Développement et contrôle d’un stimulateur tactile pour simuler des textures réelles : application aux surfaces textiles

Design and control of a tactile stimulator for real texture simulation : application to textile fabrics

• Auteur / Autrice : Wael Ben Messaoud
• Direction : Betty Lemaire-Semail, Marie-Ange Bueno
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 06/06/2016
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électrotechnique et d'électronique de puissance (L2EP) - Laboratoire de physique et mécanique textiles (Mulhouse)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microcontrôleurs -- Programmation

Céramiques piézoélectriques

Modèles mathématiques

Fonctions de transfert

Commande automatique

Transducteurs ultrasonores

Stimulation sensorielle

Frottement

Simulation, Méthodes de

Toucher

Mots clés libres

Contrôle en boucle fermée

Résumé

La modulation de frottement par vibrations ultrasoniques est une des méthodes utilisées pour produire une stimulation tactile. L’amplitude de vibration est modulée en fonction de la position du doigt pour donner l’illusion à l’utilisateur de toucher une texture. L’objectif de cette thèse est de développer une interface tactile permettant de simuler la sensation tactile de textures complexes telles que des surfaces textiles. Pour ce faire, nous avons tout d’abord implanté une méthode de contrôle robuste du stimulateur tactile du L2EP grâce au développement d’un modèle du comportement vibratoire. Ce contrôle assure également le suivi de la fréquence de résonance afin d’optimiser l’efficacité énergétique du dispositif. Dans un second temps et après avoir évalué la relation entre les aspects tribologiques de l’interaction doigt/stimulateur et la perception des stimuli, nous avons prouvé par une étude statistique que le «contraste en frottement» est le paramètre le plus significatif et donc celui à programmer pour qualifier la variation de perception du frottement. Cette étude nous a menés à concevoir un nouveau dispositif tactile appelé SmartTac, intégrant des nouveaux capteurs de force permettant de mesurer et contrôler directement le coefficient de frottement qu’il soit adaptatif au doigt du sujet. Enfin, après avoir décrit une méthode d’extraction des propriétés tribologiques de trois surfaces textiles très différentes, la simulation de ces textures est entreprise avec le SmartTac. Notre approche est testée par la réalisation d’une expérience psychophysique sur la correspondance entre surfaces simulées et surfaces réelles: un taux de réussite de 78% valide notre démarche.

The friction modulation produced by ultrasonic vibrations is one of the methods which produce the tactile stimulation. The vibration amplitude is modulated depending on the finger position to give the illusion of touching a texture. This thesis aims at developing a tactile device able to simulate the sensation of touching complex textures such as textile fabrics. For this aim, we modelled first the vibration behaviour and proposed a new strategy to track the resonance frequency of the tactile device and to improve the robustness of the control. On the other hand, the relationship between the tribological aspects of interaction finger / stimulator and the perception of stimuli is assessed to define the most perceived tribological criteria. The tribological parameter named “friction contrast” is introduced. Following this tribological study, we developed a new tactile device called SmartTac integrating new force sensors to measure and control directly the coefficient of friction and to make it adaptive to the user’s finger. Last, a method for extracting the tribological properties of three various textile fabrics is applied to simulate them. Our method is validated by conducting a psychophysical experiment with a success rate of 78%, matching the simulated surfaces to real surfaces.