft erzeugt eine ungleichmäßige Zentripetalkraft, die bewirkt, dass der Motor Vorwärts- und Rückwärtsbewegungen erzeugt und seitliche Vibrationen erzeugt. Die Intensität der von ERMVs erzeugten Vibrationen hängt häufig vom dem Gerät zugeführten Strom ab. ERMVs sind häufig der haptische Sensor der Wahl, wenn die Ansteuerschaltung einfach ist, kostengünstig ist und die haptische Auflösung nicht die höchste Priorität hat.

    LRAs

    LRAs verwenden sowohl Magnetfelder als auch elektrische Ströme, um eine oszillierende Kraft entlang einer einzigen Achse zu erzeugen. Im Vergleich zu ERMVs verwenden LRAs eine Wechselspannung anstelle von DC. Dieser Strom treibt eine Schwingspule an, die gegen eine bewegte Masse gedrückt wird. Die bewegte Masse ist an einer Feder befestigt, und wenn die Schwingspule mit der gleichen Frequenz der Feder schwingt, wird ein Magnetfeld erzeugt. Dieses Magnetfeld bewirkt, dass der Aktuator mit einer Kraft vibriert, die von einem Menschen gefühlt werden kann. LRAs kann leicht durch Ändern des AC-Eingangs eingestellt werden, aber der Aktuator muss immer mit seiner Resonanzfrequenz angetrieben werden. LRAs werden am besten verwendet, wenn das Start / Stopp-Timing kritisch ist, die Schaltung einen Treiberchip implementieren kann oder die Schwingungsamplitude unabhängig voneinander eingestellt werden muss.

    Piezo-Haptik

    Piezo-haptische Sensoren arbeiten nach dem Prinzip des Piezoeffekts, um eine Schwingung zu erzeugen. Der Piezoeffekt ist ein bekanntes Phänomen, das bei mechanischer Beanspruchung eines Materials einen elektrischen Strom erzeugt. Unter verschiedenen Belastungen, wie Biegung und Verformung, erzeugt ein Piezo-haptischer Sensor eine Vibration. Piezo-haptische Sensoren sind präziser als trägheitsbasierte Sensoren, da sie in einem größeren Frequenz- und Amplitudenbereich schwingen. Piezo haptische Sensoren vibrieren auch in mehrere Richtungen, im Gegensatz zu LRAs und ERMVs, die in einer einzigen Richtung begrenzt sind. Der Betrieb von Piezo-haptischen Sensoren erfordert eine höhere Spannung, aber die Stromaufnahme ist besser als oder umgangssprachlich zu anderen haptischen Sensoren. Piezo-haptische Sensoren werden häufig verwendet, wenn ein größerer Raum zur Integration des Aktuators zur Verfügung steht, Frequenz und Amplitude unabhängig voneinander eingestellt werden müssen oder die Schaltung einen Treiberchip implementieren und Wellenformen erzeugen kann.

    Anwendungen

    Da haptische Technologien verwendet werden, um ein Berührungsgefühl wiederherzustellen, sind die Anwendungen weit verbreitet. Zu den bisherigen Anwendungen zählen die Fernsteuerung von Maschinen und Geräten (Telerobotik), der Touchscreen eines Smartphones, ein Navigationsgerät oder eine andere Touchscreen-Technologie, Vibrationspakete in Spielekonsolen-Controllern, Flug- und Medizinsimulatoren, Virtual-Reality-Systeme und multifunktionale Touchscreen-Dashboards in Automobilen.

    Quellen und weiterführende Literatur

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    Geschrieben von

    Liam Critchley

    Liam Critchley ist ein Schriftsteller und Journalist, der sich auf Chemie und Nanotechnologie spezialisiert hat, mit einem MChem in Chemie und Nanotechnologie und M.Sc . Forschung im Chemieingenieurwesen.

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