Génération et contrôle de retours tactiles par ondes ultrasoniques latérales et analyse human-in-the-Loop

Generation and control of tactile feedback with longitudinal ultrasonic vibration and human-in-the-Loop analysis

• Auteur / Autrice : Diana Angélica Torres Guzman
• Direction : Betty Lemaire-Semail, Frédéric Giraud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 14/12/2021
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électrotechnique et d'électronique de puissance (L2EP)
• Jury : Président / Présidente : Vincent Hayward
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Giraud-Audine, Michaël Wiertlewski, Marie-Ange Bueno, Matthieu Rupin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christine Prelle, François Pigache

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capteurs tactiles

Interaction humain-machine

Céramiques piézoélectriques

Transducteurs ultrasonores

Frottement

Surfaces

Simulation, Méthodes de

Toucher

Mots clés libres

Représentation énergétique macroscopique

Vibration longitudinale

Haptics

Piezoelectrics

Ultrasonic vibration

Friction modulation

HiL (human in the Loop)

EMR

Résumé

La technologie haptique offre aux utilisateurs un moyen unique d'interagir avec les mondes virtuels en permettant le transfert direct d'informations entre les interfaces et l'être humain par le biais du sens du toucher. Les dispositifs haptiques de surface utilisent différentes techniques pour moduler la friction afin de simuler la texture. Dans le cas des surfaces haptiques à ultrasons, on utilise des céramiques piézoélectriques qui, alimentées par une tension alternative sinusoïdale, provoquent un mouvement à la surface du dispositif. Ce mouvement est transmis et amplifié par le matériau, à sa fréquence de résonance.Les modes vibratoires transversaux sont couramment utilisés dans la technologie haptique des surfaces ultrasoniques. Ce travail évalue la possibilité d'utiliser les vibrations longitudinales comme une alternative technologique pour produire un retour haptique dans les dispositifs à ultrasons. Pour cela, des comparaisons sont effectuées sur les deux familles de modes, à partir d’un dispositif dédié à la fois d’un point de vue performances énergétiques et qualité des stimuli perçus. L'action et la perception de l'homme dans ce contexte sont très importantes. Malheureusement, en raison de la complexité des phénomènes de friction, la réponse sensorielle est différente d'un utilisateur à l'autre, avec le même stimulus haptique. Pour cette raison, il est intéressant d'explorer l'humain dans la boucle de simulation tactile. Dans ce but, une première tentative de développer le concept de "Human-in-the-Loop" en haptique de surface est présentée dans cette thèse, en utilisant le formalisme EMR (Energetic Macroscopic Representation) développé au sein de l'équipe de contrôle du L2EP et déjà couramment appliqué au HIL (Hardware in the Loop).Cette thèse est organisée comme suit : le chapitre 1 présente l'état de l'art et le positionnement. Le chapitre 2 présente la création et le contrôle d'un dispositif haptique de surface à ondes longitudinales. Dans le chapitre 3, le modèle d'interaction à l'origine de l'effet de modulation de la friction avec la vibration longitudinale ultrasonique est proposé et validé pour le cas où l'exploration se fait dans le même axe que le mouvement de l'onde, ainsi que le cas plus général où l'exploration se fait dans toute autre direction. Dans le chapitre 4, une série d'expériences est conçue pour effectuer une analyse comparative entre la vibration ultrasonore longitudinale et transversale, en termes de besoins énergétiques pour une intensité de texture donnée. A partir de cette étude, il est possible de percevoir une problématique importante dans la conception de dispositifs haptiques de surface à ultrasons : l'adaptation du retour haptique à chaque utilisateur pour obtenir une perception standardisée. Le chapitre 5 traite de cette problématique, en introduisant le concept de force acoustique du doigt et sa corrélation avec le phénomène de réduction de la friction. Enfin, le chapitre 6 présente les leçons apprises dans les chapitres précédents dans une perspective "Human-in-the-loop" et explore les applications futures possibles de ce type d'analyse.Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet Mint à l'IRCICA. Il fait donc partie de l'équipe collaborative 'CRIStAL-L2EP-MINT, et du groupe CNRS GdR TACT.

Haptic technology offers users a unique way of interacting with the virtual world, as it allows direct information transfer between the interfaces and the human through the sense of touch. Surface haptic devices use different techniques to achieve friction modulation in order to simulate texture. In the case of ultrasonic surface haptics, this is achieved with the use of piezoelectric ceramics, which, supplied by a sinusoidal alternating voltage, elicit motion on the surface of the device. This motion is transmitted and amplified by the material, at its resonance frequency.Transversal vibrational modes are commonly used in ultrasonic surface haptic technology. This work evaluates the possibility to use longitudinal vibration as a technological alternative to produce haptic return in ultrasonic devices. Valuable comparisons between transverse and longitudinal modes are performed on a dedicated device, both on the point of view of energetic behavior and stimuli perception quality. The action and perception of the human in this context are very important. Unfortunately, due to the complexity of friction phenomena, the sensory response is different from one user to another, with the same haptic stimulus. For this reason, it is interesting to explore the human in the tactile simulation loop. With this purpose in mind, an initial attempt to develop the concept of "Human-in-the-Loop" in surface haptics is given in this thesis, using the EMR formalism, (Energetic Macroscopic Representation)developed within the L2EP Control team and already commonly applied to HIL (Hardware in the Loop).This PhD thesis is organized as follows: chapter 1 presents the state of the art and the positioning. Chapter 2 presents the creation and control of a longitudinal wave surface haptic device. In Chapter 3, the interaction model at the origin of the friction modulation effect with ultrasonic longitudinal vibration is proposed and validated for the case where the exploration occurs in the same axis as the wave motion, as well as the more general case where the exploration occurs in any other direction. In Chapter 4, a series of experiments are conceived to perform a comparative analysis between longitudinal and transverse ultrasonic vibration, in terms of energetic requirements for a given texture intensity. From this study, it is possible to perceive one important problematic in the design of ultrasonic surface haptic devices: the adaptation of the haptic feedback to each user to achieve a standardized perception. Chapter 5 deals with this problematic, by introducing the concept of acoustic finger force and its correlation with the friction reduction phenomenon. Finally, Chapter 6 presents the lessons learned in the previous chapters in a ‘Human-in-the-loop’ perspective and explores the possible future applications of this type of analysis.This work has been carried out within the framework of the Mint Project at IRCICA. It takes, therefore, part in the collaborative ‘CRIStAL-L2EP-MINT’ team, and CNRS GdR TACT group.