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Dans un contexte de conduite automobile, afin de compenser la perte d’informations haptiques causée par la substitution d’interfaces mécaniques classiques par des écrans tactiles, nous avons envisagé d’étudier l’ajout d’un retour vibrotactile. Ces derniers seraient utilisés comme le témoin d’une rétroaction entre le système et l’utilisateur. Le premier objectif de ce travail a été de fournir une meilleure compréhension des facteurs et des paramètres physiques influençant la perception et l’évaluation de ces courts signaux vibrotactiles, afin d’en optimiser la création. Les données recueillies ont été à la fois subjectives (échelles de Likert) et objectives (temps de réaction, pourcentage d’erreurs). Un lien étroit entre les préférences des utilisateurs et les boutons mécaniques existants a été envisagé. Le second objectif a été d’étudié les signaux multimodaux (audio-haptique ou visuo-haptique) pour modifier la perception haptique. Pour cela, nous avons utilisé des paradigmes d’amorçage à court terme décomposés en deux phases : une phase d’apprentissage et une phase d’amorçage. La phase d’apprentissage se caractérise par l’association non explicite d’une composante haptique (une vibration de courte durée) et d’un autre composant sensoriel (soit un son, soit une image en mouvement ou statique). La phase d’amorçage se caractérise par la présentation du composant haptique seule (l’amorce) suivie d'un composant cible (soit sonore, soit visuelle). Nous avons ainsi observé que des composants perceptivement absents, mais préalablement associés, pouvaient modifier le traitement perceptif de composants en cours. Ce type de résultats nous a permis d’apporter de nouveaux arguments en faveur de mécanismes communs sous-jacents à la perception et à la mémoire à travers une modalité peu utilisée dans la littérature. Une meilleure compréhension de ces liens, nous a aidé à modifier la perception des utilisateurs, à partir de composants perceptivement absents. Une illusion a ainsi été créée à partir de signaux visuo-haptiques, permettant de se rapprocher des boutons mécaniques. / In the context of driving, in order to compensate the loss of haptic information caused by the substitution of conventional mechanical interfaces of touch screens, we proposed to study the addition of vibrotactile feedback. This would be used as a feedback control between the system and the user. The first objective of this work was to provide a better understanding of the factors and physical parameters influencing the perception and evaluation of these short vibrotactile signals in order to optimize their creation. The data collected were both subjective (Likert scales) and objective (reaction time, error rate). A link between the user’s preferences and existing mechanical buttons was considered. The second objective was to study multimodal signals (audio-haptic or visuo-haptic) in order to change haptic perception. For this, we used a short term priming paradigm divised in two phases : a learning phase and a priming phase. The priming phase is characterized by non-explicit association between a haptic component (a vibration) simultaneously with another sensorial component (either a sound, or a moving or static image). The priming phase is characterized by the presentation of one haptic component (prime) followed a target component (sound or visual). We observed that components perceptually absent, but previously associated, could change perceptual processing of target components. These types of results have allowed us to provide new arguments for common mechanisms underlying perception and memory through a modality rarely studied in scientific literature. A better understanding of these links, helped us to change the user’s perception from perceptually absent components. An illusion had been created with the visual-haptic signals allowing a closer approach to the mechanical buttons.

Virtual surgery planning systems have demonstrated great potential to help surgeons achieve a better functional and aesthetic outcome for the patient, and at the same time reduce time in the operating room resulting in considerable cost savings. However, the two-dimensional tools employed in these systems today, such as a mouse and a conventional graphical display, are difficult to use for interaction with three-dimensional anatomical images. Therefore surgeons often outsource virtual planning which increases cost and lead time to surgery. Haptics relates to the sense of touch and haptic technology encompasses algorithms, software, and hardware designed to engage the sense of touch. To demonstrate how haptic technology in combination with stereo visualization can make cranio-maxillofacial surgery planning more efficient and easier to use, we describe our haptics-assisted surgery planning (HASP) system. HASP supports in-house virtual planning of reconstructions in complex trauma cases, and reconstructions with a fibula osteocutaneous free flap including bone, vessels, and soft-tissue in oncology cases. An integrated stable six degrees-of-freedom haptic attraction force model, snap-to-fit, supports semi-automatic alignment of virtual bone fragments in trauma cases. HASP has potential beyond this thesis as a teaching tool and also as a development platform for future research. In addition to HASP, we describe a surgical bone saw simulator with a novel hybrid haptic interface that combines kinesthetic and vibrotactile feedback to display both low frequency contact forces and realistic high frequency vibrations when a virtual saw blade comes in contact with a virtual bone model.  We also show that visuo-haptic co-location shortens the completion time, but does not improve the accuracy, in interaction tasks performed on two different visuo-haptic displays: one based on a holographic optical element and one based on a half-transparent mirror.  Finally, we describe two prototype hand-worn haptic interfaces that potentially may expand the interaction capabilities of the HASP system. In particular we evaluate two different types of piezo-electric motors, one walking quasi-static motor and one traveling-wave ultrasonic motor for actuating the interfaces.

Le retour haptique disponible aujourd'hui dans les produits grand public est d'un intérêt limité pour les interactions tactiles et moins efficace que l'utilisation d'un clavier physique pour la saisie de texte. Relativement simple, celui-ci ne peut communiquer que peu d'informations : signaler silencieusement un appel, notification de messages ou confirmation de frappe de touches sur clavier virtuel. Bien que des améliorations aient été apportées aux technologies haptiques existantes, comme des actionneurs plus performants et des gammes de vibrations plus larges afin de simuler des boutons ou des textures, elles restent limitées à un retour tactile unique. Ceci empêche tout usage multi-doigts ou multi-utilisateurs en simultané.Ce travail vise à développer un retour tactile statique et dynamique sur grande surface (format A4). Les interactions avec les écrans tactiles nécessitant un retour tactile plus riche et plus performant, deux types de retour complémentaires ont été identifiés afin de les enrichir. Le retournement temporel des ondes de flexions dans les plaques est étudié afin de simuler l'appui sur un bouton (retour statique). La 2ème approche se base sur la stimulation par électrovibration, qui permet de simuler des textures ou de différencier des zones d'interactions (retour dynamique). Afin d’estimer de manière précise la résolution spatiale du procédé tactile par retournement temporel, un modèle analytique basé sur l'équation de Kirchhoff est proposé. Des mesures expérimentales confrontées au modèle ont permis de le valider. Par ailleurs, des règles de conception sont élaborées et appliquées pour le développement d'un nouveau prototype avec une électronique dédiée sur une plaque en verre de faible épaisseur (1.1 mm). Différents types de signaux de commande sont étudiés. La quantification sur un bit (i.e. signaux de forme carré) avec filtrage des fréquences audibles s’avère être l'alternative la plus efficiente en terme d'amplitude de déplacement générée et de réduction des émissions sonores. Des problématiques de dimensionnement, comme le placement des actionneurs, l'homogénéité de la résolution spatiale et l'amplitude de déplacement sont analysées. L'effet de la force d'appui du doigt sur l'amplitude de déplacement est quantifié (6 % de perte d'amplitude dû à une force d'appui de 2 N sur une localisation autre que le point de focalisation, et jusqu'à 37 % pour la même force d'appui sur le point de focalisation).Le seuil de détection d'une focalisation par retournement temporel mesuré sur 10 utilisateurs se situe à environ 10 µm et est peu influencé par la force d'appui de l'utilisateur sur l'écran. En répétant la focalisation des ondes de manière à former un signal modulé en amplitude, il devient possible de générer des retours tactiles enrichis, notamment de simuler le comportement du clic d’un bouton poussoir. Des motifs avec des fréquences de répétition et des enveloppes différentes sont comparés. Il apparaît qu'une fréquence de 200 Hz et une enveloppe en sinus cardinal sont les plus plaisants pour l’utilisateur.Par ailleurs, l'électrovibration produit des stimuli capables de reproduire une sensation de texture, en modifiant le coefficient de friction entre le doigt et la surface à explorer. L’intensité de ces stimuli dépend de l'épaisseur de peau du bout du doigt. Les seuils de détection des mécanorécepteurs sont dépendants de la fréquence du signal appliqué. Une étude utilisateur ayant pour but de déterminer l'influence de la force d'appui sur le seuil de détection d’une stimulation par électrovibration a été conduite. Les seuils minimaux ont été observés pour une fréquence de 240 Hz. La force d'appui a une influence limitée sur les seuils de détection.La combinaison des deux approches de stimulations (retournement temporel et électrovibration) sur une même surface offre un retour tactile riche et multi-point pour une interaction statique (simulation de clics) et dynamique (simulations de textures). / The current haptic feedback in end user products provides limited tactile interactions and is less efficient than physical keyboards for typing. Most people are used to the simple tactile feedback available in smartphones. However, it is very limited, and can only convey little information: silently signaling a phone call, notifying an incoming message or acknowledging touch inputs when typing on a virtual keyboard. Although advances are made to enrich existing technologies in hand-held devices, such as more efficient actuators with broader ranges of vibrations to emulate buttons or textures, they remain limited to a single point feedback. This prevents any simultaneous multi-user scenario.This work aims to develop static and dynamic haptic feedback on large surfaces (A4 format). Interaction with screen based devices is in need of better and richer haptic feedback. Two types of feedback with complimentary performance are identified as necessary to enrich tactile interactions. Time reversal, as a static feedback technology, is studied to simulate a button press. Electrovibration, as a dynamic feedback, is investigated to simulate tactile textures or to differentiate specific areas of interaction.An analytical model based on Kirchhoff's equation for wave propagation to compute the spatial resolution of time reversal of flexural waves applied to plates is presented. Measurements on a physical system are confronted to the model's prediction. Design guidelines are elaborated and used to develop a new time reversal enabled screen with adapted drive electronics, on a 1.1 mm thick glass plate. Driving signal alternatives are investigated. Signals quantified on one bit (i.e. square type signals) with audible frequencies filtered out are found to be the most efficient in terms of amplitude generation and audible noise emission. Integration issues, such as the actuators’ distribution on the plate and their impact on focalisation point's amplitude and spatial resolution homogeneity are investigated. The effect of the fingertip pressure on the amplitude vibration is studied (6% loss of amplitude due to a 2N force applied by a fingertip on a position other than the focalisation location, and up to 37% for the same force at the focus point's location).The detection threshold measured on ten users is found to be about 10 µm and is not influenced by the force applied on the screen. While a single impact (one impulse) demonstrates the feasibility of time reversal for tactile feedback, a repetition of impacts varying in amplitude offers the possibility to generate richer haptic feedback (such as a button click). Patterns with different repetition frequencies and envelopes are compared in a user study. It appears that frequencies of 200 Hz and the smoothness of the cardinal sine envelope are found to be the best in terms of pleasantness.On the other hand, electrovibration stimulations are able to create a texture feedback by modifying the apparent friction coefficient between the fingertip and the surface. The electrostatic force generation depends on the fingertip skin's thickness. The mechanoreceptors detection threshholds are frequency dependent. A user study on the influence of the applied force on the perception threshold of tactile feedback is presented. The minimum perception thresholds are observed for 240 Hz stimulus. The effect of the applied force appears to have limited effect on the perception threshold.The combination of both stimulation approaches (time reversal and electrovibration) on a single surface will offer a rich multi-point tactile feedback, both for static buttons and dynamic textures.

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Smarta kläder är en kroppsnära teknik som består av kläder som har i sig integrerade/invävda sensorer vilka mäter kroppssignaler, arbetsställningar och rörelser och visar information om eventuella överbelastningar. Syftet i denna studie var att utvärdera prototyp 1 av ett smart arbetsklädersystem genom att utreda användarnas upplevelse (user experience) och användbarhet av prototypen samt prototypens påverkan på testpersonernas arbetsbeteende. En kombinerad studiedesign valdes. Den experimentella studien kompletterades med enkät och intervju. Tolv testpersoner deltog i undersökningen, fördelade lika på tre grupper: en kontrollgrupp och två experimentgrupper. Via tekniska mätningar samlades kinematisk data gällande: handledens vinkelhastighet och tummens tryckkraft; överarmens vinkel för höger- och vänster arm; överarmens vinkelhastighet för höger och vänster arm samt bålens vinkel vid fram- och bakåtböjningar. Signifikanta arbetsbeteendeförändringar kunde ej konstateras, men det förekom stora skillnader i de individuella resultaten i varje grupp. Dock kunde inte något specifikt mönster i arbetsbeteendeförändringar från de olika grupperna urskiljas. Hypotesen att arbetsbeteendeförändringar kan tillskrivas påverkan från prototypen stöddes inte av data. Resultatet från intervju- och enkätundersökning kring användarnas upplevelse och användbarhet visade att prototypen skattades som användarvänlig och användbar i sin helhet. Testpersonerna önskade förändringar i prototypens konstruktion gällande prototypens material och storlek, typ av feedback samt placering av sensorer. Vissa brister i design och utförandet av användartesterna och experimentmätningen konstateras och deras inverkan på studiens validitet och reliabilitet diskuteras. Rekommendationer ges gällande framtida testning av nästa prototyp utifrån de upptäckta bristerna. / Smart clothes are a group of technical aids that consist of clothing that has integrated/built-in sensors that measure body postures and movements and display information about possible physical overload. The purpose of this study was to evaluate prototype 1 of a smart workwear system by investigating its user experience and usability, as well as the impact of the prototype on the test subjects' work behavior. A combined study design was chosen. The experimental study was supplemented with questionnaire and interview. Twelve test subjects split in three equal groups participated in the study: one control group and two experimental groups. Through technical measurements, kinematic data was collected: angular velocity of the wrist and thumb pressure; right and left arm's angle; angular velocity for the right and left arm as well as the torso angle during forward and backward bending. Changes in work behavior were found. However, large differences in the individual results within each group were observed, with no obvious pattern of changes in work behavior between groups. The collected data did not support the hypothesis that work behavior changes can be associated with the impact of the prototype.  The result of analysis of the interviews and questionnaires about user experience and usability showed that the prototype was considered user-friendly and useful in general. Test subjects requested changes in the prototype’s construction regarding the prototype’s material and size, type of feedback and location of sensors.  Some shortcomings are observed in the test design, data collection and also in how the tests were conducted. Their impact on the validity and reliability of the study is discussed; accordingly, recommendations addressing the detected shortcomings are given regarding the future testing of the next prototype.