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Perception et interface haptique pour les nanosciences Guillaume MILLET Directeur de thèse : Stéphane RÉGNIER Co-encadrant : Sinan HALIYO.

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1 Perception et interface haptique pour les nanosciences Guillaume MILLET Directeur de thèse : Stéphane RÉGNIER Co-encadrant : Sinan HALIYO

2 Contexte et problématique Manipulation aux échelles micro & nano Étude et Caractérisation de nouveaux matériaux, de structures mécaniques, d'objets biologiques Conception de nanosystèmes (NEMS) assemblés Chaîne de micro/nano-téléopération NanofilsNano-héliceCellulesTest de nanofil Facteurs d'échelle vitesse force vitesse force vitesse force vitesse force EnvironnementRobot esclaveCouplageRobot maîtreUtilisateur Visualisation 2/40

3 Contexte et problématique Manipulation aux échelles micro & nano Visualisation : micro (1 – 100 µm)nano (<1 µm) en temps différé Physique : forces de surface >> gravité Manipulation Manipulation par AFM pas de maîtrise des efforts nécessite retour visuel Microscope optique Microscope à force atomique (AFM) Microscope électronique µ-pinces sans mesure de force Poutre AFM avec mesure de force mesure des efforts outil le plus répandu 3/40

4 Contexte et problématique Plates-formes de télé-nanomanipulation existantes Peu de télémanipulations réelles avec haptique Pas d'études utilisateurs complètes Difficultés dues à la réduction d'échelle Stratégies de manipulation complexes Physique non-intuitive Ressenti haptique Univ. Carnegie Mellon, USA, 05Univ. Caroline du Nord, USA, 97ISIR, France, 05 VIDÉO Apport de l'haptique ? 4/40

5 Contexte et problématique Bilan et objectifs Difficultés pour percevoir les stratégies de manipulation spécifiques les phénomènes physiques Objectifs Proposer et évaluer des assistances haptiques Évaluer l'apport de l'haptique pour comprendre l'AFM Concevoir une interface haptique dédiée 5/40

6 Plan de la présentation 1.Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation Assistances haptiques Simulateur interactif Évaluations pilotes 2.Retour haptique et analogie pour comprendre lAFM Méthode Résultats Discussion 3.Interface haptique pour toucher le nanomonde Problématique Principe de fonctionnement Résultats expérimentaux 4.Conclusions et perspectives 6/40

7 Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation Microscopie à force atomique Outil d'imagerie et de manipulation Courbe approche-retrait Approche Retrait Hauteur de la base de la poutre Force mesurée Pull-off ou décollement Attraction (Van der Waals) Saut de contact 7/40

8 Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation Assistances haptiques pour l'AFM Stratégies de micromanipulation développées à l'ISIR Compromis sur le rendu des petites et grandes amplitudes Charge cognitive pour contrôler l'effort d'interaction 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 8/40

9 Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation Modification de la force rendue Réduction de la plage dynamique rendue Modifie le rapport amplitudes Inversion de l'effort Retrait de la poutre facilité petites grandes 9/40

10 Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation Modification de la force rendue au contact Position de repos virtuelle Équilibre au contact avec une force constante sur la poutre 10/40

11 Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation Position de repos virtuelle & inversion Valide les conditions en effort pour déposer par adhésion ou par roulement Assistance évaluée 11/40

12 Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation Simuler les phénomènes physiques et les tâches Modélisation quasi-statique état d'équilibre calculé à chaque instant phase contact ou non-contact Simulateur interactif pour tests utilisateurs 12/40

13 Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation Évaluation pilote sur une dépose par adhésion Tâche Déplacer 4 billes d'un substrat S1 à un substrat S2 plus adhérant, en formant une pyramide Mesures Temps, précision Impressions subjectives Méthode 7 étudiants novices 3 conditions expérimentales -Sans haptique -Avec haptique, sans assistance -Avec haptique, avec assistance 3 essais x 3 conditions x 3 séries = 27 essais Prise Substrat peu adhérant Dépose Substrat très adhérant S1S2 13/40

14 Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation Évaluation sur une dépose par adhésion Résultats Performances en temps et en précision Pas d'effet significatif des conditions expérimentales Effet d'apprentissage Diminution significative du temps d'exécution de 32% Impressions subjectives Meilleure rapidité avec le retour haptique Meilleure précision avec le retour haptique et l'assistance Bilan Effet dapprentissage Impressions subjectives positives 14/40

15 Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation Étude pilote sur une dépose par roulement Tâche Déplacer une bille prise par adhésion et la déposer par roulement Mesures Force appliquée maximale Cassure poutre Facilité et assurance durant la dépose Méthode 5 chercheurs connaissant l'AFM 3 conditions expérimentales (idem évaluation précédente) 4 billes x 3 conditions = 12 essais Dépose par roulement 15/40

16 Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation Étude pilote sur une dépose par roulement Résultats Force maximale appliquée sur la poutre Plus faible avec l'assistance haptique Pas de cassure avec le retour haptique Impressions subjectives Tâche facilitée avec l'assistance haptique, en particulier avec la position de repos virtuelle Bilan Assistance haptique jugée utile 16/40

17 Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation Bilan sur les assistances haptiques Création d'un simulateur RV Modèles physiques et expertise ISIR Fidélité des comportements Assistances haptiques Inversion du rendu de l'effort de retrait Validation de l'effort minimum pour les prises et déposes Deux évaluations pilotes Premiers résultats encourageants À confirmer avec plus de sujets ou en manipulation réelle 17/40

18 Plan de la présentation 1.Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation Assistances haptiques Simulateur interactif Évaluations pilotes 2.Retour haptique et analogie pour comprendre lAFM Méthode Résultats Discussion 3.Interface haptique pour toucher le nanomonde Problématique Principe de fonctionnement Résultats expérimentaux 4.Conclusions et perspectives 18/40

19 Retour haptique et analogie pour comprendre l'AFM Expérience pédagogique sur la compréhension Comportement dune poutre AFM Cycle approche-retrait Deux facteurs évalués Apport du retour haptique ? Apport de l'analogie aimant-ressort ? Représentations graphiques testées Analogie aimant-ressort et indices graphiques Poutre AFM 19/40

20 4 conditions, 45 étudiants Retour haptique et analogie pour comprendre l'AFM Expérience utilisateur sur la compréhension Méthode Explications Dessin Identification de courbe Questionnaire 20/40

21 Identification Analogie aide au début Haptique aide sur linfluence de la raideur Temps Plus rapide (30%) avec l'analogie, au début Plus lent (50%) avec l'haptique, au début Dessins Corrélation avec lidentification Pas d'influence significative Expérience utilisateur sur la compréhension Résultats – Identifications, temps, dessins Nombre didentifications pour la simu. 1 Retour haptique et analogie pour comprendre l'AFM Haptique + Poutre Haptique + Analogie Sans haptique + Poutre Sans haptique + Analogie 21/40

22 Identification Analogie aide au début Haptique aide sur linfluence de la raideur Temps Plus rapide (30%) avec l'analogie, au début Plus lent (50%) avec l'haptique, au début Dessins Corrélation avec lidentification Pas d'influence significative Expérience utilisateur sur la compréhension Résultats – Identifications, temps, dessins Nombre didentifications pour la simu. 2 Retour haptique et analogie pour comprendre l'AFM Haptique + Poutre Haptique + Analogie Sans haptique + Poutre Sans haptique + Analogie 22/40

23 Expérience utilisateur sur la compréhension Résultats – Identifications, temps, dessins Identification Analogie aide au début Haptique aide sur linfluence de la raideur Temps Plus rapide (30%) avec l'analogie, au début Plus lent (50%) avec l'haptique, au début Dessins Corrélation avec lidentification Pas d'influence significative Retour haptique et analogie pour comprendre l'AFM Haptique + Poutre Haptique + Analogie Sans haptique + Poutre Sans haptique + Analogie Nombre didentifications pour la simu. 4 23/40

24 Retour haptique et analogie pour comprendre l'AFM Expérience utilisateur sur la compréhension Résultats – Analyse de composantes principales Étude des corrélations entre les données Effets des conditions Haptique augmente le temps de traitement Haptique aide à comparer la raideur et le pull-off Stratégies complémentaires Raisonnement par analogie Notions délasticité linéaire et de dynamique rapide 24/40

25 Retour haptique et analogie pour comprendre l'AFM Expérience utilisateur sur la compréhension Résultats – Préférences Conditions Haptique et Analogie très appréciées Influence plus grande de lhaptique Compréhension Haptique + Poutre Haptique + Analogie Sans haptique + Poutre Sans haptique + Analogie 25/40

26 Retour haptique et analogie pour comprendre l'AFM Bilan et perspectives Retour haptique Attire lattention sur les forces impliquées Facilite la perception linfluence de la raideur Allonge le temps de traitement Analogie aimant-ressort Aide au début de la compréhension Adaptée à un cours dintroduction sur lAFM Perspectives Outil pédagogique Effet de lhaptique sur la mémorisation à long terme 26/40

27 Plan de la présentation 1.Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation Assistances haptiques Simulateur interactif Évaluations pilotes 2.Retour haptique et analogie pour comprendre lAFM Méthode Résultats Discussion 3.Interface haptique pour toucher le nanomonde Problématique Principe de fonctionnement Résultats expérimentaux 4.Conclusions et perspectives 27/40

28 Interface haptique pour toucher le nanomonde Interface haptique dédiée Dédiée au rendu de léchelle nano Grande plage dynamique (10 4 : 1 mN à 10 N) Grandes accélérations Problématique Actionneur électromagnétique : fort couple grande inertie Couplage de deux actionneurs 1 petit actionneur pour les composantes hautes-fréquences 1 gros actionneur pour leffort continu Couplage visqueux Peu dénergie emmagasinée Commande simple et réactive : commande en vitesse 28/40

29 Commande Couplage visqueux par courants de Foucault Aimants Fer doux Anneau B induit J V anneauaimants Interface haptique pour toucher le nanomonde Principe de fonctionnement Gros moteur Petit moteur Coupleur visqueux Impédance mécanique apparente Couple maximal Couple linéaire / vitesse C sortie = C coupleur + C petit 29/40

30 Interface haptique pour toucher le nanomonde Premier prototype Identification 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 lasservissement en effort 30/40

31 Interface haptique pour toucher le nanomonde Optimisation des performances Analyse théorique Deux critères doptimisation Minimiser la constante de temps J gros /b Minimiser linertie de la sortie J petit Analyse théorique Nombreuses variables Hypothèses simplificatrices Quelques indices Rapport /ρ al à maximiser anneau en aluminium non allié Maximiser le champ magnétique aimants NdFeB Analyse numérique multiphysique nécessaire 31/40

32 Interface haptique pour toucher le nanomonde Optimisation des performances Analyse numérique multiphysique Paramètres optimisés Nombre daimants optimal Largeur de lanneau > hauteur aimant Entrefer entre aimants et anneau à minimiser Simulation dune demi-boucle magnétique Densité des courants induits dans linduit 32/40

33 Interface haptique pour toucher le nanomonde Performances obtenues Identification 2 nd prototype Écorché du coupleur 1 er proto2 è proto J1/b6830ms Inertie J kg.m 2 Plage dyn.0,2 – 450,1 – 200mN.m 33/40

34 Interface haptique pour toucher le nanomonde Étude du cycle limite avec un ressort virtuel Analyse dun système haptique oscillant Viscosité b, frottement sec c, masse m Ressort virtuel de raideur k Retard pur T supposé << 1/ω Condition nécessaire et suffisante de stabilité Linéarisation autour de φ=π/2 34/40

35 Interface haptique pour toucher le nanomonde Étude du cycle limite avec un ressort virtuel Résultats expérimentaux Un seul moteur Fréquence limite bien estimée Vitesse maximale sous-estimée Prototype Influence du correcteur Asservissement limité par une résonance du gros moteur Inertie plus faible P=3 P=6 P=9 théorique mesure 35/40

36 Interface haptique pour toucher le nanomonde Comparaison avec les capacités humaines Spécifications pour une poignée de Ø70 mm Inertie apparente similaire, sous certaines conditions Asservissement suffisamment rapide Commande stable Frottements résiduels Utiliser des technologies sans contact Spécif.Prototype Inertie kg.m 2 Frottement0,040,2mN.m Couple maxi200 mN.m 36/40

37 Interface haptique pour toucher le nanomonde Bilan et perspectives Nouvel actionneur à 2 étages Large plage dynamique & faible inertie Prototype fonctionnel Analyse de la stabilité par létude du cycle limite Nouvelle condition de stabilité Mise en évidence de linfluence du correcteur Perspectives Commande plus avancée Expériences en télé-nanomanipulation Nombreuses applications potentielles 37/40

38 Conclusion Perception utilisateur de la télé-micromanipulation Assistances haptiques modifiant le rendu des forces Analogie pour les phénomènes nanophysiques Evaluations utilisateurs Interface haptique haute fidélité Couplage visqueux Analyse de la stabilité au cycle limite Prototype avec de grandes capacités de perception 38/40

39 Perspectives Manipulation réelle et évaluation in situ Assistances haptiques pour dautres stratégies Définition dun outil pédagogique Application du prototype pour la perception du nanomonde 39/40

40 Merci de votre attention 40/38


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