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Perception et interface haptique pour les nanosciences
Guillaume MILLET
Directeur de thèse : Stéphane RÉGNIER
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Contexte et problématique 2/39
Manipulation aux échelles micro & nano
w Étude et Caractérisation de nouveaux matériaux, de structures mécaniques, d'objets biologiques
w Conception de nanosystèmes (NEMS) assemblés
w Chaîne de micro/nano-téléopération
Nanofils Nano-hélice Cellules Test de nanofil
Facteurs d'échelle
vitesse
force
vitesse
force
vitesse
force
vitesse
force
Environnement Robot esclave Couplage Robot maître Utilisateur
Visualisation
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Contexte et problématique 3/39
Manipulation aux échelles micro & nano
v Visualisation : micro (1 – 100 µm) nano (<1 µm) en temps différé
v Physique : forces de surface >> gravité
v Manipulation
Ø Manipulation par AFM
µ-pinces sans mesure de force
l pas de maîtrise des efforts
l nécessite retour visuel
Poutre AFM avec mesure de force
l maîtrise des efforts l outil le plus répandu
Microscope optique Microscope à
force atomique (AFM) Microscope électronique
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Contexte et problématique 4/39
Plates-formes de télé-nanomanipulation existantes
w Peu de télémanipulations réelles avec haptique w Pas d'études utilisateurs complètes
Ä Difficultés dues à la réduction d'échelle w Physique non-intuitive, grande plage dynamique, grandes accélérations w Contraintes technologiques
Univ. Carnegie Mellon, USA, 05 Univ. Caroline du Nord, USA, 97 ISIR, France, 05
VIDÉO
Apport de l'haptique ?
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Contexte et problématique 5/39
Bilan et objectifs
v Difficultés pour percevoir w les stratégies de manipulation spécifiques
w les phénomènes physiques
v Objectifs Ø Proposer et évaluer des assistances haptiques
Ø Évaluer l'apport de l'haptique pour comprendre l'AFM
Ø Concevoir une interface haptique dédiée
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Plan de la présentation
1. Assistances haptiques pour la microtéléopération w Assistances haptiques w Simulateur interactif w Evaluations pilotes
2. Retour haptique et analogie pour comprendre l’AFM w Méthode w Résultats w Discussion
3. Interface haptique pour toucher le nanomonde w Problématique w Principe de fonctionnement w Résultats expérimentaux
4. Conclusions et perspectives
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Assistances haptiques pour la micro-téléopération 7/39
Microscopie à force atomique
v Outil d'imagerie et de manipulation
v Courbe approche-retrait w Illustre les phénomènes les + présents
Approche Retrait
Hauteur de la base de la poutre
Force mesurée
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Assistances haptiques pour la micro-téléopération 8/39
Assistances haptiques pour l'AFM
v Stratégies de micromanipulation développées à l'ISIR w Compromis sur le rendu des
petites / grandes amplitudes
w Charge cognitive pour contrôler l'effort d'interaction
v Existant
Dépose par roulement
Dépose par adhésion
A. Ferreira, LVR, Bourges Champs de répulsion, planification
Sitti, Carnegie Mellon, Pittsburgh Rigidité de la poutre masquée
VIDÉO VIDÉO
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Assistances haptiques pour la micro-téléopération 9/39
Modification de la force attractive rendue
v Réduction de la plage dynamique rendue Ø Modifie le rapport amplitudes
v Inversion de l'effort Ø Retrait de la poutre facilité
petites grandes
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Assistances haptiques pour la micro-téléopération 10/39
Modification de la force au contact rendue
v Position de repos virtuelle Ø Équilibre au contact avec une force constante sur la pointe
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Assistances haptiques pour la micro-téléopération 11/39
v Position de repos virtuelle & inversion
Ø Valide les conditions en effort pour déposer par adhésion ou par roulement
Assistance évaluée
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Assistances haptiques pour la micro-téléopération 12/39
v Simuler les phénomènes et les tâches exploratoires w Modélisation quasi-statique : état d'équilibre à chaque instant
transition entre états contact et non-contact
Simulateur interactif pour tests utilisateurs
position
forceforce
position
image image
Écran
Interface haptique
GraphismeSimulationphysique position &
flèche
force
position
Utilisateur
Couplage
Facteursd'échelle
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Assistances haptiques pour la micro-téléopération 13/39
Évaluation pilote sur une dépose par adhésion
v Tâche w Déplacer 4 billes d'un substrat S1
à un substrat S2 plus adhérant, en formant une pyramide
w Effort minimum nécessaire pour la prise et la dépose
v Méthode w 7 étudiants novices w 3 conditions expérimentales
- Sans haptique - Avec haptique, sans assistance - Avec haptique, avec assistance
w 3 essais x 3 conditions x 3 séries = 27 essais
Prise Substrat peu adhérant
Dépose Substrat très adhérant
S1 S2
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Assistances haptiques pour la micro-téléopération 14/39
Évaluation sur une dépose par adhésion Résultats v Performances en temps et en précision
w Pas d'effet significatif des conditions expérimentales
v Effet d'apprentissage w Diminution significative du temps d'exécution de 32%
v Impressions subjectives w Meilleure rapidité avec le retour haptique w Meilleure précision avec le retour haptique et l'assistance
v Discussion et bilan w Performances très variables w Stratégie biaisée par l'apprentissage w Impressions subjectives significatives
Rapidité Précision1
2
3
4
5
6
7Sans haptiqueAvec haptiqueAvec haptique et asssitance
Rapidité Précision1
2
3
4
5
6
7
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Assistances haptiques pour la micro-téléopération 15/39
Étude pilote sur une dépose par roulement
v Tâche w Déplacer une bille prise par adhésion
et la déposer par roulement w Effort minimum pour faire rouler la
bille, sinon glissement bille/substrat w Cassure poutre
v Méthode w 5 chercheurs connaissant l'AFM w 3 conditions expérimentales
(idem évaluation précédente) w 4 billes x 3 conditions = 12 essais
Dépose par roulement
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Assistances haptiques pour la micro-téléopération 16/39
Étude pilote sur une dépose par roulement Résultats v Effort maximal appliqué sur la poutre
w Diminution avec l'assistance haptique w Diminution du nombre de cassure avec le retour haptique
v Impressions subjectives w Tâche facilitée avec l'assistance haptique,
en particulier avec la position de repos virtuelle
v Discussion et bilan w Peu d'effet du retour inversé dans cette évaluation w Position de repos virtuelle jugée utile
Effort maximal0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
Facilité Assurance1
2
3
4
5
Sans haptiqueAvec haptiqueAvec haptique et assistance
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Assistances haptiques pour la micro-téléopération 17/39
Bilan sur les évaluations d'assistances haptiques
v Création d'un simulateur RV w Modèles physiques et expertise ISIR w Fidélité des comportements
v Assistances haptiques w Inversion du rendu de l'effort de retrait w Semi-automatisation de l'effort de prise et dépose
v Deux évaluations pilotes w Premiers résultats encourageants w À confirmer avec plus de sujets ou en manipulation réelle
)( mesuréerendue FfF =
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Plan de la présentation
1. Assistances haptiques pour la microtéléopération w Assistances haptiques w Simulateur interactif w Expériences pilotes
2. Retour haptique et analogie pour comprendre l’AFM w Méthode w Résultats w Discussion
3. Interface haptique pour toucher le nanomonde w Problématique w Principe de fonctionnement w Résultats expérimentaux
4. Conclusions et perspectives
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Retour haptique et analogie pour comprendre l'AFM 19/39
Expérience utilisateur sur la compréhension
v Cycle approche-retrait v Questions
w Apport de l'haptique ? w Apport de l'analogie aimant-ressort ?
Représentations graphiques testées
Analogie aimant-ressort Poutre AFM
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Retour haptique et analogie pour comprendre l'AFM 20/39
Expérience utilisateur sur la compréhension Méthode
v 45 étudiants v 4 conditions v 4 groupes
Explications Dessin Identification de courbe
Identification de courbe Questionnaire
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Retour haptique et analogie pour comprendre l'AFM 21/39
Expérience utilisateur sur la compréhension Résultats – Identifications, temps, dessins
v Identification w Analogie aide au début w Haptique – influence de la raideur
v Temps w Plus rapide (30%) avec l'analogie, au début w Plus lent (50%) avec l'haptique, au début
v Dessins w Corrélation avec l’identification w Pas d'influence significative
1 2 3 4* 5 6 7 80
1
2
3
4
5
6
Nombre d'identifications de la simu 1
Haptique + Poutre Haptique + Analogie Sans haptique + Poutre Sans haptique + Analogie
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Retour haptique et analogie pour comprendre l'AFM 22/39
Expérience utilisateur sur la compréhension Résultats – Analyse de composantes principales v Étude des corrélations entre les données
v Effets des conditions w Haptique augmente le temps de traitement w Haptique aide à comparer la raideur et le pull-off
v Stratégies complémentaires w Raisonnement par analogie w Notions d’élasticité linéaire et de dynamique rapide
-1 -0.5 0 0.5 1-1
-0.5
0
0.5
1
Choix 1
Choix 4
Dessin-temps
Dessin-note
Poutre
Analogie
Linéaire
AdhésionDynamique
Haptique actifCond. G.
Cond. H.
Facteur 1
Fact
eur 2
-1 -0.5 0 0.5 1-1
-0.5
0
0.5
1
Choix 1Choix 4
Dessin-temps Dessin-note
Poutre
Analogie
Linéaire
AdhésionDynamique
Haptique actif
Cond. G.
Cond. H.
Facteur 3
Fact
eur 4
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Retour haptique et analogie pour comprendre l'AFM 23/39
Expérience utilisateur sur la compréhension Résultats – Préférences
v Conditions Haptique et Analogie très appréciées
v Influence plus grande de l’haptique
Compréhension 1
2
3
4
5
6
7
Moyennes
1 2 3 40
10
20
30
40
Rang
Fréq
uenc
epa
rmi l
es 4
5 su
jets Haptique + Poutre
Haptique + Analogie Sans haptique + Poutre Sans haptique + Analogie
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Retour haptique et analogie pour comprendre l'AFM 24/39
Expérience utilisateur sur la compréhension Résultats – Discussion v Analogie aimant-ressort
w Effet significatif lors de la découverte du phénomène w Analogie évoquée → meilleure identification w Aide à comprendre le lien hystérésis – courbe AR
v Retour haptique w Focalise sur les forces w Meilleure perception de la raideur w Attraction pré-collage non perçue
v Protocole expérimental
w Tâche de dessin difficile à réaliser et à analyser
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Retour haptique et analogie pour comprendre l'AFM 25/39
Bilan et perspectives
v Retour haptique w Attention sur les forces impliquées w Perception de l’influence de la raideur w Temps de traitement plus long
v Analogie aimant-ressort w Aide au début de la compréhension w Adaptée à un cours d’introduction sur l’AFM
v Perspectives w Outil pédagogique w Effet de l’haptique sur la mémorisation à long terme
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26/39
Plan de la présentation
1. Assistances haptiques pour la microtéléopération w Assistances haptiques w Simulateur interactif w Expériences pilotes
2. Retour haptique et analogie pour comprendre l’AFM w Méthode w Résultats w Discussion
3. Interface haptique pour toucher le nanomonde w Problématique w Principe de fonctionnement w Résultats expérimentaux
4. Conclusions et perspectives
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Interface haptique pour toucher le nanomonde 27/39
Interface haptique dédiée
v Dédiée au rendu de l’échelle nano w Grande plage dynamique (104 : 1 mN à 10 N) w Grandes accélérations
v Problématique w Actionneur électromagnétique : fort couple → grande inertie Ø Couplage de deux actionneurs
• 1 actionneur léger pour les composantes hautes-fréquences • 1 actionneur puissant asservi en effort
Ø Couplage visqueux • Pas d’énergie emmagasinée • Commande simple et réactive : commande en vitesse
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Interface haptique pour toucher le nanomonde 28/39
Principe de fonctionnement
v Commande
v Couplage par courants de Foucault
Gros moteur
Petit moteur
Coupleur visqueux
Impédance mécanique apparente
Couple maximal
Anneau
Aimants
Fer doux Anneau
B induit
J induit V anneau aimants
Vitesse caractéristique linéaire
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Interface haptique pour toucher le nanomonde 29/39
Premier prototype
v Identification w Inertie de la sortie 150 10-7 kg.m2 w Plage dynamique 0,2 – 45 mN.m
Coupleur visqueux à courants de Foucault
Inducteur
Induit en aluminium
Gros moteur
Petit moteur
Poignée
Inertie apparente avec l’asservissement en effort
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Interface haptique pour toucher le nanomonde 30/39
Optimisation des performances Analyse théorique v Deux critères d’optimisation
w Minimiser la constante de temps du 1er étage J1/b w Minimiser l’inertie du 2ème étage J2
v Analyse théorique w Hypothèses simplificatrices pour estimer b w Nombreuses variables w B dépend aussi de la géométrie
v Quelques indices w Rapport /ρal à minimiser → induit en aluminium non allié w Maximiser le champ magnétique → aimants NdFeB
Ø Analyse numérique multiphysique nécessaire
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Interface haptique pour toucher le nanomonde 31/39
Optimisation des performances Analyse numérique multiphysique v Paramètres étudiés
w Nombre d’aimants optimal w Largeur de l’induit → dépasser hauteur aimant w Espace d’air entre aimants et induit → minimiser
Simulation d’une demi-boucle magnétique
Densité des courants induits dans l’induit
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Interface haptique pour toucher le nanomonde 32/39
Performances obtenues
v Identification
2nd prototype
Écorché du coupleur
1er proto 2è proto J1/b 68 30 ms Inertie J2 150 64 10-7 kg.m2
Plage dyn. 0,2 – 45 0,1 – 200 mN.m
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Interface haptique pour toucher le nanomonde 33/39
Étude du cycle limite avec un ressort virtuel
v Analyse d’un système haptique oscillant w Viscosité b, frottement sec c, masse m w Ressort virtuel de raideur k w Retard pur T
Ø Condition nécessaire et suffisante de stabilité
w Linéarisation autour de φ=π/2
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Interface haptique pour toucher le nanomonde 34/39
Étude du cycle limite avec un ressort virtuel Résultats expérimentaux v Mesures sur le RE35
w Fréquence limite bien estimée w Vitesse maximale sous-estimée
v Mesures sur le proto w Influence du correcteur w Asservissement limité par une
résonance du moteur RE35 w Fréquence d’oscillation plus
grande avec le prototype
PHOTO RE35 seul
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Interface haptique pour toucher le nanomonde 35/39
Comparaison avec les capacités humaines
v Spécifications pour une poignée de Ø70 mm
v Inertie apparente similaire, sous certaines conditions w Asservissement suffisamment rapide w Commande stable
v Frottements résiduels w Utiliser des technologies sans contact
Spécif. Prototype Inertie 61 64 10-7 kg.m2 Frottement 0,04 0,2 mN.m Couple maxi 200 200 mN.m
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Conclusions et perspectives 36/39
Bilan et perspectives
v Nouvelle approche d’actionneur à 2 étages w Large plage dynamique & faible inertie w Critères de conception du couplage visqueux w Prototype fonctionnel
v Analyse de la stabilité par l’étude du cycle limite w Nouvelle condition de stabilité w Mise en évidence de l’influence du correcteur
v Perspectives w Expériences supplémentaires (détection de pic à une vitesse donnée) w Commande plus avancée w Nombreuses applications potentielles
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Conclusions et perspectives 37/39
Conclusion
v Télémciromanipualtion perception utilisateur v Solution pour améliorer pour la manipulation (tache)
& la physique (pédagogique) v Assistances haptiques sur l’effort rendu v Analogie visuelle pour les phénomènes
nanophysiques v Evaluation utilisateur v Nouvelle approche d’actionneur v Analyse de la stabilité au cycle limite v Prototype avec de grandes capacités de perception
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Conclusions et perspectives 38/39
Perspectives
v Contibaution des assisatncs haptqiues / stratgiées
v Manip réelle et évaluation in situ
v Méthode d évaluation simplifiée du point de vue tâche
v Application du prototype pour la perception du nanomonde
v Plusieurs axes
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