촉각을 사용하여 인간 기계 간 인터페이스의 감지 성능을 개선하는 방법

보다 효과적인 인간 기계 간 인터페이스(HMI)와 향상된 감지 성능이 요구됨에 따라 인더스트리 4.0 응용 제품, 자동차, 의료 및 응급 구조 시스템, 사물 인터넷(IoT) 장치, 웨어러블 및 기타 소비자 장치에서 촉각 채택이 촉진되고 있습니다. 예를 들어 촉각 장치는 가상 현실(VR) 또는 증강 현실(AR) 기반 의료 교육 및 환자 재활 시스템에서 피드백을 제공하거나, 스티어링 휠에서 향상된 알림을 제공하여 운전자에게 잠재적으로 불안정한 조건을 알릴 수 있습니다. 또한 촉각은 몰입감 높고 사실적인 센서 인터페이스를 제공하기 위해 소리와 같은 다른 HMI 기술과 함께 사용되고 있습니다.

설계자는 촉각을 사용할 때 편심 회전 질량(ERM), 선형 공진 액추에이터(LRA) 등 올바른 촉각 기술을 선택한 후 시스템에 적절히 통합하여 원하는 수준의 피드백을 실현하고, 해당 기술을 구동하고, 진동, 잡음 성능 및 신뢰성을 테스트하는 방법을 이해하는 등 몇 가지 과제에 직면합니다.

이 기사에서는 다양한 응용 시나리오에서 촉각 피드백이 제공할 수 있는 이점을 간략히 살펴봅니다. 그런 다음 촉각 기술 옵션과 PUI Audio의 실제 촉각 장치 사례를 소개하고, 촉각 구동기 IC 사례를 포함하여 촉각 장치를 시스템에 통합하는 방법을 설명하고, 마지막으로 진동 및 잡음 성능을 테스트하는 방법을 자세히 살펴봅니다.

다중 감각 인터페이스

다중 감각 환경을 구축하고 인간과 기계 간의 향상된 상호 작용을 위해 촉각이 점차적으로 시각 및 청각 피드백과 함께 사용되고 있습니다. 촉각 인터페이스는 의류, 장갑, 터치 스크린 및 기타 물체(모바일 장치, 컴퓨터 마우스 등)를 포함할 수 있습니다.

다중 감각 인터페이스는 촉각 또는 소리와 같은 비시각적 HMI 요소를 통해 사용자가 기계 또는 수술 도구 원격 관리, 자동차 운전과 같은 당면한 작업에 집중하도록 지원할 수 있는 환경에서 특히 유용합니다. 또한 촉각을 HMI에 통합하여 가상 환경 또는 원격 시스템에 대한 수동 조작을 개선할 수 있습니다. 촉각을 HMI에 통합하는 이점을 극대화하기 위해 설계자는 촉각 기술의 성능 트레이드 오프를 이해해야 합니다.

촉각 장치 기술

가장 일반적인 촉각 기술은 ERM 및 LRA입니다. ERM은 모터 샤프트에서 편심 질량을 사용하여 불균형과 진동을 일으킵니다. ERM 장치는 상대적으로 간단한 직류(DC) 전압으로 구동됩니다. DC 전력을 상대적으로 간단한 기술 설계와 결합하면 몇 가지 트레이드 오프가 있습니다.

이점:

• 간단한 구동
• 낮은 가격
• 유연한 폼 팩터
• 일부 설계에 대한 시스템 통합 간소화

단점:

• 높은 에너지 소비
• 느린 응답
• 큰 솔루션 크기

편심 질량을 사용하여 다축 진동을 생성하는 대신 LRA 장치는 음성 코일, 원형 자석, 스프링을 사용하여 선형 동작으로 진동합니다. LRA 장치는 음성 코일에 전력을 공급하기 위해 교류(AC) 구동 장치가 필요합니다. AC는 음성 코일에서 가변 자기장을 생성하여 자석을 상하로 움직입니다. 스프링은 자석을 장치 하우징에 연결하여 진동 에너지를 시스템에 전달합니다. LRA 장치는 음성 코일을 기반으로 하고 ERM에서 사용되는 브러시를 사용하지 않으므로 주어진 진동 강도에서 더 적은 전력을 소비합니다. 180° 위상 변이로 LRA 장치를 구동하여 브레이크를 적용함으로써 응답 시간을 단축할 수 있습니다.

LRA 장치는 상대적으로 좁은 공진 대역(일반적으로 ±2Hz ~ ±5Hz)에서 효과적으로 운영됩니다. 제조 허용 오차 범위, 부품 노화, 환경 조건 및 실장 고려 사항에 따라 LRA 장치의 정확한 공진 주파수는 달라질 수 있으므로 구동 회로 설계는 복잡합니다. LRA 촉각 기술은 ERM 장치에 비해 다양한 장단점을 설계자에게 제공합니다.

이점:

• 빠른 응답 시간
• 효율 향상
• 가속 향상
• 브레이크 가능
• 더 작은 크기

단점:

• 가변적인 공진 주파수
• 까다로운 구동
• 높은 비용

운영상의 차이점 외에도 ERM 장치와 LRA 장치는 다양한 패키지 스타일로 제공됩니다. ERM 장치는 동전형 또는 막대형 패키지로 제공되고, LRA는 동전형, 프리즘형(직사각형) 또는 배럴형 패키지로 제공됩니다(그림 1). 동전 스타일 ERM 및 LRA 장치는 일반적으로 지름은 약 8mm이고 두께는 약 3mm입니다. 막대형 ERM 촉각 장치는 약 12mm(길이) x 4mm(폭)로 더 큽니다.

그림 1: ERM은 막대형 또는 동전형 패키지로 제공되고, LRA는 동전, 배럴 또는 프리즘 형식으로 제공됩니다. (이미지 출처: PUI Audio)

동전 스타일 ERM 장치

동전 스타일 ERM 장치를 활용할 수 있는 웨어러블과 같은 응용 제품의 경우 설계자는 8mm 지름, 3mm 두께의 PUI Audio HD-EM0803-LW20-R을 사용할 수 있습니다. HD-EM0803-LW20-R의 사양은 다음과 같습니다.

• 정격 속도 12,000rpm(±3,000)
• 단자 저항 38Ω(±50%)
• 입력 전압 3V DC
• 공칭 전류 소모 80mA
• 작동 온도 범위 -20°C ~ +60°C

더 까다로운 발열 환경에서 운영해야 하는 장치의 경우 설계자는 정격 작동 온도가 -30°C ~ +70°C인 HD-EM1003-LW15-R로 전환할 수 있습니다. 정격 속도와 크기는 HD-EM0803-LW20-R과 같지만, 단자 저항은 46Ω(±50%)이고 공칭 전류 소모는 85mA입니다. 두 동전 스타일 ERM 장치는 모두 양극 또는 음극 DC로 구동되어 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 움직일 수 있습니다. 두 장치는 유연한 전기 연결을 위한 20mm 리드 전선을 포함하며 50dBA의 최고 음향 잡음을 생성합니다.

막대형 ERM

HD-EM1206-SC-R의 크기는 12.4mm(길이) x 3.8mm(폭)입니다. 3V DC로 구동할 경우의 정격 속도는 12,000rpm(±3,000)입니다. 정격 작동 온도 범위는 -20°C ~ +60°C이며 최대 50dBA의 음향 잡음을 생성합니다. 낮은 수준의 음향 잡음이 요구되는 설계에서는 HD-EM1204-SC-R을 사용할 수 있습니다(그림 2). 이 장치는 단 45dBA의 최대 음향 잡음을 생성합니다. 또한 HD-EM1206-SC-R에 비해 13,000rpm(±3,000)의 높은 정격 속도와 -30°C ~ +70°C의 폭넓은 작동 온도 범위를 지원합니다. 두 장치는 모두 30Ω(±20%)의 낮은 단자 저항과 90mA의 공칭 전류 소모를 지원합니다.

그림 2: HD-EM1204-SC-R ERM은 낮은 수준의 음향 잡음이 요구되는 응용 분야에 적합합니다. (이미지 출처: PUI Audio)

LRA 장치

빠른 응답 시간, 향상된 에너지 효율, 강력한 진동이 요구되는 설계에서는 PUI Audio의 8mm(지름) x 3.2mm(높이) HD-LA0803-LW10-R LRA 장치를 사용할 수 있습니다(그림 3). LRA 장치는 ERM 촉각 기술에 비해 더 정밀합니다. 예를 들어 ERM 장치의 저항 범위는 30Ω(±20%) ~ 46Ω(±50%)이고, HD-LA0803-LW10-R의 저항은 25Ω(±15%)으로 지정됩니다. HD-LA0803-LW10-R의 전력 소비는 약 180mW(2V_RMS x 90mA)이고, 위에서 설명한 ERM 장치는 240mW ~ 270mW의 전력을 소비합니다. 이 LRA 장치는 -20°C ~ +70°C의 작동 온도 범위를 제공합니다.

RMFLA 3: HD-LA0803-LW10-R LRA는 강력한 진동, 빠른 응답 시간 및 에너지 효율을 결합합니다. (이미지 출처: PUI Audio)

시스템 통합

동전 스타일 촉각 장치의 기본 조립 방법에서는 양면 테이프를 사용하며 시스템에 최상의 진동 커플링을 제공합니다. 양면 테이프 장치에는 회로 기판에 대한 스루홀 연결과 수동 납땜이 필요한 리드 전선이 포함되어 있습니다. 막대, 배럴 및 프리즘형 장치는 다른 두 시스템 통합 스타일(양면 테이프 및 스프링 접점)과 함께 사용할 수 있습니다. 양면 테이프를 사용할 경우 이러한 장치에는 동전 스타일 장치와 마찬가지로 수동 납땜형 리드 전선이 포함되어 있습니다. 스프링 접점을 사용할 경우 진동 커플링 기능을 전기 연결과 결합합니다. 스프링 접점을 사용하면 수동 납땜이 필요하지 않으므로 조립이 간소화되고 비용이 절감됩니다. 또한 현장 수리를 간소화할 수 있습니다.

촉각 장치 구동

이산 소자 구동 회로를 LRA 및 ERM 장치와 함께 사용할 수 있습니다. 이산 소자 부품으로 제조된 구동기를 사용할 경우 비용을 절감할 수 있지만, 특히 상대적으로 간단한 설계에서는 구동기 IC에 비해 솔루션 크기가 크고 출시 시간이 지연될 수 있습니다. 콤팩트한 고성능 솔루션이 필요한 경우 설계자는 Texas Instruments의 DRV2605L로 전환할 수 있습니다. DRV2605L은 ERM 장치와 LRA 장치를 모두 구동할 수 있는 고품질 촉각 피드백에 완벽한 폐쇄 루프 제어 시스템입니다(그림 4). DRV2605L은 100개 이상의 인증된 촉각 효과와 오디오-진동 변환 기능을 지원하는 Immersion의 TouchSense 2200 소프트웨어에 액세스할 수 있습니다.

그림 4: DRV2605L IC는 LRA 또는 ERM 촉각 장치를 구동할 수 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

진동 테스트

촉각 장치는 진동에 기반하여 작동하므로 견고하게 구성되어야 합니다. PUI Audio는 그림 5와 같이 진동 테스트에 사용할 테스트 지그를 지정했습니다. 산업용 전기력 진동 테스트 시스템을 사용하여 테스트를 구현합니다. 사인파 진동, 무작위 진동, 기계적 충격 펄스와 같은 다양한 조건을 시뮬레이션하도록 특정 진동 테스트에 맞게 프로그래밍할 수 있습니다.

그림 5: 촉각 장치의 진동 테스트를 위한 권장 테스트 지그 (이미지 출처: PUI Audio)

PUI Audio가 촉각 장치에 대해 지정한 세 가지 진동 테스트가 있습니다(표 1 참조). 테스트를 관리하고 장치를 4시간 동안 '유휴 상태로 유지'한 후 장치가 정격 속도(ERM 장치) 또는 가속(LRA 모델), 저항, 정격 전류 및 잡음 사양을 충족해야 합니다.

표 1: 촉각 장치의 진동 테스트 사양 (이미지 출처: PUI Audio)

진동 테스트 이외에 PUI Audio는 충격 테스트를 다음과 같이 정의했습니다.

• 가속: 반사인파 500g
• 기간: 2ms
• 테스트/면: 총 18회 충격에 대해 3회/6면

통과/실패 기준은 진동 테스트와 동일합니다.

음향 잡음 측정

촉각 장치에서 생성되는 음향(기계적) 잡음 수준은 다양합니다. 촉각 장치를 실장하는 방법은 잡음 수준을 최소화하는 데 중요한 역할을 합니다. PUI Audio는 그림 6과 같이 촉각 장치의 음향 잡음을 측정할 때 특정 테스트 설정을 사용할 것을 권장합니다. 주변 잡음이 23dBA인 차폐실에서 테스트를 실시해야 합니다. 시스템에 설치된 75g 지그에 장치를 실장할 경우 이 테스트에서는 설계자에게 응용 분야에서 기대되는 잡음 수준을 알려줍니다.

그림 6: 촉각 장치 음향 잡음 측정을 위한 권장 테스트 지그 (이미지 출처: PUI Audio)

결론

촉각 기술을 사용하면 사용자에게 촉각 피드백을 제공하여 HMI 성능을 개선하고 고성능 다중 감각 환경을 구축할 수 있습니다. 하지만 촉각 기술을 사용할 경우 설계자는 ERM 기술과 LRA 기술의 트레이드 오프, 각 기술을 효과적으로 구동하는 방법, 필요한 수준의 시스템 신뢰성과 성능이 실현되는지 확인하기 위해 테스트하는 방법을 알고 있어야 합니다. 위에서 살펴본 바와 같이 촉각 장치는 구동기 및 테스트 절차와 마찬가지로 즉시 사용할 수 있습니다.

추천 자료

1. 과도한 리소스 사용 없이 HMI 구현에 새로운 차원 부여
2. 의료용 모니터링에서 경보음을 적절하게 구현하는 방법