The sensorimotor capacities of the foot are crucial to human locomotion in diverse environments, to gathering information about walking surfaces, and to interacting with objects on the ground. Locomotion is increasingly employed to allow users to control and navigate within immersive virtual environments, but, in contrast to the hand, little attention has been given to the rendering of haptic sensations for the feet. This thesis addresses several challenges motivated by the problem of realizing haptic experiences of walking on virtual ground surfaces. First, a novel family of interfaces is introduced, based on a vibrotactile display integrated in a rigid floor plate. Its structural dynamics and controller have been optimized to ensure its ability to accurately reproduce mechanical vibrations over a wide frequency band, which was instrumental to realizing the perceptual study presented in the second part of the thesis. Distributed arrays of these devices are used to simulate virtual ground surfaces and floor-based multi-touch surfaces, whose usability for human-computer interaction is empirically demonstrated. The second component of this thesis is an experimental study of the contribution of vibrotactile sensory information to the perception of ground surface compliance. A novel haptic perceptual illusion is demonstrated, in which the apparent compliance of a floor surface is increased by vibrations felt via the plantar sole of the foot. This investigation also revealed the surprising ability of the vibrotactile floor interface to overcome, in part, a core limitation: its inability to display kinesthetic force-displacement information. The third part of the thesis analyzes texture-like mechanical signals produced through inelastic physical processes in complex, disordered materials like those encountered during walking in many natural terrains. Patterns of fluctuations accompanying sliding friction and fracture processes in quasi-brittle, heterogeneous materials subjected to time-varying loads are characterized using methods from statistical physics. This analysis was used to formulate novel algorithms for the haptic synthesis of high-frequency signatures of fracture processes in fiber composites and compressed granular media. In conclusion, this thesis presents an innovative hardware interface and techniques for interacting with virtual ground surfaces. It also demonstrates a new haptic perceptual effect that lends justification to the display paradigm adopted here. Finally, it analyzes and models transient, texture-like physical phenomena associated with stepping onto complex, natural ground materials. / Les capacités sensori-motrices du pied sont essentielles à la locomotion humaine, à la collecte d'informations sur les surfaces de marche, et à l'interaction avec des objets au sol. La locomotion est de plus en plus utilisée pour interagir et naviguer dans les environnements virtuels immersifs, mais, contrairement à la main, peu d'attention a été accordée au rendu des sensations haptiques pour les pieds. Cette thèse aborde plusieurs problèmes liés à la réalisation d'expériences haptiques de marche sur des terrains virtuels. Tout d'abord, une nouvelle famille d'interfaces est présentée, fondée sur un dispositif vibrotactile intégré dans un carreau rigide. Sa dynamique structurelle et son contrôleur ont été optimisés pour assurer sa capacité à reproduire fidèlement les vibrations mécaniques dans une large bande de fréquence, ce qui était nécessaire à la réalisation de l'étude de perception présentée en deuxième partie de la thèse. Un pavage de ces dispositifs est utilisé pour simuler des terrains virtuels et des planchers tactiles multi-points, dont l'ergonomie est démontrée de manière empirique. Le deuxième volet de cette thèse est une étude expérimentale sur la contribution de l'information vibrotactile à la perception de la compliance du sol. Une nouvelle illusion perceptuelle haptique est démontrée, dans laquelle la compliance apparente du sol est augmentée par les vibrations ressenties par la plante du pied. Cette étude a également révélé l'étonnante capacité de l'interface vibrotactile à surmonter, en partie, une limitation intrinsèque : son incapacité à transmettre des informations kinesthésiques force-déplacement. La troisième partie de la thèse analyse les signaux mécaniques complexes produits par les processus physiques inélastiques dans les matériaux désordonnés tels que ceux rencontrés lors de la marche en terrain naturel. Les modèles de fluctuations accompagnant le frottement de glissement et les processus de fracture dans les matériaux hétérogènes quasi-fragiles soumis aux charges variables sont caractérisés par des méthodes de physique statistique. Cette analyse est utilisée pour formuler de nouveaux algorithmes pour la synthèse haptique des signatures à hautes fréquences des processus de fracture dans les composites de fibres et les materiaux granulaires compressés. En conclusion, cette thèse présente un dispositif vibrotactile et des techniques novateurs pour interagir avec des terrains virtuels. Elle démontre un nouvel effet perceptuel qui justifie le paradigme d'interaction haptique adopté ici. Enfin, elle analyse et modélise certains phénomènes physiques associés à la marche sur des terrains naturels complexes.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.103551 |
| Date | January 2011 |
| Creators | Visell, Yon |
| Contributors | Jeremy Cooperstock (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Electrical and Computer Engineering) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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