Design and control of an integrated haptic interface for touch screen applications

par Yi Yang

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Betty Lemaire-Semail et de Yuru Zhang.

  • Titre traduit

    Conception et Contrôle d’un système haptique intégré pour application aux écrans tactiles


  • Résumé

    Le manque de retour tactile est un problème important pour les écrans tactiles actuels. Sans retour tactile, les utilisateurs doivent compter sur leur sens visuel pour interagir avec les écrans. En conséquence, les performances en interaction des utilisateurs sont détériorées et la charge de travail visuel est très importante. Cette thèse présente la conception et l’évaluation d’un dispositif à retours de force et tactile pour améliorer l’interaction avec les écrans. Le dispositif est composé d’un retour d’effort à câbles et d’un retour tactile basé sur l’effet « squeeze film ». Le système à câbles comporte 4 câbles pour appliquer des efforts sur un ou deux doigts, grâce au contrôle de la tension des câbles. Il peut fournir du retour d’effort à l’utilisateur lorsque celui-ci attrape un objet virtuel et interagit avec d’autres objets. Le système à retour tactile est basé sur la réduction contrôlée du frottement d’une surface par effet « squeeze film ». Nous en proposons une modélisation analytique pour estimer la consommation énergétique ; nous avons utilisé ce modèle pour concevoir un stimulateur tactile large (198mm x 138mm) équipé de peu de piézo-céramiques pour sa mise en vibration, afin de diminuer la consommation. Ces deux systèmes peuvent être utilisés séparément et aussi de façon couplée pour fournir les deux retours simultanément lorsque l’utilisateur touche une surface. Le système haptique complet a été évalué sur la simulation d’une frontière. Par comparaison avec la configuration habituelle (retour d’effort seul), le dispositif haptique complet permet une amélioration de la stimulation en laissant percevoir la frontière de façon plus raide et plus nette.


  • Résumé

    The lack of haptic feedback is a significant problem of current touch screens. Without haptic feedback, users have to rely almost entirely on visual feedback to operate on a touch screen. As a result, users’ performance is deteriorated and users’ visual workload is increased. Adding tactile feedback to touch screens has shown to be a promising solution to address this problem. However, the force feedback in interactions with virtual objects on touch screens is not provided. This thesis presents the design and evaluation of an integrated haptic device for enhancing interactions on touch screens. The device consists of a cable-driven force feedback device and a squeeze film based tactile device. The cable-driven force feedback device uses four cables to provide force feedback to one finger or dual fingers through controlling the cable tensions. It can provide force feedback when the user clicks a button, grasps an object and interacts with other objects. The tactile device is based on the squeeze film effect to reduce the friction coefficient on the touch surface. We propose an accurate model to analyze the power consumption of the device and use the model to develop a large area (198 mm × 138mm) tactile device with very few piezoceramics and low power consumption. Each of these two devices can be used individually and the integrated device is able to provide simultaneous force feedback and tactile feedback on a touch surface. The coupled haptic feedback has been evaluated through simulating a boundary. As compared with a single type of haptic feedback (e.g. force feedback), the coupled haptic feedback enhances the simulation by making the boundary stiffer and crisper.


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