Le toucher est considéré comme l’un des sens primordiaux à modéliser chez un robot afin de lui permettre de générer des comportements plus souples et plus agiles comme attraper un objet, toucher (ou être touché par) une personne. Même si les capteurs tactiles actuels sont encore très limités en comparaison à la peau humaine, combinés à la vision et à la proprioception, le développement de nouveaux capteurs proches de la peau humaine pourrait démultiplier les capacités d’interactions d’un robot afin d’interagir directement avec une personne en toute sécurité et de partager avec lui son environnement physique et social. A la différence de la peau humaine, les principaux capteurs tactiles utilisés en robotique actuellement ne sont capables de détecter des variations de pression et de poids que sur de petites surfaces uniquement. De plus, ceux-ci sont souvent très rigides et n’ont pas les propriétés élastiques de déformation de la peau humaine. Les travaux de cette thèse se basent sur le développement d’une interface tactile proche d’une "peau artificielle" en terme de surface de recouvrement (qui peuvent atteindre plusieurs dizaines de centimètres carrés) et de localisation des points de contact de quelques dizaines de millinewtons. Deux aspects principaux sont développés : (i) aspect d’ingénierie comprenant le développement d’un prototype de peau artificielle conçue pour un robot humanoïde afin de lui conférer une perception tactile, et (ii) aspect cognitifs qui s’appuient sur l’intégration de multiples rétroactions sensorielles (tactile, visuelle, proprioceptive) dans le but d’avoir un robot qui puisse interagir physiquement avec des personnes.Le prototype tactile développé est basé sur la reconstruction du champ électrique à la surface d’un matériau conducteur, suivant le principe de la Tomographie par Impédance Électrique (TIE). Notre innovation principale a été d’implémenter des techniques d’apprentissage par réseau de neurones artificiels afin de reconstruire l’information sans utiliser les techniques analytiques d’inversion de matrice coûteuse en temps de calcul. De plus, nous montrons que l’utilisation de réseaux de neurones artificiels permet d’avoir un système beaucoup plus biomimétique, indispensable pour comprendre la perception du toucher chez l’être humain.Nous avons ensuite abordé le problème de l’intégration des informations tactiles et motrices. Après avoir recouvert un bras manipulateur avec la peau artificielle, nous avons fait apprendre un réseau de neurones son schéma corporel et adapter sa compliance par retour tactile. Le fonctionnement du moteur est basé sur le contrôle par admittance du bras robotique. Des expériences montrent que les réseaux de neurones peuvent contrôler l’interaction adaptative entre le bras du robot avec une personne grâce à l’estimation du couple appris selon la position où la force tactile avait été appliquée lors de la phase d’apprentissage.Enfin, nous nous sommes intéressées à la problématique de la représentation du corps au niveau neuronal, comment les êtres humains perçoivent leur propre corps à travers tous les sens (visuel, tactile et proprioceptif). Nous avons proposé un modèle biologique au niveau du cortex pariétal qui s’appuie sur l’intégration de multiples rétroactions sensorielles du corps du robot (son bras) et sur la synchronisation des rétroactions visuelles et proprioceptives. Nos résultats montrent l’apprentissage d’une image corporelle et l’espace péri-personnel avec l’émergence de neurones qui codent une information spatiale visuo-tactile relative au déplacement du bras et centrée soit sur le bras robotique soit centrée sur l’objet. / The touch perception is considered as one of the crucial senses to be recreated in a robot so that it could generate a more flexible and agile behavior. For instance, grasping an object, as well as touch or be touched by a person. Although modern touch sensors are still very limited compared to the human skin, combined with vision and proprioception, the development of new sensors similar to human skin could multiply the robot’s capacity to interact directly and safely with a person, as well as to share his or her physical and social environment.Unlike human skin, the main touch sensors used in modern robotics are only capable of detecting the pressure and weight variations on small batches of surface. Moreover, they are often quite stiff and do not have the elastic deformation capacity intrinsic to the human skin. The purpose of this thesis is to develop a touch interface close to "artificial skin" in terms of the covered area (which can reach several square decimeters) and localization of the contact points (several dozen millinewtons). Two main aspects have been developed: (i) the engineering aspect including the development of an artificial skin prototype for a humanoid robot designed to impart a tactile perception, and (ii) the cognitive aspect that is based on the integration of multiple sensory feedbacks (tactile, visual, proprioceptive) in order to conceive a robot that can physically interact with people.The developed tactile prototype is based on the reconstruction of the electric field on the surface of a conductive material, following the principle of Electrical Impedance Tomography (EIT). Our main innovation was to implement the neural network learning techniques to reconstruct the information without using the inverse matrix analytical techniques which imply time consuming computation. Moreover, we show that the application of artificial neural networks allows to obtain a much more biomimetic system, essential to understand the perception of the human touch.Then, we addressed the issue of integrating tactile and motor information. After having covered a manipulator arm with artificial skin, we have learn a neural network its body schema and enables it to adjust its compliance with tactile feedback. The functioning of the motor is based on the admittance control of the robot arm. Experiments show that neural networks can control the adaptive interaction between the robot arm and a human being by estimating the torque perceived according to the position where the touch force had been applied during the learning phase.Finally, we turned our attention to the issue of the body representation at the neuronal level, namely, how human beings perceive their own body through all their senses (visual, tactile, and proprioceptive). We have proposed a biological model in the parietal cortex, which is based on the integration of multiple sensory feedbacks from the robot’s body (its arm) and on the synchronization of visual and proprioceptive feedback. Our results show the capacity to perceive the body image with the emergence of neurons that encode a spatial visual-tactile information of the arm movement and is centered on either the robotic arm or on the object.

Ce travail de recherche vise à étudier la transmission d’informations vibrotactiles pour l’aide à la navigation et plus particulièrement pour améliorer la régulation des phases d’approche et la gestion des contacts avec l’environnement. L’un des défis majeurs de ce domaine de recherche est de comprendre comment rendre compte d’informations, parfois complexes, avec une modalité sensorielle n’étant pas naturellement utilisée pour les traiter. Ainsi, ce travail doctoral avait pour but de montrer la possibilité de suppléer la vision et à spécifier les caractéristiques de la stimulation vibrotactile qui influencent l’accès aux informations d’approche. Les différentes études qui étayent cette thèse ont été réalisées à partir d’un dispositif expérimental couplant un environnement virtuel et un dispositif tactile comprenant différents vibrateurs placés à la surface de la peau. Les deux premiers chapitres expérimentaux se sont appuyés sur des tâches d’estimation de temps de pré-contact (time-to-contact, TTC) classiquement utilisées pour étudier les processus visuels mis en jeu dans la régulation des situations d’approche. Le premier chapitre expérimental (expériences 1, 2 et 3) constituait une étude préliminaire qui a notamment montré que le jugement était plus précis lorsque le dispositif tactile renvoyait des informations concernant la distance d’approche (par rapport à des informations sur la taille angulaire). Les résultats du second chapitre expérimental (expériences 4 et 5) ont montré que la modalité tactile permettait d’estimer le TTC mais de manière moins précise que la modalité visuelle. Toutefois, lorsque la modalité visuelle est occultée, transmettre des informations tactiles durant la période d’occultation permet d’améliorer la précision du jugement. Le dernier chapitre expérimental (expériences 6 et 7) s’est intéressé plus précisément à l’influence des informations vibrotactiles sur la régulation d’une approche au sol dans une situation simulée d’atterrissage en hélicoptère. Les deux expérimentations ont montré que l’utilisation d’informations tactiles permettait une diminution significative de la vitesse de contact au sol lorsque l’environnement visuel était dégradé et que cette diminution dépendait de la variable informationnelle transmise par le dispositif. Au final, les résultats de ce travail de recherche sont discutés au regard des théories fondamentales sur la perception et l’action. Ils permettent de montrer comment des informations d’approche peuvent être perçues à travers la modalité tactile et ainsi suppléer la vision lorsqu’elle est dégradée. / The purpose of this doctoral research was to study vibrotactile information in navigation tasks, especially for approach regulation. One of the main issues in this research area is to find out how to specify complex information though a sensory modality that is usually unused. Thus, this work aimed at demonstrating the possibility to supply vision with tactile information and at specifying the characteristics of the vibrotactile stimulation that allow access to the information. The different studies have been carried out with an experimental display coupling a virtual environment and a tactile display consisting of several actuators placed on the skin. The first two empirical chapters were based on time-to-contact (TTC) judgment tasks, a paradigm generally used to study visual processes involved in approach situations. The first experimental chapter (experiments 1, 2 and 3) was a preliminary study, which showed that TTC estimation were more precise when the tactile display conveyed information about the distance to the target (compared to information about its angular size). The results of the second chapter (experiments 4 and 5) showed that TTC estimation was less accurate with tactile information compared to vision. Nevertheless, conveying tactile information when visual information was occluded significantly improved time-to-contact estimation. In the last chapter of this thesis, we focused on the influence of vibrotactile information on the regulation of a ground approach with a virtual situation of landing with a helicopter. We showed that tactile information reduced significantly the impact velocity when the visual environment was degraded (experiment 6 and 7). Moreover, the results showed that this decrease of velocity depended on the variable conveyed by the tactile display. Finally, the results of this work are discussed regarding fundamental theories about perception and action. Overall, it shows that approach information can be perceive through the tactile modality and thus supply vision in degraded environment.

Un nombre croissant de paradigmes d'interaction et de dispositifs ont été développés et étudiés pour les manipulations 3D.Ce développement bénéficie, en particulier, aux domaines scientifiques tels que la visualisation qui s'appuie sur la manipulation de données 3D.De nombreuses études ont démontré les avantages de chacun d'entre eux pour des tâches spécifiques liées à la visualisation. Pourtant, les interfaces utilisateur graphiques classiques ainsi que la souris et les claviers prédominent toujours dans la plupart des environnements interactifs: de tels environnements sont toujours utiles pour des tâches spécifiques et parce qu'ils sont facilement disponibles et accessibles par rapport aux nouveaux paradigmes d'interaction et aux dispositifs innovants. Contrairement à l'approche habituelle qui consiste à créer ou étudier un nouveau paradigme, une nouvelle technique ou un nouveau dispositif d'interaction, les travaux présentés dans cette thèse ouvrent la voie à un continuum d'interaction: la possibilité de passer d'un paradigme d'interaction à l'autre et de combiner deux ou plusieurs paradigmes d'interaction pour en tirer profit. Pour atteindre cet objectif, nous prenons plusieurs mesures. Tout d'abord, en se basant sur l'observation que la souris et le clavier, l'interaction tactile et l'interaction tangible sont maintenant des normes ou se rapprochent d'être des paradigmes d'interaction standard pour les cas d'utilisation occasionnelle ou spécifique, cette thèse étudie et compare leurs avantages et limites inhérents aux manipulations 3D.Sur la base de ce travail, nous créons ensuite un paradigme d'interaction hybride tactile et tangible. Basé sur les besoins de la visualisation scientifique pour la mécanique des fluides, nous mettons en œuvre des techniques spécifiques d'interaction exploratrice 3D avec le paradigme hybride et les évaluons avec des experts du domaine. La mise en œuvre prototypique de ce paradigme hybride est une tablette tactile capable de quantifier ses propres mouvements (rotations et translations). Sur la base des retours d'expérience des experts du domaine, une telle combinaison est plus flexible que l'état de l'art et permet des manipulations 3D précises. Avec le potentiel de ce paradigme hybride, nous abordons ensuite la tâche complexe de la sélection des sous-ensembles 3D ---une étape initiale majeure pour la compréhension des données. Alors que la sélection de sous-ensembles 3D est généralement effectuée avec une entrée 2D initiale étendue ultérieurement par la machine, notre combinaison d'interactions tactiles et tangibles permet aux utilisateurs d'avoir une technique de sélection entièrement manuelle avec la même tablette: un lasso 2D peut être dessiné avec une entrée tactile qui peut ensuite être étendue en 3D lors du déplacement de la tablette. Non seulement cette combinaison comble-t-elle un vide dans la taxonomie des techniques de sélection de sous-ensembles 3D, mais est, qui plus est, plus précise que les solutions partiellement automatisées, quoique plus lentes. Enfin, en nous appuyant sur l'observation selon laquelle une interaction tangible avec un dispositif localement couplé pourrait nécessiter des ajustements de facteur de gain, nous proposons d'utiliser un aspect spécifique de l'interaction tactile, la détection de pression, pour contrôler les facteurs de gain des manipulations tangibles. Les travaux présentés dans cette thèse démontrent donc le potentiel d'un continuum d'interaction pour la visualisation en proposant des paradigmes d'interaction hybrides dans une configuration facile à maintenir, facile à intégrer et abordable. Il fournit les premières étapes nécessaires pour un continuum d'interaction qui, espérons-le, inspirera la création de plus de techniques d'interaction hybrides pour l'interaction de données 3D. / An increasing number of interaction paradigms and devices are being developed and studied for 3D manipulations. This development benefits, in particular, scientific domains such as visualization which rely on manipulation of 3D data. Numerous studies have proven the benefits of each one of them for specific tasks involved in visualization. Yet, classical graphical user interfaces as well as mouse and keyboards still prevail in most interactive settings: such environments are still useful for specific tasks and because they are readily available and accessible when compared to innovative interaction paradigms and devices. In contrast to the usual approach to create or study a new interaction paradigm, technique, or device, the work presented in this thesis paves the way towards an interaction continuum: the possibility to transition between and combine two or more interaction paradigms to benefit from their inherent advantages. To achieve this goal we take several steps. First, building on the observation that mouse and keyboard, tactile interaction and tangible interaction are now standards or are getting close to being standard interaction paradigms for casual or specific use cases, this thesis studies and compares their inherent advantages and limitations for 3D manipulations. Based on this work, we then create a hybrid tactile/tangible interaction paradigm. Based on the needs of scientific visualization for fluid dynamics, we implement specific 3D explorative interaction techniques with the hybrid paradigm and evaluate them with domain experts. The prototypical implementation of this hybrid paradigm is a tactile-enabled and spatially-aware tablet. Based on the feedback from domain experts, such a combination is more flexible than the state of the art and still facilitates precise 3D manipulations. With the potential of this hybrid paradigm, we then tackle the complex task of 3D subsets selection---a major initial step for data understanding. While 3D subset selection is usually conducted with an initial 2D input later extended by the machine, our combination of tactile and tangible interaction allows users to have a fully manual selection technique with the same spatially-aware tablet: a 2D lasso can be drawn with tactile input which can then be extended into 3D when moving the tablet. Not only does this combination fill in an empty space in the taxonomy of 3D subset selection techniques, but we also found it to be more precise than partially-automated solutions---albeit being slower. Finally, building on the observation that tangible interaction with a locally-coupled device might need gain factor adjustments, we propose to use a specific aspect of tactile interaction, pressure-sensing, to control the gain factors of tangible manipulations. The work presented in this thesis thus demonstrates the potential of an interaction continuum for visualization by proposing hybrid interaction paradigms in an easy-to-maintain, easy-to-integrate, and affordable setup. It provides the necessary initial steps for an interaction continuum that will hopefully inspire the creation of more hybrid interaction techniques for 3D data interaction.

During a clinical breast exam, a doctor palpates the breast and uses factors such as estimated size and stiffness of subcutaneous inclusions to determine whether they may be malignant tumors. The Tactile Imaging System (TIS) under development at the Control, Sensing, Networking and Perception Laboratory (CSNAP) is an effort to provide accurate and consistent characterization of inclusions. The sensing principle of the TIS is based on Total Internal Reflection (TIR) of light in a Polydimethylsiloxane (PDMS) optical waveguide positioned in front of a digital camera. When the PDMS is pressed against an object of greater stiffness it deforms, causing some light to escape the waveguide and be sensed by the camera. An algorithm maps the light pattern caused by the deformation and the force applied during the image acquisition to estimate the size, depth and stiffness of the inclusion based on a kernel model. The Third Generation Experimental TIS (TIS 3E) is an effort to improve the performance, repeatability, and usability of the system. Performance is increased through a new graphical user interface (GUI) allowing fine tuning of camera parameters, and interchangeable sensing probes for varying PDMS waveguides. Repeatability is improved with a digitally controlled lighting system, hardware triggered force sensing, and an online PDMS lighting and condition monitoring system, lowering the overall measurement error of the system. Usability is improved by a new chassis, reducing the device size and weight by 50 percent. Accuracy of the TIS 3E is comparable to the maximum accuracy TIS 1E, and exceeded the minimum accuracy of the TIS 1E. The measurement frequency was also increased from 10Hz to 50Hz. The TIS 3E will provide an accurate, consistent data acquisition platform for future Tactile Imaging Research efforts. / Electrical and Computer Engineering

Les robots ont amélioré les industries, en particulier les systèmes d'assemblage basé sur des conveyors et ils ont le potentiel pour apporter plus de bénéfices: transports; exploration de zones dangereuses, mer profonde et même d'autres planètes; santé et dans la vie courante.Une barrière majeure pour leur évasion des environnements industriels avec des enceintes vers des environnements partagés avec les humains, c'est leur capacité réduite dans les tâches d’interaction physique, inclue la manipulation d'objets.Tandis que la dextérité de la manipulation n'est pas affectée par la cécité dans les humains, elle décroit énormément pour les robots: ils sont limités à des environnements statiques, mais le monde réel est très changeant. Dans cette thèse, nous proposons une approche différente qui considère le contrôle du contact pendant les interaction physiques entre un robot et l'environnement.Néanmoins, les approches actuelles pour l'interaction physique sont pauvres par rapport au numéro de tâches qu'elles peuvent exécuter. Pour permettre aux robots d'exécuter plus de tâches, nous dérivons des caractéristiques tactiles représentant les déformations de la surface molle d'un capteur tactile et nous incorporons ces caractéristiques dans le contrôleur d'un robot à travers des matrices de mapping tactile basées sur les informations tactiles et sur les tâches à développer.Dans notre première contribution, nous montrons comment les algorithmes de traitement d'images peuvent être utilisés pour découvrir la structure tridimensionnelle subjacente du repère de contact entre un objet et une matrice de capteurs de pression avec une surface molle attachée à l’effecteur d'un bras robotique qui interagit avec cet objet. Ces algorithmes obtiennent comme sorties les soi-disant caractéristiques tactiles. Dans notre deuxième contribution, nous avons conçu un contrôleur qui combine ces caractéristiques tactiles avec un contrôleur position-couple du bras robotique.Il permet à l'effecteur du bras déplacer le repère du contact d'une manière désirée à travers la régulation d'une erreur dans ces caractéristiques. Finalement, dans notre dernière contribution,avec l'addition d'une couche de description des tâches, nous avons étendu ce contrôleur pour adresser quatre problèmes communs dans la robotique: exploration, manipulation, reconnaissance et co-manipulation d'objets.Tout au long de cette thèse, nous avons mis l'accent sur le développement d'algorithmes qui marchent pas simplement avec des robots simulés mais aussi avec de robots réels. De cette manière, toutes ces contributions ont été évaluées avec des expériences faites avec au moins un robot réel. En général, ce travail a comme objectif de fournir à la communauté robotique un cadre unifié qui permet aux bras robotique d'être plus dextres et autonomes. Des travaux préliminaires ont été proposés pour étendre ce cadre au développement de tâches qui impliquent un contrôle multi-contact avec des mains robotiques multi-doigts. / Robots have improved industry processes, most recognizably in conveyor-belt assemblysystems, and have the potential to bring even more benefits to our society in transportation,exploration of dangerous zones, deep sea or even other planets, health care and inour everyday life. A major barrier to their escape from fenced industrial areas to environmentsco-shared with humans is their poor skills in physical interaction tasks, includingmanipulation of objects. While the dexterity in manipulation is not affected by the blindnessin humans, it dramatically decreases in robots. With no visual perception, robotoperations are limited to static environments, whereas the real world is a highly variantenvironment.In this thesis, we propose a different approach that considers controlling contact betweena robot and the environment during physical interactions. However, current physicalinteraction control approaches are poor in terms of the range of tasks that can beperformed. To allow robots to perform more tasks, we derive tactile features representingdeformations of the mechanically compliant sensing surface of a tactile sensor andincorporate these features to a robot controller via touch-dependent and task-dependenttactile feature mapping matrices.As a first contribution, we show how image processing algorithms can be used todiscover the underlying three dimensional structure of a contact frame between an objectand an array of pressure sensing elements with a mechanically compliant surfaceattached onto a robot arm’s end-effector interacting with this object. These algorithmsobtain as outputs the so-called tactile features. As a second contribution, we design a tactileservoing controller that combines these tactile features with a position/torque controllerof the robot arm. It allows the end-effector of the arm to steer the contact frame ina desired manner by regulating errors in these features. Finally, as a last contribution, weextend this controller by adding a task description layer to address four common issuesin robotics: exploration, manipulation, recognition, and co-manipulation of objects.Throughout this thesis, we make emphasis on developing algorithms that work notonly with simulated robots but also with real ones. Thus, all these contributions havebeen evaluated in experiments conducted with at least one real robot. In general, thiswork aims to provide the robotics community with a unified framework to that will allowrobot arms to be more dexterous and autonomous. Preliminary works are proposedfor extending this framework to perform tasks that involve multicontact control withmultifingered robot hands.

L'objectif principal de cette thèse est de concevoir un système impliquant un feedback tactile facilitant l’organisation du tour de parole dans le contexte de la communication verbale à distance et à plusieurs. Ces situations impliquant des technologies numériques sont actuellement décrites comme étant des "conferences call". Elles relèvent également du Computer Supported Collaborative Work (CSCW) lorsqu'elles impliquent une tâche collaborative. Curieusement, ces situations n'ont été l'objet que de très peu d'études en dépit des problèmes qu'elles suscitent et l'évolution de ces technologies s'est faite au profit d'un enrichissement par la vidéo. Cette thèse propose une autre forme d'enrichissement par un retour tactile permettant de dépasser l'une des principales difficultés de la communication verbale à distance à savoir le contrôle du tour de parole. Deux modalités de cet enrichissement ont été étudiés : la redondance et la substitution. Comme redondance avec le feedback visuel, nous avons fait l'hypothèse que la modalité tactile favorise l'alternance du tour de parole et augmente l'expression d'intentions non verbales à l'image des situations de face à face. Comme substitution au visuel, l'hypothèse a été de poser que le tactile produit un avantage en cela qu'il fluidifie le tour de parole. Le système conçu dans cette recherche montre, au moyen de trois expériences, que l'échange verbal à distance et sa distribution dans le cadre d'une tâche de prise de décision collective peut être efficient avec un enrichissement tactile et donner lieu à une auto-régulation du tour de parole. / Our thesis aim was to design a system based on tactile modality to organize a synchronous, multi-user remote verbal communication to facilitate better turn-taking. The remote communication we studied is actually called the ‘conference call’, and relies on computer technology. A conference call is a form of CSCW, and it is thus a collaborative task. As conference calls have rarely been studied in previous research, a system designed to optimize this kind of work is of great value. Tactile modality is the basic element of the design and its impact is also studied in our thesis. As a modality of redundancy, tactile feedback accelerates the alternation of turn-taking. Moreover, it augments the intention of non-verbal exchanges, which accounts for most of the communication in face-to-face situations. As a modality of substitution, tactile modality shows a distinct advantage in making the turn-taking transfer smoother compared to visual modality. Finally, a conference call for a decision-making task under a simple turn-taking allocation system based on tactile modality provides evidence that this designed system’s controlled conference call has good efficiency and good distribution of the talking length of turn-taking.

Although we are surrounded by hundreds of surfaces we can still distinguish them from each other simply by touch. The tactile information, interpreted by our brain and given by our fingers, is precise, but to put words to the sensation is very difficult — is it smooth, sticky or harsh? We do not only perceive surfaces differently, we also describe them in our own way. Luckily the forces and deformations that the skin are exposed to when sliding over a surface is ruled by laws of nature. This thesis investigates the contact between finger and surface and how it is affected by, for example, material properties, surface texturing or changes in climate. By measuring contact area, friction coefficient, and adhesion, using different materials and under different conditions, conclusions could be drawn. Also, a model for the contact between a finger and a sinus­oidal surface was developed, which could be used to estimate contact area, deformation and resulting friction coefficient. Results showed how differences in for example material, surface topography and environ­ment affect the interaction between finger and surface, and what consequences it has. If the objective is to change the feel of a surface or to alter the grip, this thesis could work as a support. Paper A investigates the area and friction between finger and glass surface under different conditions. Paper B presents a model for the contact area and deformation for a finger in contact with a sinusoidal surface. Paper C is a validation of the contact area model. Here it was used on new surfaces and compared with new finger friction measurements. Paper D mainly examines whether the adhesion or stickiness of different surfaces is distinguishable by a test panel and how this affects the perceived pleasantness of the surface. Paper E relates to the adhesion and friction for a bioskin probe and skin. Tests were made to evaluate how an artificial probe can be used to evaluate the tactile properties of a surface. / Även om vi omges av hundratals olika ytor kan vi fortfarande skilja dem åt med hjälp av känseln. Den taktila informationen från fingertopparna som tolkas av hjärnan är precis, men att sätta ord på hur ytan känns är väldigt svårt. Len, sträv eller grov? Vi upplever inte bara ytorna olika utan beskriver dem också på olika sätt. Krafterna och deformationerna som huden utsätts för när den glider över en yta styrs dock av naturlagar. Denna avhandling utreder kontakten mellan fingertopp och yta och hur den påverkas av exempelvis materialval, ytstruktur eller förändringar i klimat. Genom mäta kontaktarea, friktionskoefficient och adhesion för olika material i varierande omgivning kunde slutsatser dras. En modell för kontakten mellan fingertopp och sinusformad yta togs fram vilken kunde användas till att uppskatta kontaktarea, deformation och resulterande friktionskoefficient. Resultaten visade hur skillnader i exempelvis material, yttopografi och omgivning påverkar kontakten mellan finger och yta och vilka kon­sekvenser detta får. Om målet är att förändra känslan eller friktionen för en yta kan denna avhandling fungera som stöd. Artikel A undersöker kontakten och friktionen mellan fingertopp och glasyta för olika förhållanden. Artikel B presenterar en modell för arean och deformationen som sker för fingertopp och sinusformad yta i kontakt. Artikel C är en validering av modellen. Här användes den för nya ytor och jämfördes med nya mätningar av fingerfriktion. Artikel D undersöker i huvudsak huruvida en testpanel kan särskilja adhesionen för olika ytor och hur detta påverkar hur den känns. Artikel E arbetar vidare med adhesion och undersöker och hur en testkropp av artificiell hud kan användas för adhesionsmätningar av en yta. Detta för att med relativt enkla mätningar kunna uppskatta ytans taktila egenskaper. / <p>QC 20160504</p>

Les techniques d'imagerie développées pour la surveillance embarquée des structures ont maintenant des applications dans d'autres domaines. Par exemple, le domaine de l'écran tactile est en pleine expansion et de nouvelles technologies commencent à apparaître pour des applications spécifiques. Au niveau médical, des surfaces tactiles pouvant fournir des données sur la répartition du poids et la posture seraient une avancée pour le diagnostique des patients et la recherche. L'écran tactile est une technologie utilisée dans un nombre croissant d'appareils. Les écrans tactiles capacitifs et résistifs dominent le marché, mais ils sont connus pour être difficiles à fabriquer, facilement cassables et coûteux pour les grandes dimensions. Par conséquent, de nouvelles technologies sont encore explorées pour les écrans tactiles de grandes tailles et robustes. Les technologies candidates comprennent des approches basées sur les ondes. Parmi eux, des ondes guidées sont de plus en plus utilisés dans la surveillance des structures (SHM) pour de nombreuses applications liées à la caractérisation des propriétés des matériaux. Les techniques d'imagerie utilisées en SHM telles que Embedded Ultrasonic Structural Radar (EUSR) et Excitelet sont fiables, mais elles ont souvent besoin d'être couplées avec du traitement d'image pour donner de bons résultats. Dans le domaine du NDT (essais non destructifs), les ondes guidées permettent d'analyser les structures sans les détériorer. Dans ces applications, les algorithmes d'imagerie doivent pouvoir fonctionner en temps réel. Pour l'écran tactile, une technique d'imagerie de la pression en temps réel doit être développée afin d'être efficace et performante. Il faut obtenir la position et l'amplitude de la pression appliquée en un ou plusieurs points sur une surface. C'est ici que les algorithmes et l'expertise par rapport aux ondes guidées seront mises de l'avant tout pensant à l'optimisation des calculs afin d'obtenir une image en temps réel. Pour la méthodologie, différents algorithmes d'imagerie sont utilisés pour obtenir des images de déformation d'un matériau et leurs performances sont comparées en termes de temps de calcul et de précision. Ensuite, plusieurs techniques de traitement d'images ont été implantées pour comparer le temps de calcul en regard de la précision dans les images. Pour l'écran tactile, un prototype est conçu avec un programme optimisé et les algorithmes offrant les meilleures performances pour un temps de calcul réduit. Pour la sélection des composantes électroniques, ce sont la vitesse d'exécution et la définition d'image voulues qui permettent d'établir le nombre d'opérations par seconde nécessaire.

This paper addresses the relationship between the visually impaired and the visual arts. The first section focuses on the scientific background of sight and vision disorders, as well as touch. Current research indicates that the blind can process complex spatial information through touch, just as the sighted can through vision. Thus visual art can be accessible to visually impaired people if it contains tactile information, such as 3D shapes or textures. However, galleries traditionally display art that visitors are only able to interpret visually, excluding the visually impaired and blind. My Fall project aims to challenge the dominant visual mode of interaction with art through a personal lens. By creating 3D works that are touch-accessible, both sighted and non-sighted people can experience my art.

This thesis investigated whether different textured surfaces have a role to play in changing balance performance in healthy young and older adults. A review of the literature showed that balance may be improved by standing on surfaces, or wearing foot insoles, with texture compared to those that are smooth, possibly by providing enhanced plantar tactile stimulation. It also showed that textured footwear interventions can influence lower limb muscle activity during functional activities. However, some major gaps in current literature were identified. There was limited evidence relating to the effect of texture in older adults: a population known to show poor balance and at high risk of falling. The importance of the geometric textured pattern in changing balance had not been investigated. It was also unclear whether textured interventions altered lower limb muscle activity, as a component of sensorimotor function of balance control. The purpose of this thesis was to address these important areas of research and contribute novel evidence to the field. In two separate studies, 24 young and 50 older healthy adults conducted tests of bilateral quiet standing with eyes open and closed on two different textured surfaces and a smooth surface as control. Centre of pressure based sway variables were extracted from a force platform and lower limb muscle activity was collected using surface electromyography, over 30 seconds. Textured surfaces did not significantly alter sway variables or lower limb muscle activity in healthy young adults. Closer observation of the data tentatively suggested texture may have the capacity to alter anterior-posterior sway and centre of pressure velocity in young adults. These findings supported the aims of this thesis to explore the possibility of a textured effect in people with poor balance ability: older adults. Textured surfaces significantly changed mediolateral sway range and centre of pressure velocity in healthy older adults, in the absence of visual information. No significant changes were observed for lower limb muscle activity, between the textured conditions. Exploratory sub-group analysis for gender generated speculative data suggesting the effect of texture on balance and muscle activity may be more marked in older females. Evidence from both studies suggests that relative to control, the two textured conditions have opposite effects on postural sway. There may be an optimal textured pattern which could be therapeutically beneficial for enhancing balance performance in healthy and pathological groups. Further investigation is required.