La micromanipulation a un grand potentiel pour révolutionner la recherche biologique et les soins médicaux. À petite échelle, microrobots peuvent effectuer des tâches médicales avec peu invasive, et d'explorer la vie à un niveau fondamental. Pinces optiques sont l'une des techniques les plus populaires pour la manipulation biologique. La production de petits lots qui exige une grande flexibilité repose principalement sur le processus de téléopération. Cependant, le niveau limité d'intuitivité rend de plus en plus difficile de conduire efficacement les tâches de manipulation et d'exploration dans le micromonde complexe. Dans de telles circonstances, des chercheurs pionniers ont proposé d'incorporer l'haptique dans la boucle de contrôle du système OTs, qui vise à gérer les tâches de micromanipulation de manière plus flexible et plus efficace. Cependant, la solution n'est pas encore complète, et il ya deux défis principaux à résoudre dans cette thèse: Détection de force 3D, qui doit être précis, rapide et robuste dans un espace de travail suffisamment grand; Haute vitesse jusqu'à 1 kHz force de rétroaction, ce qui est indispensable pour permettre une sensation tactile fidèle et d'assurer la stabilité du système. Dans la micromanipulation des pinceaux optiques, la vision est un bon candidat pour l'estimation de la force puisque le modèle force-position est bien établi. Cependant, le suivi de 1 kHz dépasse la vitesse des procédés de traitement classiques. La discipline émergente de l'ingénierie biomorphe visant à intégrer les comportements de vie dans le matériel informatique ou le logiciel à grande échelle rompt le goulot d'étranglement. Le capteur d'image asynchrone basé sur le temps (ATIS) est la dernière génération de prototype de rétine de silicium neuromorphique qui enregistre seulement les changements de contraste de scène sous la forme d'un flux d'événements. Cette propriété exclut le fond redondant et permet la détection et le traitement des mouvements à grande vitesse. La vision événementielle a donc été appliquée pour répondre à l'exigence de la rétroaction de force 3D à grande vitesse. Le résultat montre que les premières pinces optiques haptiques 3D à grande vitesse pour une application biologique ont été obtenues. La réalisation optique et les algorithmes de suivi événementiel pour la détection de force 3D à grande vitesse ont été développés et validés. L'exploration reproductible de la surface biologique 3D a été démontrée pour la première fois. En tant que puissant capteur de force 3D à grande vitesse, le système de pinces optiques développé présente un potentiel important pour diverses applications. / Micromanipulation has a great potential to revolutionize the biological research and medical care. At small scales, microrobots can perform medical tasks with minimally invasive, and explore life at a fundamental level. Optical Tweezers are one of the most popular techniques for biological manipulation. The small-batch production which demands high flexibilities mainly relies on teleoperation process. However, the limited level of intuitiveness makes it more and more difficult to effectively conduct the manipulation and exploration tasks in the complex microworld. Under such circumstances, pioneer researchers have proposed to incorporate haptics into the control loop of OTs system, which aims to handle the micromanipulation tasks in a more flexible and effective way. However, the solution is not yet complete, and there are two main challenges to resolve in this thesis: 3D force detection, which should be accurate, fast, and robust in large enough working space; High-speed up to 1 kHz force feedback, which is indispensable to allow a faithful tactile sensation and to ensure system stability. In optical tweezers micromanipulation, vision is a sound candidate for force estimation since the position-force model is well established. However, the 1 kHz tracking is beyond the speed of the conventional processing methods. The emerging discipline of biomorphic engineering aiming to integrate the behaviors of livings into large-scale computer hardware or software breaks the bottleneck. The Asynchronous Time-Based Image Sensor (ATIS) is the latest generation of neuromorphic silicon retina prototype which records only scene contrast changes in the form of a stream of events. This property excludes the redundant background and allows high-speed motion detection and processing. The event-based vision has thus been applied to address the requirement of 3D high-speed force feedback. The result shows that the first 3D high-speed haptic optical tweezers for biological application have been achieved. The optical realization and event-based tracking algorithms for 3D high-speed force detection have been developed and validated. Reproducible exploration of the 3D biological surface has been demonstrated for the first time. As a powerful 3D high-speed force sensor, the developed optical tweezers system poses significant potential for various applications.

Denna undersökning belyser varför beröring är ett viktigt sinne för att stärka VR-upplevelser. Genom att använda beröring som metod för att utforska fysiska egenskaper har vi skapat endigital gestaltning som demonstrerar hur denna unika förmåga kan användas. Denna undersökning har bidragit till skapandet av ett nytt verktyg för framtida utveckling av VR-upplevelser, vilket har öppnat upp möjligheter att använda beröring som huvudmekanik. Genom att kombinera haptisk feedback och visualisering av händer och omgivning kan vi utforska och interagera med VR-spel på ett nytt och spännande sätt. / This study highlights why the sense of touch is important for enhancing VR experiences. By using touch as a method to explore physical properties, we have created a digital representation that demonstrates how this unique ability can be utilized. This study has contributed to the development of a new developer tool for future VR experience design, which has opened up possibilities for incorporating the sense of touch as a main mechanic. By combining haptic feedback and visualization of hands and the environment, we can explore and interact with VR games in a new and exciting way.

The objective of this study was to assess the biomechanical and subjective measures of elementary school teachers while wearing active and/or passive wearable devices during the average workday. Five elementary school teachers wore a harness that held an Upright GO 2 posture tracking device and a Vicon Blue Trident sensor on the participant's upper back for two school days. Haptic feedback was on for one day and off for the other. Data from the Vicon wearable was analyzed to determine participants’ trunk flexion severity, frequency, and duration. Surveys were used to determine perceived exertion and perception of wearable technology. This study proved that teachers are undergoing severe trunk flexion throughout the day; however, there was not consistent improvement in trunk flexion when haptic feedback was applied. Results also indicated that perceived exertion levels of teachers did not always correlate to the frequency of trunk flexion measured through the wearable device.

<p>  </p> <p>In order to comprehend complex and abstract phenomena, students must partake in the process of learning by integrating complex and invisible components without ever physically encountering or manipulating such components. Prior knowledge and experiences will influence the way students assimilate and model new experiences and knowledge. If prior knowledge possesses a degree of non-normative conceptions, students' understanding of abstract phenomena may diverge dramatically from accepted scientific explanations. Embodied cognition proposes that learning about natural phenomena can develop from information gained via interactions between the body and the physical environment. Multimodal experiences can shape students' conceptual understanding of abstract phenomena.</p> <p>Incorporating technology tools to explore science concepts is a trend utilized to give high-quality education. The use of physical and virtual manipulation tools in science instruction has favored the improvement of modeling science phenomena in general. Visuohaptic simulations are also learning manipulatives that blend physical and virtual manipulation affordances as a unison experience. </p> <p>The current dissertation proposed the implementation of a learning experience where students engage in experimentation with a visuo-haptic simulation to explore and model reaction forces on truss structures. The study examined undergraduate students’ conceptual understanding, graphical representations, and the modeling refinement process of reaction forces on truss structures before, during, and after engaging with visuo-haptic simulation on truss structures using different modalities. A design-based research methodology was implemented to design, explore, and refine a learning experience with a visuo-haptic simulation of truss structures through two research phases. The learning experience occurred as a laboratory activity in a statics course at a Midwest university.</p> <p>The first phase of this dissertation investigated students' conceptual understanding and graphical representations of reactive forces on a complex truss structure by interacting with a visuo-haptic simulation of truss structures. Students participated in two treatment groups: visuo-haptic exposure and visual-only exposure. The results of the first phase suggested that students that engaged with the visuo-haptic simulation using different modalities improved their conceptual understanding of truss structures significantly. Moreover, students exposed to haptic feedback significantly improved their graphical representations on tasks where the haptic feedback was involved. </p> <p>The second phase of the current dissertation examined students’ developing models of reactive forces on a truss structure before, during, and after engaging with a visuo-haptic simulation of truss structures. Students participated in two sequential treatment groups: visual to visuo-haptic and haptic to visuo-haptic. The quantitative results suggest that both treatment groups performed significantly better in their model representations after being exposed to the learning experience but show no difference across treatment groups. The qualitative results suggest that the visual to visuo-haptic group interpreted their experiences much more coherently, leading to a more sophisticated version of their model of reaction forces on truss structures. </p>

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Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à l 'étude d'un micro-robot destiné à la mise en oeuvre d'une technique de chirurgie mini-invasive pour le traitement des anévrismes de l'artère aorte abdominale. Ce micro-robot placé à l'extrémité d'un cathéter, rendant ce dernier actif, permettra la navigation à l'intérieur de l'artère en évitant les contacts avec les parois de celle-ci. Le système sera destiné à l'apprentissage du geste chirurgical et à l'assistance du chirurgienpendant l'opération. De par sa structure et ses propriétés physiques, le micro-robot, pouvantêtre composé de plusieurs modules élémentaires, entre dans la catégorie des robots continuum. Dans notre étude, un module élémentaire est considéré comme étant un robot parallèle. Lesmodèles géométriques et cinématiques inverses ont alors été établis en utilisant les techniques dela robotique parallèle. L'approche de modélisation proposée permet de faire ressortir explicitement du modèle les paramètres géométriques du micro-robot. Une étude sur l'identificationde ces paramètres a été effectuée par le calibrage du modèle géométrique inverse. Des résultatsde simulation sont présentés validant d'une part les modèles développés et d'autre part la méthode de calibrage proposée. Afin de mettre nos modèles en situation, nous avons développé unsimulateur tridimensionnel intégrant le modèle d'un segment de l'artère, le modèle du micro-robotet un syntaxeur à retour de force. La mise en place d'une navigation active, planifiée etguidée dans ce simulateur permet de contraindre les gestes du chirurgien lors de la navigation du micro-robot à l'intérieur de l'artère / In this thesis, we are interested in a micro-robot study for the implementation of a mini-invasivesurgery technique. The medical application concerns the treatment of the artery abdominal aorta aneurysms. This micro-robot located at the extremity of the catheter permits thecatheter movements into the artery avoiding minimizing contacts with the artery walls. The system can be used for the surgical gesture learning and for the surgeon assistance during the medical operation. Because of its structure and its physical properties the micro-robot is considered as a continuum robot. It is composed of one or several elementary modules. In our study we consider each elementary module as a parallel robot. Then the inverse kinematics model has been established by using techniques of parallel robotics. The proposed modelling approach allows the expression of the model according to the micro-robot geometric parameters. A study on the identification of these parameters has been developed by an inverse geometric modelcalibration. The given simulation results validate the developed models on the one hand, the proposed calibration method on the other hand. We have developed a three-dimensional simulator integrating the model of an artery segment, the micro-robot model, and a joystick with force feedback. The implementation of active, planned and guided navigation on this simulator allows to constrain the surgeon gestures during the movements of the micro-robot inside the artery

The minimally invasive approach of arthroscopy means less pain and faster recovery time for patients compared to open surgery. However, it implies a high difficulty of performance. Therefore, surgeon should remain at a high level of technical and professional expertise to perform such operations. Surgeon’s skills are being developed over years of surgical training on animals, cadavers and patients. Nowadays, cadavers and animal specimens present an ethical problem also the practice on real humans is usually risky. For surgeons to reach a high level, new and alternative ways of performing surgical training are required. Virtual reality technology has opened new realms in the practice of medicine. Today, virtual reality simulators have become one of the most important training methods in the medical field. These simulators allow medical students to examine and study organs or any structure of the human body in ways that were not possible few years earlier. Similarly, the surgeon as well as the medical student can gain a valuable experience by performing a particular surgery with an anatomical accuracy and realism as it is actually performed in the real world. Thus, they can practice on virtual operation before they proceed and operate on real patients. In this thesis, a virtual reality training simulator for wrist arthroscopy is introduced. Two main issues are addressed: the 3-D reconstruction process and the 3-D interaction. Based on a sequence of CT images a realistic representation of the wrist joint is obtained suitable for the computer simulation. Two main components of the computer-based system interface are illustrated: the 3-D interaction to guide the surgical instruments and the user interface for haptic feedback. In this context, algorithms that model objects using the convex hull approaches and simulate real time exact collision detection between virtual objects are presented. A force feedback device, coupled with a haptic algorithm, is used as a haptic interface with the computer simulation system. This leads in the development of a low cost system with the same benefits as professional devices. In this regard, the wrist arthroscopy can be simulated and medical students can learn the basic skills required with safety, flexibility and less cost / La chirurgie arthroscopique présente actuellement un essor très important pour le bénéfice du plus grand nombre des patients. Cependant, cette technique possède un certain nombre d’inconvénients et il est donc nécessaire pour le médecin de s’entrainer et répéter ses gestes afin de pouvoir exécuter ce type d’opération d’une façon efficace et certaine. En effet, les méthodes traditionnelles d’enseignement de la chirurgie sont basées sur l’autopsie des cadavres et l’entrainement sur des animaux. Avec l’évolution de notre société, ces deux pratiques deviennent de plus en plus critiquées et font l’objet de réglementations très restrictives. Afin d’atteindre un niveau plus élevé, de nouveaux moyens d’apprentissage sont nécessaires pour les chirurgiens. Récemment, la réalité virtuelle commence d’être de plus en plus utilisée dans la médecine et surtout la chirurgie. Les simulateurs chirurgicaux sont devenus une des matières les plus récentes dans la recherche de la réalité virtuelle. Ils sont également devenus une méthode de formation et un outil d’entrainement valable pour les chirurgiens aussi bien que les étudiants en médecine. Dans ce travail, un simulateur de réalité virtuelle pour l’enseignement de la chirurgie arthroscopique, surtout la chirurgie du poignet, a été préesenté. Deux questions principales sont abordées : la reconstruction et l’interaction 3-D. Une séquence d’images CT a été traitée afin de générer un modèle 3-D du poignet. Les deux principales composantes de l’interface du système sont illustrées : l’interaction 3-D pour guider les instruments chirurgicaux et l’interface de l’utilisateur pour le retour d’effort. Dans ce contexte, les algorithmes qui modélisent les objets en utilisant les approches de “Convex Hull” et qui simulent la détection de collision entre les objets virtuels en temps réel, sont présentés. En outre, un dispositif de retour d’effort est utilisé comme une interface haptique avec le système. Cela conduit au développement d’un système à faible coût, avec les mêmes avantages que les appareils professionnels. A cet égard, l’arthroscopie du poignet peut être simulée et les étudiants en médecine peuvent facilement utiliser le système et peuvent apprendre les compétences de base requises en sécurité, flexibilité et moindre coût

Neben der äußeren Formgebung und den guten Fahreigenschaften eines Kraftfahrzeugs kommt dem Innenraum eine immer größer werdende Bedeutung für die Schaffung einer positiven Emotionalität zu. Der Innenraum ist der Bereich, in dem der Kunde den engsten Kontakt mit dem Auto hat. Hier bewältigt er seine Fahraufgabe, hier „lebt“ er während der Fahrzeugnutzung. Die unterschiedliche Gewichtung der Anforderungen für die Gestaltung des Fahrzeuginnenraums bei den verschiedenen Automobilherstellern führte zu Beginn der 1990er-Jahre dazu, dass die Stellteile trotz einer steigenden Anzahl von Funktionen tendenziell abnahmen. Dies wurde durch die Einführung von sogenannten multifunktionalen Stellteilen ermöglicht. Eine intern durchgeführte Analyse von Anordnungskonzepten für Bedienelemente im PKW-Innenraum [Anguelov, 2002] bestätigte die folgenden zwei Erkenntnisse: Erstens findet eine Funktionsgruppierung der Stellteile und damit auch eine räumliche Gruppierung im Innenraum statt, zweitens sind die am häufigsten betätigten Stellteile der Taster und der Drehschalter. Weiterhin zeigte diese Analyse, dass häufig und herstellerunabhängig für sicherheits- und fahrspezifische Funktionen Taster und/oder Drehschalter verwendet werden – Start-Stopp- Taster, Taster für die Warnblinkanlage, Notruftaster, Taster für das elektronische Stabilitätsprogramm (ESP), Lichtdrehschalter etc. Der Kunde interessiert sich nicht dafür, was sich hinter dem einzelnen Bedienelement verbirgt, solange es seine Funktion erfüllt. Außerdem erwartet der Kunde hinsichtlich des Interieurs, dass der erste optische Eindruck durch die bei der Betätigung der Bedienelemente wahrnehmbare Haptik und das dabei auftretende Geräusch bestätigt wird. Kann diese Erwartungshaltung aufgrund des Schaltergeräusches nicht bestätigt werden, so verliert selbst ein ergonomisch hervorragender und mit einer ansprechenden Optik versehener Schalter jedwede Kundenakzeptanz. Die Steigerung der haptischen und akustischen Wertigkeit im Innenraum erweist sich daher als ein wesentlicher Beitrag zur Wertanmutung des gesamten Fahrzeugs. Kundengruppen mit spezifischen Eigenschaften und Motiven zu identifizieren und zu beschreiben. Psychologen arbeiten stetig an der Verbesserung der existierenden Kundentypologien, wobei Merkmale wie z. B. der Fahrstil und die technische Affinität berücksichtigt werden. Ohne ein solides Wissen über die speziellen Wünsche und Erwartungen der Kunden bezüglich der haptischen und akustischen Gestaltung der Bedienelemente ist der Automobilhersteller oft zu weit vom Kunden entfernt und entwickelt Produkte, welche die erwartete und erhoffte Kundenakzeptanz verfehlen. Aber nicht nur die Automobilhersteller, sondern auch die entsprechenden Zulieferer entdecken zunehmend die Wichtigkeit der Wertanmutung, wie folgende Zitate belegen: „Die Wertanmutung wird zu einem der wichtigsten Kriterien beim Kauf“ [Pressemappe Fa. Faurecia, Oktober 2004]; „Wertigkeit und Emotion sind entscheidende Elemente im Fahrzeuginnenraum. Denn die empfundene Wertanmutung ist bedeutend für die Kaufentscheidung des Kunden“ [Internetpublikation, Fa. Bayern Innovativ GmbH, Innovationskongress November 2006]. Trotz der weitverbreiteten Verwendung des Kunstwortes „Wertanmutung“ liegen seine genaue Bedeutung und Herkunft noch immer im Dunkeln, da es eine klare und eindeutige Definition des Begriffes in der deutschen Sprache bis heute nicht gibt. Aus den im Duden beschriebenen Bedeutungen der Begriffe „anmuten“1 und „zumuten“2 ließe sich jedoch ableiten, dass dieses Begriffspaar für eine Subjekt-Objekt- Beziehung steht bzw. auf eine solche übertragen werden kann. Demzufolge fühlt sich ein Subjekt „angemutet“ als Reaktion auf die „Zumutung“ eines Gegenstandes. Darüber hinaus suggeriert der Begriff „Anmutung“ ein gefühlsmäßiges, meist unbewusstes Eindruckerlebnis.

The Compact Rescue Crawler is a pneumatic legged robot. Two legs of a hexapod were designed and built. The legs are controlled directly from operator inputs. The operator gives foot position inputs through two PHANToM haptic controllers. A PD controller with a supplementary force gain-scheduler control stroke lengths of each cylinder. The force-based position control technique allows the robot feet to track operator inputs to within 10% position error. A guided gait algorithm was developed to allow the operator to control all 6 legs simply by haptically guiding the front two. The operator records successful and collision-free trajectories and the gait coordinator plays the trajectories through the rear legs as they approach the detected obstacles. This hybrid gait algorithm allows the robot to proceed through a hazardous environment, guided by an operator, but without taxing the input capabilities of the human operator.