واجهات HMI مدمجة مسطحة تعمل باللمس
تشغيل HMI بلمس بديهي دون الحاجة إلى شاشة لمسية
طورت Irlbacher حلولًا مبتكرة لواجهات التشغيل HMI تعتمد على الزجاج كركيزة إلكترونية، دون الحاجة إلى شاشة عرض تقليدية. بفضل تقنيات اللمس PCAP والإضاءة الخلفية الذكية، يمكن تشغيل الأجهزة بشكل بديهي مع الحفاظ على تصميم أنيق ومتين.
مع الانتشار الواسع لشاشات اللمس في الأجهزة اليومية – من الهواتف الذكية إلى أنظمة التدفئة والطابعات وحتى أجهزة التحكم الصناعية المعقدة – أصبحت واجهات المستخدم التفاعلية تعتمد بشكل أساسي على شاشات العرض. ومع أنها توفر إمكانات تصميم واسعة، إلا أن تلك الشاشات تعتمد على النصوص لتوجيه المستخدم، مما يفرض متطلبات إضافية من حيث الترجمة، التخزين، والصيانة، أو ضرورة الاتصال المستمر بالسحابة.
طوّرت شركة Irlbacher Blickpunkt Glas GmbH ، ومقرها في شونسيه، والتي تمتلك واحدة من أوسع مجموعات عمليات التصنيع في مجال الزجاج على مستوى العالم، طورت منذ عام 2005 مفهوماً بديلاً يعتمد على الزجاج كعنصر وظيفي وتفاعلي في الأجهزة. حيث يمكن تشغيل العديد من التطبيقات البسيطة بشكل بديهي من دون الحاجة إلى شاشة عرض، وذلك من خلال تصميم واجهات تستند إلى إشارات بصرية ولمسية ذكية توجه المستخدم بشكل تلقائي.
بناءً على هذا النهج، طورت الشركة مجموعة حلول معيارية تتألف من عشرات المنصات التقنية الجاهزة، ما يمنح المصنعين حرية التركيز على تطوير تطبيقاتهم الخاصة، دون الحاجة إلى بناء البنية التحتية التقنية من الصفر. هذه المنصات قابلة للتعديل والتخصيص، مما يتيح الحفاظ على الهوية التصميمية لكل منتج أو علامة تجارية، مع تقليص تكاليف التطوير وتسريع الوصول إلى السوق.
بفضل هذا الابتكار، يمكن الاستغناء عن الشاشات في الأجهزة التي لا تتطلب عرض معلومات معقدة، مما يؤدي إلى أجهزة أكثر كفاءة، أقل تكلفة، وأكثر متانة – دون التنازل عن سهولة الاستخدام أو الجاذبية التصميمية.
اختيار الزجاج المناسب: خطوة أساسية في تصميم واجهات HMI
عند تصميم واجهات المستخدم البشرية (HMI)، يُعتبر اختيار نوع الزجاج المستخدم كركيزة أساسية خطوة حاسمة في ضمان الأداء والمتانة والتكامل البصري. وغالبًا ما يُستخدم زجاج الجير الصودا، المعروف باسم "زجاج النوافذ"، بسمك يتراوح بين 3 و5 مم لواجهات التطبيقات العادية. أما في حالات الاستخدام الأكثر تطلبًا مثل آلات البيع في الأماكن العامة، حيث يتطلب الأمر مقاومة عالية للتخريب، فيتم استخدام سماكات تصل إلى 8 مم.
غير أن هذا الزجاج يحمل تدرجًا لونيًا أخضر طفيفًا بسبب محتوى الحديد، ما قد يمثل تحديًا في التطبيقات التي تتطلب نقاء بصريًا أو مظهرًا تصميميًا راقيًا. في مثل هذه الحالات، يتم اللجوء إلى الزجاج الأبيض، الذي يتميز بانخفاض محتواه من الحديد وبالتالي يتمتع بدرجة شفافية أعلى (انظر الشكل 1).
أما في البيئات ذات درجات الحرارة العالية أو في التطبيقات المعرضة لتغيرات حرارية حادة، فإن زجاج البورسليكات يُعد خيارًا مفضلًا بفضل مقاومته الممتازة للتمدد الحراري. وبالنسبة للتطبيقات التي تتطلب مقاومة عالية للصدمات – مثل شاشات الهواتف الذكية – يستخدم زجاج سيليكات الألمنيوم المعروف تجاريًا باسم "Gorilla Glass". كما توجد خيارات أخرى عديدة تتراوح بين الزجاج فائق الرقة بسماكة ميكرومترية، والزجاج المقاوم للحرارة، والزجاج المزخرف أو الملوّن، والزجاج المعالج بسطوح خاصة.
ونظرًا لهذا التنوع الكبير، فإن اختيار الركيزة المناسبة ليس قرارًا بسيطًا. ولهذا السبب، يُنصح بإشراك متخصص في تقنيات الزجاج في مرحلة مبكرة من عملية التطوير، لتجنب التعديلات غير المتوقعة أو المسارات المكلفة غير المثمرة لاحقًا.
تصميم بصري متقدّم بفضل طباعة دقيقة وإضاءة ذكية
يُصمم الزجاج الأمامي الشفاف باستخدام تقنيات طباعة الشاشة أو الطباعة الرقمية، حسب متطلبات الكمية والتطبيق. وتُتيح هذه الخطوة تنفيذ شعارات الشركات، وعناصر التفاعل مثل الرموز أو المؤشرات، بألوان دقيقة ومتوافقة مع هوية العلامة التجارية. ومن خلال الترتيب الذكي لطبقات الطباعة وإضافة إضاءة خلفية بتقنية LED، يمكن تنفيذ عناصر تشغيل "خفية"، تظهر فقط عند الحاجة – مثل مؤشرات الامتلاء في وحدات التجميع (انظر الشكل 2).
ويُراعى في اختيار أحبار الطباعة نوع التطبيق: فبالنسبة للأنظمة الخارجية مثل أجهزة الاتصال الداخلي للأبواب، تُستخدم ألوان مقاومة للأشعة فوق البنفسجية للحفاظ على وضوحها في ضوء الشمس. أما في التطبيقات الداخلية، فيُعطى الأولوية لتألق الألوان وحيويتها.
إضاءة LED خلفية مخصصة
تُستخدم الإضاءة الخلفية بعدة أشكال، مثل إبراز شعار الشركة، أو إظهار عناصر تحكم غير مرئية في الوضع الافتراضي، أو تقديم إشارات تفاعلية لتوجيه المستخدم. بل ويمكن استخدام اللون نفسه للتعبير عن حالات التشغيل: فعلى سبيل المثال، يتحول لون عنصر تحكم بمنظم حرارة من الأزرق إلى الأحمر وفقًا لدرجة الحرارة المحددة، ما يعزز تجربة الاستخدام البصري والبديهي.
اللمس
تمتلك شركة Irlbacher خبرة تمتد لأكثر من 20 عامًا في دمج وظائف اللمس من نوع PCAP (السعوي الإسقاطي) في الزجاج دون الحاجة إلى شاشة عرض. وتعمل هذه التقنية على استشعار اللمس دون الحاجة إلى ملامسة مباشرة لسطح المستشعر، مما يجعلها فعّالة وسريعة الاستجابة حتى عند ارتداء القفازات – بما في ذلك القفازات الطبية. وبذلك، يصبح استخدام واجهات HMI عالية الأداء باللمس في البيئات الاحترافية والمتخصصة أكثر موثوقية وسلاسة.
العناصر اللمسية
تلعب العناصر اللمسية دورًا محوريًا في ضمان التشغيل البديهي لواجهات المستخدم، حيث يستطيع المستخدم تحديد وظائف التحكم من خلال الإحساس اللمسي دون الحاجة إلى شروحات إضافية. على سبيل المثال، يشير التجويف المشكّل مباشرة داخل الزجاج إلى نقطة التشغيل بشكل واضح، مما يُغني عن استخدام الشاشات أو الرموز المرئية. ولا تقتصر هذه التقنية على محاكاة الأزرار فقط، بل يمكن استخدامها أيضًا في إنشاء منزلقات (sliders). إذ يمكن للإضاءة الخلفية بتقنية LED أن تعزز هذه التجربة من خلال عرض القيمة المحددة – سواء بشكل دائم، كما في حالة وحدات تحكم المزج، أو فقط أثناء التفاعل، كما في وحدات التحكم بدرجة حرارة الغرفة. كما يمكن تنفيذ عناصر تحكم تشبه أدوات التشفير (encoders) باستخدام نفس التقنية، مما يتيح مرونة تصميمية عالية وتفاعلاً لمسيًا متطورًا، كما هو موضح في الشكل 3.
تأثيرات القرب
تُعد تقنية استشعار القرب المخفية خلف الزجاج من الحلول المبتكرة التي تتيح التعرف على اقتراب الإصبع أو اليد أو حتى وجود شخص، وذلك حسب طبيعة ومتطلبات التطبيق. وتُمكّن هذه التقنية من تفعيل وظائف تشغيل محددة بمجرد الاقتراب، دون الحاجة إلى لمس فعلي.
في أكثر السيناريوهات تطورًا، يمكن أن يتحول سطح أسود أنيق على الحائط إلى وحدة تحكم ذكية في التدفئة بمجرد اقتراب المستخدم. وبالمثل، يمكن أن يعمل رقم المنزل المُضاء والمُصمم بعناية كجهاز اتصال داخلي للباب، يجمع بين الوظيفة واللمسة الجمالية في آن واحد. هذه الحلول تعزز التكامل بين التصميم العصري والتفاعل الذكي في واجهات HMI الحديثة.
العاكسات وحلول التركيب
ترتبط تقنية العاكسات ارتباطًا وثيقًا بالإضاءة الخلفية لمصابيح LED، حيث تلعب دورًا حيويًا في منع تداخل الإضاءة بين مصابيح LED المتجاورة. تساعد هذه العاكسات الدقيقة المثبتة خلف الزجاج في تقديم إشارات ضوئية واضحة لا تحتمل اللبس، مما يمنع ارتباك المستخدم ويُجنب إضاءة غير دقيقة لعناصر حساسة مثل شعار الشركة.
تعتمد شركة Irlbacher على تصميم أجزاء بلاستيكية مخصصة تحتوي على مجموعة العاكسات اللازمة لمصابيح LED، كما هو موضح في الشكل 4. وغالبًا ما يتم دمج حلول التثبيت الخاصة بواجهة HMI المدمجة داخل نفس الجزء البلاستيكي، مما يوفر تكاملاً ميكانيكيًا ومرونة في التصميم. وفي خطوة لاحقة، يُلصق هذا الجزء البلاستيكي على واجهة المستخدم الزجاجية ويتم تسليم الوحدة الأمامية بالكامل كوحدة متكاملة مجربة ومختبرة.
المعالجة الصحية
يُعد الزجاج مادة خاملة بطبيعتها، ما يجعله غير مواتٍ لنمو الجراثيم أو التصاقها، وهو ما يمنحه مزايا كبيرة في التطبيقات التي تتطلب معايير صحية عالية. ويمكن تعزيز هذه المزايا الصحية بشكل أكبر من خلال اختيار الركائز المناسبة وإجراء معالجات سطحية مثل الطلاءات المضادة للميكروبات، التي تقلل من احتمالية التلوث أو الاتساخ. وبما أن تصميم واجهات التشغيل المدمجة (HMI) في الغالب لا يتطلب اختراقات أو فتحات، فإن تنظيف السطح الزجاجي بالكامل يصبح سهلًا وفعالًا من الناحية الصحية، حتى في البيئات الحساسة مثل المنشآت الطبية أو صناعات الأغذية.
تحسين السطح والتوافق الكهرومغناطيسي
يمكن أيضًا تعديل خواص السطح الزجاجي حسب متطلبات التطبيق. على سبيل المثال، يُستخدم الطلاء المضاد للانعكاس (Anti-glare) في شاشات HMI الكبيرة لتحسين وضوح القراءة وتقليل التوهج الناتج عن الإضاءة المحيطة، مما يساهم أيضًا في تعزيز الجانب الجمالي للواجهة. علاوة على ذلك، يمكن تطبيق طلاءات خاصة لتوفير الحماية من التداخل الكهرومغناطيسي (EMC)، وهو أمر بالغ الأهمية في البيئات الصناعية أو الإلكترونية المعقدة.
السلامة من خلال الزجاج المقسى (ESG)
رغم أن الزجاج الصناعي أقوى من الزجاج التقليدي، إلا أن تعرضه لضغط مفرط قد يؤدي إلى تشققه إلى شظايا حادة. لتقليل هذا الخطر، تقوم شركة Irlbacher عادةً بتطبيق عملية تقسية لصنع ما يُعرف بزجاج الأمان الأحادي (ESG). في حال تعرضه للكسر، يتفتت هذا النوع من الزجاج إلى قطع صغيرة غير حادة، مما يقلل خطر الإصابة ويوفر مستوى عالٍ من السلامة في التطبيقات التي تتطلب مقاومة الصدمات أو الحوادث المحتملة.
قدرات الحافة المدمجة في واجهات HMI
يتطلب تشغيل الأزرار، والمنزلقات، وأدوات التحكم الدوارة، إضافة إلى التحكم الديناميكي في مصابيح LED، وحدة معالجة عالية الكفاءة. ولهذا الغرض، تقوم شركة Irlbacher غالبًا بدمج المعالج مباشرة على الزجاج، مما يقلل من طول خطوط التوصيل الخاصة بالمستشعرات ويعزز الكفاءة.
ورغم أن أنوية الحوسبة الحديثة نادرًا ما تُستغل بالكامل في مثل هذه التطبيقات، إلا أن الشركة طورت حلين مبتكرين للاستفادة من طاقة المعالجة غير المستخدمة. من جهة، يمكن للمعالج تنفيذ المعالجة المسبقة لبيانات المستشعر قبل إرسالها إلى وحدة التحكم الرئيسية، مما يبسط بنية الاتصال في سياق الحوسبة الطرفية (Edge Computing) ويتيح استخدام بروتوكولات الاتصال القياسية عبر الحافلات المشتركة. ومن جهة أخرى، أصبح بالإمكان تضمين تطبيقات مخصصة ضمن إلكترونيات Irlbacher ذاتها، مما يُلغي الحاجة إلى لوحات تحكم منفصلة داخل الجهاز، كما يتضح في الشكل 5.
Embedded-Edge
تطبيق عملي: وحدة تحكم مصباح طبي مضغوطة
في إطار مشروع موجه لتقنيات العلاج بالأشعة تحت الحمراء، طورت شركة SPS Life GmbH مصباحًا عالي الكفاءة تحت الحمراء يسمى Surya، موجّه للاستخدام في العلاجات الرياضية والمراكز الصحية الفاخرة. تطلّب المشروع تصميم واجهة HMI مدمجة بقياسات صغيرة جدًا (62 × 25 مم) تتيح تحكمًا بديهيًا بالكامل، دون الحاجة إلى شاشة عرض.
كان التحدي الأساسي يتمثل في أن موقع تركيب واجهة HMI يقع في قاعدة المصباح المصنوعة من الكربون، والتي لا تسمح بعمق كافٍ لتركيب إضاءة خلفية تقليدية باستخدام LED. لذلك، تم اعتماد حل بصري ذكي: حيث تم دمج دليل ضوئي بصريًا مع الجهة الخلفية للزجاج الأمامي بسماكة 3 مم (الشكل 6)، وجرى تمرير الضوء عبر أربع فتحات بيضاوية مدمجة في الحافة السفلية للزجاج.
Realisierungsbeispiel medizinische Leuchte
يُظهر الشكل 7 كيف يتيح هذا التصميم المدمج إضاءة موحّدة وخالية من الظلال، مع تقليل عمق التثبيت إلى أقل من النصف مقارنة بالأنظمة التقليدية. لكن هذا الابتكار فرض تحديًا جديدًا: لم يعد بالإمكان تركيب إلكترونيات التحكم مباشرة خلف الزجاج.
ولمعالجة ذلك، تم تطوير لوحة دوائر كهربائية تقليدية من نوع FR4 بمكونات مثبتة على الجهتين، يتم إدخالها من الخلف وتثبيتها على دليل الضوء باستخدام برغيين، ما يضمن ثباتًا عاليًا ووظائف كاملة في مساحة محدودة للغاية.
وبالمقارنة، يتطلب هذا الحل أقل من نصف عمق التثبيت اللازم لتحقيق إضاءة موحدة وخالية من الظلال. ومع ذلك، فإن هذا التصميم الذكي حال دون إمكانية تركيب إلكترونيات التحكم مباشرة على الجهة الخلفية لواجهة الإنسان والآلة المدمجة. وبدلاً من ذلك، تم توزيع جميع المكونات الإلكترونية على لوحة دوائر كهربائية تقليدية من نوع FR4، تحتوي على مكونات على كلا الجانبين، ويتم إدخالها في الهيكل من الجهة الخلفية وتثبيتها على دليل الضوء باستخدام برغيين (انظر الشكل 7).
مثال على تنفيذ غطاء الشفاط
إلى جانب التركيز على سهولة الاستخدام البديهية، تمثّل التحدي في هذا التطبيق في دمج وظائف التحكم الكاملة بالجهاز ضمن معالج وحدة HMI نفسها. يوضّح الشكل 5 مجموعة الزجاج قبل عملية الالتصاق بالجزء العاكس. وتُظهر الصورة بوضوح مناطق التشغيل المخصصة لكل وظيفة، بالإضافة إلى مؤشرات LED المرتبطة بها.
مثال تطبيقي لجهاز طبي
يُعد "Titan AT" جهازًا طبيًا من الفئة IIa يتم تشغيله بالكامل عبر واجهة لمس، حتى عند ارتداء القفازات الطبية (انظر الشكل 8). ولتوضيح مواقع نقاط التحكم على سطح الزجاج المُحسَّن خصيصًا للمتطلبات الصحية، تم تضمين مجموعة من العناصر اللمسية الدقيقة.
ويتيح الدمج الذكي بين العاكس والإضاءة الخلفية اختفاء عناصر التحكم تمامًا عن الأنظار عند عدم الحاجة إليها. وتُستخدم هذه التقنية هنا لإخفاء أربعة مؤشرات حالة في الجزء العلوي (على سبيل المثال امتلاء كيس الغبار أو الحاجة إلى الصيانة)، بالإضافة إلى شاشة عرض رقمية مكونة من خمسة أرقام بتكوين سباعي الأجزاء (انظر الشكل 2). عندما يكون الجهاز غير نشط أو متوقفًا عن التشغيل، تبقى هذه العناصر غير مرئية.
الخاتمة
تُسهم مجموعة الحلول المعيارية التي تقدمها شركة Irlbacher في تبسيط عملية تطوير مفاهيم تشغيل HMI البديهية لمجموعة واسعة من التطبيقات والقطاعات. وتتيح هذه المنصة المرنة تحقيق التميز الوظيفي دون المساس بهوية التصميم الخاصة بالشركة المصنعة. وتُجسد الأمثلة المعروضة تطبيقات مبتكرة تلبي احتياجات أسواق مختلفة، مع توحيدها جميعًا في نقطة مشتركة: التنفيذ السريع والفعّال خلال مرحلة التطوير، وذلك بفضل وحدات البناء الجاهزة القابلة للتخصيص والدمج بسلاسة.
Fazit
نبذة عن الكاتب
ماتياس نيباور هو مهندس صناعي يتولى التنسيق الداخلي وتنفيذ المشاريع المعقدة في شركة Irlbacher. ويشكّل مع فريقه حلقة الوصل الأساسية بين العملاء من جهة، ووحدات التطوير والإنتاج داخل الشركة من جهة أخرى.