Ecole Doctorale
Sciences du Mouvement Humain
Spécialité
Sciences du Mouvement Humain - MRS
Etablissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
haptique,frottement,ultrason,surface,interfaces homme machines,
Keywords
haptics,friction,ultrasonic,surface,human machines interfaces,
Titre de thèse
Étude de la réflexion et de labsorption des ondes ultrasonores par le doigt : application aux surfaces haptiques
Study of the ultrasonic waves reflection and absorption by the fingertip: application to haptic surfaces
Date
Thursday 6 May 2021 à 14:00
Adresse
Visio-conférence Visio-conférence
Jury
Directeur de these |
M. Reinoud BOOTSMA |
DCI - Aix-Marseille Université |
Rapporteur |
Mme Betty SEMAIL |
L2EP - Ecole Polytechnique Universitaire De Lille |
Rapporteur |
M. Micky RAKOTONDRABE |
MAVRICS - École Nationale dIngénieurs de Tarbes |
Examinateur |
M. Julien SCHEIBERT |
LTDS - École Centrale de Lyon |
Examinateur |
M. Sinan HALIYO |
ISIR - Université de la Sorbonne à Paris |
Examinateur |
M. Frédéric LEBON |
LMA - Aix-Marseille Université |
Examinateur |
M. Michaël WIERTLEWSKI |
Delft Haptics Lab - TU Delft |
Résumé de la thèse
Lécran tactile représente aujourdhui la quintessence des interfaces homme/machine. Cependant, linteraction avec cette surface plane demande une attention visuelle forte, en contradiction avec lexpérience physique du monde qui nous entoure. Afin de pallier ce manque, les surfaces haptiques offrent une nouvelle opportunité pour générer des stimuli tactiles directement sur le doigt de leurs utilisateurs.
Pour générer ces stimuli, un principe prometteur repose sur la modulation du frottement du doigt sur la surface active. La variation de cet effort, opposé au mouvement du doigt, génère lillusion de toucher une surface texturée, les formes dun relief ou dinteragir avec des boutons. La méthode utilisée dans ce travail repose sur le contrôle en temps réel de lamplitude dondes ultrasonores pour faire varier le frottement du doigt.
Leffet de ces ondes ultrasonores sur le frottement est un phénomène complexe et variable. La force due au frottement du doigt peut varier dun ordre de grandeur en lespace de quelques minutes. Ce travail propose une méthode pour mesurer et contrôler en boucle fermée la force et ainsi corriger les variations.
Afin de comprendre les nuances de linteraction ondes-doigt, un modèle reposant sur la théorie de contact multi-échelles a été conçu. Il intègre la dynamique non-linéaire qui lie deux échelles de temps : celle de la vibration ultrasonore (≈ 20 µs) et son impact sur le frottement (≈ 1 ms). En retour, ce modèle permet dextraire létat du contact, et donc du frottement à partir de la simple mesure de la vibration de la plaque. Et cela, sans employer de capteur supplémentaire que lactionneur ultrasonore déjà présent pour la modulation. Cela la rend parfaitement prête à être utilisé dans des interfaces haptiques. Avec cette estimation du frottement possible avant même la mise en glissement, souvre de nouvelles possibilités de stimuli tactiles pouvant renforcer le réalisme des illusions produites sur les surfaces haptiques.
Thesis resume
Touchscreens have pervaded our lives and became the human/computer of choice. However, its utilization needs high visual attention contrary to the physical world that we experience. To address this lack, haptic surfaces propose to produce tactile stimuli directly onto the user's fingertip.
To generate these stimuli, a promising technique consists of modulating fingertip friction on the active surface. The variation of this force, opposed to the fingertip motion, generates an illusion of touching a textured surface, the shape of relief or the clic of a button. The method used here is based on the control of the ultrasonic waves amplitude modulation in real-time to variates the fingertip friction.
The effect of these ultrasonic waves on friction is a complex and variable phenomenon. The friction force of the fingertip could variate an order of magnitude within minutes. This work proposes a method to measure and control a closed-loop this force that would overcome its variations.
To understand the underlying phenomenon of wave/fingertip interaction a multi-scale contact model has been made. It includes the non-linear dynamics which links two-time scales: the one of the ultrasonic vibration (≈ 20 µs) and its effect on friction (≈ 1 ms). Interestingly, this model helps extract the contact state and so its frictional resistance simply with the measure of the plate vibration. This is done without using another sensor than the ultrasonic actuator already needed for the friction modulation. Consequently, this method is ready to be used in haptic interfaces. Also, with the possibility to assess friction even before sliding occurs, a new way to create tactile stimuli is brought to enhance the realism of tactile illusions on haptic surfaces.