Efficient methodologies for actualizing haptic feedback in consumer electronics

Abstract

Tablet ve akıllı telefon gibi mobil cihazlarda, etkin dokunsal (haptik) yanılsamalar oluşturmanın önemli kısıtları bulunmaktadır. Ana kısıtlar, bu cihazların karmaşık aktüatörleri içermek için çok küçük boyutlarda olması ve mekanik olarak mesnetsiz olmalarıdır. Son çalışmalar ve ticari ürünler, daha büyük ve karmaşık çok bobinli lineer rezonans aktüatör (LRA) kullanımının, boyut ve maliyet gibi önemli müşteri beklentileri pahasına dokunsal algı kalitesini önemli ölçüde iyileştirebileceğini göstermektedir. Literatürdeki çözümler, taşınabilir tüketici ürünlerine doğrudan uygulanabilen düşük maliyetli yüzey dokunsal uygulamalarının olmadığını göstermektedir. Bu tezde, basit bir LRA sistemi kullanarak benzer kalitede dokunsal etkiler sağlayan yeni bir sürüş modeli ve komple sistem tasarımı sunulmuştur. Önerilen sürüş modeli, farklı frekanslara ve sonlu eleman tabanlı modal analizler ile belirlenen görev döngülerine sahip bölümlere ayrılmış sinyallerden oluşmaktadır ve esas olarak bir taşınabilir cihaz üzerinde en yaygın iki dokunmatik kontrol olan buton ve kaydırıcıyı simüle etmek için kullanılmıştır. Sayısal ve deneysel sonuçlar, sistemin maliyette 3 kat, ağırlıkta 9 kat ve hacimde 6 kat azalma sağlayabildiğini ortaya koymuştur. Yeni LRA sürüş modelini içeren akıllı telefonu ve kıyaslama cihazını karşılaştıran kullanıcı testleri, dokunsal etkileri ve yanılsamaları iyileştirmek için düşük maliyetli bir çözümün uygulanabilirliğini göstermiştir. Bu tezdeki analiz iki ana dokunmatik kontrole odaklansa da, çalışma sonucunda her türlü mobil ve artırılmış gerçeklik/sanal gerçeklik (AG/SG) uygulamalarında kullanılabilecek bir dokunsal kütüphane oluşturulmuştur.

There are significant limitations to creating effective haptic illusions in mobile devices such as tablets and smartphones. The main limitations are that these devices are too small in size to accommodate complex actuators and that they are without mechanical support. Recent studies and commercial products show that the use of larger and complex multi-coil linear resonant actuators (LRAs) can significantly improve tactile perception quality at the expense of significant customer expectations such as size and cost. Solutions in the literature show no low-cost, feasible surface haptic application directly applicable to mobile consumer products. In this dissertation, a novel driving pattern and complete system design are presented that enables similar quality haptic effects using a simple LRA system. The proposed driving pattern consists of segmented signals with different frequencies and duty cycles determined from finite element-based modal analysis, and it was mainly used to simulate the two most common touch controls, the button and slider, on a mobile device. Numerical and experimental results showed that the system can achieve a 3× reduction in cost, a 9× reduction in weight, and a 6× reduction in volume. User tests comparing smartphones with the novel LRA driving pattern and the benchmark devices demonstrated the feasibility of a low-cost solution to improve haptic effects and illusions. Although the analysis in this dissertation focuses on two main touch controls, a haptic library that can be used in any mobile and augmented reality/virtual reality (AR/VR) applications has been created as a result of the study.