Haptische Rückmeldung: Darauf sollten Sie achten

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Die haptische Rückmeldung ist vor allem aus der Welt der Smart­phones bekannt. Doch HMI-Systeme mit Rückmeldung kommen auch in Industrie und Automobilbau zum Einsatz. Worauf ist zu achten?

Vom modernen Smartphone sind sie bekannt: Vibrationen oder Bewegungen für die Interaktion mit dem Anwender. Auch andere Consumer-Produkte setzen auf solche haptischen Rückmeldungen und werden von den Anwendern angenommen, auch wenn sich diese oft nicht bewusst sind. So bieten aktuelle Smart­phones bestimmte, auf Haptik basierte Hinweisfunktionen. Auch im Fahrzeug finden sich in den Bedienkonsolen solche Bedienkonzepte. Immer mit dem Ziel, den Anwender eine eindeutige Rückmeldung zu geben.

Mit einer haptischen Funktion können sowohl Designer als auch Entwickler die Nutzererfahrung über die gewohnten einfachen, sicht- und hörbaren Anzeigeleuchten, Texte oder Darstellungen auf dem elektronische Display hinaus ergänzen. Eine eingebaute haptische Funktion in Smartphones und anderen Geräten werden von den Benutzern intuitiv verstanden.

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Inzwischen wächst allerdings die Haptik über die bisherigen Funktionen hinaus und entwickelt sich hin zu einer deutlich reichhaltigeren HMI-Erfahrung. Mithilfe der modernen Haptik und den entsprechenden Rückmeldungen an den Anwender sind deutlich bessere, differenziertere Benutzeroberflächen möglich. Dazu gehören beispielsweise PC-Trackpads, Armbanduhren und Wearables, Smartphone-basierte Gam­ing-Applikationen und Virtual/Augmented Reality (VR/AR) sowie Touchscreens und Bedienelemente für Automobile.

Hersteller grenzen sich mit der haptischen Rückmeldung ab

Angetrieben durch den ständig wachsenden Markt für Konsumprodukte, der zunehmend auch von Nachahmerprodukten regelrecht überflutet wird. Damit sich die einzelnen Produkte untereinander abgrenzen, ist das sogenannte Look and Fell, also die Nutzererfahrung des eigenen Produkts, ein entscheidender Punkt.

Diesen wollen die Hersteller aufwerten und sich somit von den Mitbewerbern abheben. Haptische Eigenschaften finden sich nicht nur bei Hochpreisigen-Smartphones, aber auch bei einigen Laptop-Trackpads. Mit der Durchdringung des Marktes steigen die Erwartungen der Kunden. Mehr Funktionen und eine aufwendigere Nutzererfahrung, begleitet von einer überzeugenden Haptik, verbunden mit einem eleganten, klar strukturierten und leicht zu reinigender Oberfläche ohne störende mechanische Schalter.

Haptische Funktion getrieben aus der Spieleindustrie

Aus den möglichen Anforderungen an das Design eines Endproduktes oder des OEMs ergeben sich für die Hersteller ganz verschiedene Möglichkeiten. Hier fließen aktuelle technische Entwicklungen der Bauelemente-Zulieferer mit ein. Sowohl die Hersteller als auch die Zulieferer ergänzen sich gegenseitig, in dem sie sich wechselseitig antreiben und stärken.

Die Nachfrage nach Haptik in Spielkonsolen und die zunehmende Umsetzung von Haptikfunktionen in der Konsumelektronik kurbeln das Marktwachstum an. So sorgt die Technik der Haptik in PC-Trackpads, Lenkrädern, Automobil-Touchscreens, Gaming-Joysticks und -Controllern sowie VR/AR-Systemen dafür, dass die Nutzererfahrung aufgewertet wird. Ergänzt wird die haptische Rückmeldung von Licht und Ton.

Das Design einer haptischen Rückmeldung

Nach Erhebungen von IDTechEx sind sowohl die auf Haptik entfallenden Ausgaben pro Gerät als auch der Anteil der mit Haptik-Funktionen ausgestatteten Geräte in den letzten zehn Jahren gestiegen. Laut Markets and Markets ist zu erwarten, dass die Haptik-Technik bis 2022 auf ein Volumen von 19,55 Mrd. US-Dollar wächst, was im Zeitraum zwischen 2016 und 2022 einer durchschnittlichen jährlichen Zuwachsrate von 16,2% entspricht.

Andere Quellen, wie etwa Market Research Future, nennen ähnliche Zahlen. Zu den entscheidenden Faktoren, die in erster Linie zu diesem Wachstum beitragen, gehört die zunehmende Verbreitung von Haptik in elek­tronischen Endgeräten. Das Design ist die eine Seite, doch Entwickler müssen die Ideen auch konkret umsetzen. Vor allem in den in Massen produzierten Konsumerprodukten oder in einem Industrieprodukt. Dazu sind drei grundsätzliche Herangehensweisen wichtig:

• Korrekte Umsetzung der notwendigen Nutzererfahrung,

• Entwicklung der zugehörigen haptischen Wellenformen

• ein qualitativ hochwertiges, konsistentes Endprodukt.

Umsetzung der Nutzererfahrung: Für die richtige Nutzererfahrung muss sich der Entwickler drei Dinge vergegenwärtigen: eine geringe Latenz, den Einsatz einer wirkungsvollen Haptik und schließlich den Einsatz DSP-basierter Algorithmen. Dabei muss zwingen die Latenzzeit zwischen der Eingabe des Anwenders und der Reaktion des Systems gering sein. Kurz: Ein vernachlässigbar geringer zeitlicher Verzug zwischen Aktion und Wirkung. Für eine korrekte Bedienung und die Nutzerzufriedenheit wäre eine lange Latenz nicht nur irritierend, sondern zudem gefährlich. Hier bekommt der Anwender bei einer zu langen Latenz den Eindruck, dass sein erstes Tippen nicht regis­triert wurde. Wird die Eingabe mehrmals wiederholt, dann wird das Gerät letztendlich mit einer Reihe von Bedienhandlungen überschüttet, was oftmals zu einem unerwarteten Verhalten führt.

Eine wirkungsvolle Haptik simuliert das Gefühl eines realen mechanischen Schalters und signalisiert die korrekte Eingabe. Dem gegenüber steht eine unzureichende Haptik mit einem ratternden oder summenden Gefühl. Die Anwender haben aufgrund ihrer jahrelangen Erfahrung mit echten Tasten­feldern eine klare Erwartung an das Touchsystem mit haptischer Rückmeldung.

DSP-basierte Algorithmen liefern ein konsistentes Ansteuersignal für den LRA (Linear Resonant Actuator). Neben anderen Aufgaben schützen diese Algorithmen LRAs vor übermäßiger Aussteuerung und sind Garant für die Langzeit-Zuverlässigkeit der verwendeten Bauelemente. Der spezielle CLAB- Algorithmus (Closed Loop Active Braking) von Cirrus Logic sorgt für einen eindeutigen und weniger summenden Haptik-Effekt. In Labortests wurde ermittelt, dass sich die Dauer des Schwingens gegenüber ungeregelten Lösungen um den Faktor vier bis acht verringerte (Bild 3). Zu diesem Zweck erfasst der Algorithmus in Echtzeit Signale von Spannungs- und Stromwächtern, sodass im Interesse verbesserter Leistungsfähigkeit ein geregelter Betrieb möglich ist.

Die haptischen Wellenformen für die Rückmeldung

Bei der Entwicklung von Haptik-Produkten spielen die haptischen Wellenformen eine entscheidende Rolle. Denn schließlich wird über die ausgebreiteten Wellen auf der Oberfläche das entsprechende Feedback des Anwenders definiert. Doch wie lässt sich eine haptische GUI entwerfen? Entscheidend für das richtige Gefühl bei einer HMI-Anwendung sind neben der Form und das Gewicht auch die mechanische Struktur.

Sie alle zusammen beeinflussen die zu erwartende Nutzererfahrung. Damit der Anwender ein ihm bekanntes Gefühl bei der Bedienung bekommt, sind ausgiebige Studien notwendig, die sich über mehrere Iterationen erstrecken können. Für ein System- und Produktentwickler ist es wichtig, über entsprechende Werkzeuge zu verfügen, mit denen sich die Stärke oder das Gefühl eines Haptik-Klicks oder der ausbreitenden Wellenform rasch verändern lässt. Bis zu dem Punkt, wenn das passende Betätigungsgefühl erreicht ist. Allerdings verkomplizieren verschiedene Geräte oder unterschiedliche Anwendungsszenarien innerhalb ein und desselben Geräts die Entwicklung.

Beispielsweise kann eine unkritische Funktion, wie etwa das Verändern einer Bildschirmfarbe während der Einrichtung, mit einer leichten Berührung aufgerufen werden. Für eine kritischere Funktion dagegen, wie etwa das Starten einer Testsequenz oder das Ändern der Betriebsart, kann dagegen eine längere, entschiedenere Eingabe des Anwenders im Verbund mit einer verstärkten Rückmeldung erforderlich sein.

Programmierbare Effekte für eine entsprechende Nutzererfahrung beschränken sich keineswegs darauf, einen oder mehrere Standard-Knöpfe anzubieten. Hier sind sensorbasierte Effekte notwendig. Das können Verschlussgeräusche einer Kamera sein oder Zoom-, Bump- und Scroll-Effekte sowie unterschiedliche Klingeltöne. Alle Effekte können die HMI-Erfahrung entscheidend aufwerten, indem der Ausdruck der Haptik auf die Besonderheiten der Applikations-Dynamik abgestimmt wird. Ergänzende Gesten ergänzen die Benutzeroberfläche und werten die Apps auf.

Der Einfluss des Stromverbrauchs auf das System

Die Qualität eines HMI-Systems mit haptischer Rückmeldung hängt vom Kontext und den Besonderheiten der Anwendung ab. Bei Systemen mit Haptik-Funktionen ist dem Anwender der Standby-Stromverbrauch nicht bewusst oder auch die Vorteile der eingebauten Diagnosefunktionen oder die Kalibrierung für eine gleichbleibende Fertigung.

Ein sehr niedriger Standby-Stromverbrauch kann eine kritische Größe sein, da das HMI-System fortlaufend auf den Eingang einer haptischen Aktivierung wacht. Das hat beispielsweise Auswirkungen auf die Batterielebensdauer bei mobilen Geräten. Der stromsparende Betrieb kann beispielsweise durch effiziente Hochspannungs-Treiber der Klasse H ergänzt werden, um die haptische Rückmeldung zu garantieren und gleichzeitig die Batterielebensdauer zu maximieren.

Diagnose und Kompensation sorgen für eine konsistente Haptik-Erfahrung. Ändert sich die Betriebsumgebung, wie Temperatur oder Feuchtigkeit, wird das dynamisch kompensiert. Auch das Altern des Systems insgesamt oder seiner Bauteile wird damit ausgeglichen. Obwohl Änderungen in der Umgebung deutliche Auswirkungen auf die Stärke und das Gefühl der Haptik-Funktionen haben können, erwarten die Anwender die immer gleiche Intensität der Reaktion – ob sie sich nun auf einer Skipiste oder in einer gut geheizten Almhütte befinden, in ihrem klimatisierten Büro oder an einem heißen Sommertag im Freien.

* Shahram Tadayon arbeitet als Product Marketing Manager bei Cirrus Logic.

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