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Conception, fabrication et caractérisation d'une dalle haptique à base de micro-actionneurs piézoélectriques / Conception, fabrication and characterization of an haptic plate based on piezoelectric micro-actuators

Bernard, François 10 June 2016 (has links)
Les systèmes haptiques, ou systèmes de simulation de textures, sont aujourd'hui en plein essor et représentent le prochain challenge pour les appareils mobiles. L'une des solutions les plus prometteuses est celle à base de réduction de friction par vibrations ultrasoniques. L'objectif de cette thèse est de développer une solution haptique répondant au critère d’intégration de la téléphonie mobile en termes d’intégration et de consommation électrique. Plus précisément, il est de proposer une solution à base de couches minces piézoélectriques déposées sur une plaque transparente de la taille d’un écran de smartphone. Après avoir identifié les phénomènes de perception tactile, nous avons établi les spécifications du cahier des charges permettant obtenir un stimulateur haptique. Un modèle théorique de vibration, basé sur la réflexion des ondes de Lamb, nous a permis de déterminer les modes de vibration répondant à ce cahier des charges pour une plaque de la taille d’un smartphone d'écran 5 pouces libre de toutes contraintes. Des transducteurs piézoélectriques en nitrure d’aluminium sont utilisés pour la mise en vibration du système haptique. Déposés sur une face de la plaque, leur position et leur dimensionnement ont été optimisés grâce à des simulations par éléments finis. Le dispositif tactile final sera conçu de façon à laisser un espace central transparent de 4 pouces de diagonal permettant l’ajout d’un écran LCD. Le prototype ainsi déterminé, il est fabriqué grâce à des techniques de dépôt et de gravure en salle blanche. Le dispositif réalisé est caractérisé électriquement et mécaniquement. On détermine alors la puissance nécessaire pour la mise en vibration de la plaque avec des amplitudes correspondant au cahier des charges. Une optimisation de l’électronique de commande permet de réduire la puissance d’actionnement de ce système. Des transducteurs, utilisés en capteurs, sont caractérisés. Ces derniers seront utilisés pour asservir le système dans le cas d’un appui simulant le doigt sur la plaque. / Haptic rendering systems, or textural recreated systems, are nowaday in constant expension and represent the next challenge for the mobile devices. One of the promising solution is based on the friction reduction generated by ultrasonic waves. The aim of this PhD is to develop an haptic rendering solution taking into account the issues of integration into mobile devices in terms of power consumption. More precisely, a solution based on piezoelectric thin films deposited onto a smartphone-sized transparent plate is proposed. Understanding the tactile perception phenomenons, the physical specifications are established in order to obtain an haptic stimulator. A theoretical model based on the Lamb wave reflections determined the vibration modes corresponding to the specifications for a constrain-free 5-inch smartphone size plate.The plate is put into vibration by Aluminum Nitrite thin-film piezoelectric transducers. Processed on one side of the plate, their dimension and position have been optimized thanks to finite element simulations. The final tactile prototype is designed allowing a 4-inch clear centrale space for positioning a futur LCD screen. After this design, the prototype is fabricated with cleanroom processes. The device is then electrically and mechanically characterized. The minimum power necessary to put in vibration the plate is determined, with the minimum specified vibration amplitude. The electronic for the actuation is optimized in order to reduce the power consumption of the system. Transducers, used as sensors, are characterized in order to create a feedback loop. A user case is finally studied to compensate the influence of the finger.
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Dispositif tactile acoustique : Etude de la température et de l'intéraction doigt-coque / Acoustic tactile device : Temperature effects and touch interaction

Trannoy, Guillaume 03 April 2014 (has links)
Ce travail de thèse adresse les phénomènes en jeux dans les interfaces tactiles par ondes de Lamb avec, d’une part, l’influence des perturbations engendrées par les touchers d’utilisateurs et, d’autre part, l’influence des conditions environnementales sur les matériaux et l’algorithme de localisation.Dans une première partie, des mesures expérimentales du comportement viscoélastique de l’index ont été réalisées et relient l’effort et l’angle d’appui à la superficie de contact elliptique par une loi en puissance. Les impédances acoustiques caractéristiques du doigt et de divers matériaux ont été mesurées pour les ondes longitudinales et transversales. Ces paramètres sont représentatifs de la capacité à perturber la propagation d’ondes dans une cavité acoustique. En s’appuyant sur ces résultats, un doigt artificiel a été conçu, permettant des mesures automatisées ou des calibrations répétables de surfaces tactiles.Dans une seconde partie, l’influence des conditions de température et d’humidité relative sur les propriétés mécaniques a été étudiée par l’analyse des vitesses et des atténuations des ondes de volumes dans deux thermoplastiques différents. Alors que l’ABS injecté présente des vitesses de propagation linéairement dépendantes avec la température, elles ont une dépendance quadratique dans le cas d’un polyamide fritté. La sensibilité des ondes de Lamb aux conditions climatiques est estimée à partir des propriétés des matériaux et permet de déduire les modifications des spectres de réponse d’un toucher sur une coque, autorisant une compensation de l’algorithme de localisation. Enfin, différentes pistes d’amélioration du contrôle des ondes guidées et de l’algorithme sont proposées en s’appuyant sur l’utilisation de matériaux viscoélastiques et de représentations temps-fréquence. / This work addresses the phenomena taking place in Lamb wave tactile interfaces by studying the perturbation due to a user touch, and the influence of environmental conditions on materials and localization algorithm.In the first part, viscoelastic measurements of the index finger show a power law relation between force, angle and elliptic area of the contact. The acoustic impedances of index finger and different materials have been measured for longitudinal and transversal waves. These parameters are representatives of the ability to perturb the propagation of waves in the acoustic cavity. From these results, an artificial finger has been designed and allows automated measurements and repeatable calibration of tactile surfaces to be carried out.In the second part, the influence of temperature and humidity on mechanical properties is investigated by analyzing velocities and attenuations of bulk waves in two different thermoplastics. While velocities are linearly dependent on temperature for injected ABS, they are quadratically dependent for the sintered polyamide. Sensibility of Lamb waves to the environmental conditions is estimated with material properties and allows the modifications of the spectral response of a touch to be calculated. That enables compensations in the localization algorithm.Finally, various improvements in the control of guided waves and localization algorithm are proposed. They rely on viscoelastic materials and time-frequency representations.
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Analyse de signaux vibrotactiles et modèles flous de la perception : application aux interfaces tactiles pour l'automobile et l'aéronautique / Vibrotactile signals analysis and fuzzy models of perception : application to automotive and aeronautics tactile interfaces

Dutu, Liviu-Cristian 30 January 2015 (has links)
Dans les secteurs de l’automobile et l’aéronautique, l’interaction avec les écrans tactiles peut être rendue plus fiable par l’ajout d’un retour vibratoire (effet haptique) envoyé directement au doigt de l’utilisateur au moment du contact avec l’écran. Des patterns vibratoires complexes peuvent ainsi être créés afin d’améliorer la qualité de la sensation perçue et le plaisir de l’utilisation. Dans ce contexte, notre première contribution concerne l’analyse de patterns vibratoires à l’aide de la transformée en ondelettes continue du signal délivré par la dalle, afin d’extraire les caractéristiques les plus saillantes, choisies d’après une étude psychophysique du sens tactile, et qui sont en liaison avec la perception. A partir de ces caractéristiques, notre deuxième contribution s’articule autour d’un modèle psychophysique de la perception vibrotactile élaboré en utilisant des règles floues générées par une méthode originale étendant l’approche classique de Wang-Mendel. Le modèle prédit le niveau de confort induit par un pattern vibratoire en fonction de ses paramètres psychophysiques. Il présente de bonnes performances quantitatives. La connaissance ainsi obtenue a permis l’identification de plusieurs tendances comportementales importantes pour la perception vibrotactile comme l’effet de l’énergie et de la texture vibrotactile. La troisième contribution porte sur la conception d’un modèle ergonomique de la perception vibrotactile, en s’appuyant sur les évaluations d’un expert du domaine automobile. Suite aux bonnes performances obtenues, le modèle a été adapté avec succès pour le domaine aéronautique. Les résultats de cette thèse permettent ainsi d’aider les équipementiers en simplifiant la conception des effets haptiques adéquats, destinés à améliorer l’interaction avec les écrans tactiles / In the field of automotive and aeronautical industries, human interaction with touch interfaces can be improved by using vibratory feedback or haptic effects, directly delivered to the user finger upon screen interaction. This new approach, which pro-actively stimulates the tactile sense, provides a safer and reliable way to interact with touch interfaces. Moreover, complex vibrational patterns can be designed in order to offer unique tactile sensations and thus increase user’s quality of experience. In this context, our first contribution focuses on a time-frequency analysis of vibrational patterns using the continuous wavelet transform of the signal delivered by the interface, in order to extract its most salient features, chosen based on a psychophysical study of the tactile sense, and which account for human perception. Using these features, our second contribution is a psychophysical model of vibrotactile perception developed using fuzzy logic and an original rule-base extraction method extending the classical Wang-Mendel approach. This model predicts the perceived comfort induced by a vibratory pattern according to its psychophysical properties, and shows good performances. The knowledge retrieved allowed the detection of several behavioral paradigms of vibrotactile perception, such as the effect of energy and texture. Our third contribution is the development of an ergonomic model of vibrotactile perception based on the evaluations of an automobile expert. Thanks to its good performances, the model was successfully adapted to the aeronautics area.The results of this thesis provide assistance to equipment suppliers by simplifying the conception of haptic effects intended to improve human interaction with touch interfaces.
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Etude du rayonnement acoustique de structures solides: vers un système d'imagerie haute résolution.

Quieffin, Nicolas 06 December 2004 (has links) (PDF)
Le procédé de Retournement Temporel permet de focaliser les ondes acoustiques en n'importe quel point d'un domaine 3D, au moyen d'un unique transducteur collé sur la surface d'une cavité solide rayonnante. La résolution du système dépend alors de la dimension de la cavité. Une théorie basée sur l'analyse modale des signaux relie le contraste du système aux caractéristiques physiques de la cavité et du transducteur. Puis nous avons étudié l'amélioration de la focalisation que peuvent apporter l'utilisation du procédé de Filtre Inverse et l'ajout de transducteurs. La première application d'imagerie a été la localisation d'une source ultrasonore à l'aide d'un seul transducteur. Puis nous avons montré comment le crâne humain joue le rôle d'une cavité réverbérante et pourrait participer au processus de localisation de son par l'Homme. Enfin nous avons développé un système de localisation d'impacts, dans le but transformer tout objet de la vie quotidienne en interface tactile.

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