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Guillaume MILLET Directeur de thèse : Stéphane RÉGNIER Co-encadrant : Sinan HALIYO. Perception et interface haptique pour les nanosciences. Manipulation aux échelles micro & nano. Étude et Caractérisation de nouveaux matériaux, de structures mécaniques, d'objets biologiques - PowerPoint PPT Presentation
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Perception et interface haptiquepour les nanosciences
Guillaume MILLET
Directeur de thèse : Stéphane RÉGNIER
Co-encadrant : Sinan HALIYO
Contexte et problématique
Manipulation aux échelles micro & nano
Étude et Caractérisation de nouveaux matériaux, de structures mécaniques, d'objets biologiques
Conception de nanosystèmes (NEMS) assemblés
Chaîne de micro/nano-téléopération
Nanofils Nano-hélice Cellules Test de nanofil
Facteurs d'échelle
vitesse
force
vitesse
force
vitesse
force
vitesse
force
Environnement Robot esclave Couplage Robot maître Utilisateur
Visualisation
2/40
Contexte et problématique
Manipulation aux échelles micro & nano
Visualisation : micro (1 – 100 µm) nano (<1 µm) en temps différé
Physique : forces de surface >> gravité
Manipulation
Manipulation par AFM
pas de maîtrise des efforts nécessite retour visuel
Microscope optiqueMicroscope à
force atomique (AFM)Microscopeélectronique
µ-pincessans mesure de force
Poutre AFMavec mesure de force
mesure des efforts outil le plus répandu
3/40
Contexte et problématique
Plates-formes de télé-nanomanipulation existantes
Peu de télémanipulations réelles avec haptique Pas d'études utilisateurs complètes
Difficultés dues à la réduction d'échelle Stratégies de manipulation complexes Physique non-intuitive Ressenti haptique
Univ. Carnegie Mellon, USA, 05Univ. Caroline du Nord, USA, 97 ISIR, France, 05
VIDÉO
Apport de l'haptique ?
4/40
Contexte et problématique
Bilan et objectifs
Difficultés pour percevoir
les stratégies de manipulation spécifiques
les phénomènes physiques
Objectifs
Proposer et évaluer des assistances haptiques
Évaluer l'apport de l'haptique pour comprendre l'AFM
Concevoir une interface haptique dédiée
5/40
Plan de la présentation
1.Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation Assistances haptiques Simulateur interactif Évaluations pilotes
2.Retour haptique et analogie pour comprendre l’AFM Méthode Résultats Discussion
3.Interface haptique pour toucher le nanomonde Problématique Principe de fonctionnement Résultats expérimentaux
4.Conclusions et perspectives
6/40
Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation
Microscopie à force atomique
Outil d'imagerie et de manipulation
Courbe approche-retrait
ApprocheRetrait
Hauteur de labase de la poutre
Force mesurée
Pull-off oudécollement
Attraction(Van der Waals)
Sautde contact
7/40
Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation
Assistances haptiques pour l'AFM
Stratégies de micromanipulation développées à l'ISIR
Compromis sur le rendu des petites et grandes amplitudes
Charge cognitive pour contrôler l'effort d'interaction
Existant
Dépose parroulement
Dépose paradhésion
A. Ferreira, LVR, Bourges
Champs de répulsion, planificationSitti, Carnegie Mellon, Pittsburgh
Rigidité de la poutre masquée
VIDÉO
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Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation
Modification de la force rendue
Réduction de la plage dynamique rendue Modifie le rapport amplitudes
Inversion de l'effort Retrait de la poutre facilité
petitesgrandes
9/40
Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation
Modification de la force rendue au contact
Position de repos virtuelle Équilibre au contact avec une force constante sur la poutre
10/40
Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation
Position de repos virtuelle & inversion
Valide les conditions en effortpour déposer par adhésion ou par roulement
Assistance évaluée
11/40
position
forceforce
position
image image
É c ra n
In te rfa c e h a p tiq u e
G ra p h is m eS im u la tio np h ys iq u e position &
flèche
force
position
U tilis a te u r
C o u p la g e
Fac teursd'échelle
Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation
Simuler les phénomènes physiques et les tâches Modélisation quasi-statique
état d'équilibre calculé à chaque instant phase contact ou non-contact
Simulateur interactif pour tests utilisateurs
12/40
Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation
Évaluation pilote sur une dépose par adhésion
Tâche Déplacer 4 billes d'un substrat S1
à un substrat S2 plus adhérant, en formant une pyramide
Mesures Temps, précision Impressions subjectives
Méthode 7 étudiants novices 3 conditions expérimentales
- Sans haptique
- Avec haptique, sans assistance
- Avec haptique, avec assistance 3 essais x 3 conditions x 3 séries = 27 essais
PriseSubstrat peu adhérant
DéposeSubstrat très adhérant
S1 S2
13/40
Rapidité Précision1
2
3
4
5
6
7Sans haptiqueAvec haptiqueAvec haptique et asssitance
Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation
Évaluation sur une dépose par adhésionRésultatsPerformances en temps et en précision
Pas d'effet significatif des conditions expérimentales
Effet d'apprentissage Diminution significative du temps d'exécution de 32%
Impressions subjectives Meilleure rapidité avec le retour haptique Meilleure précision avec le retour haptique et l'assistance
Bilan Effet d’apprentissage Impressions subjectives positives
Rapidité Précision1
2
3
4
5
6
7
14/40
Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation
Étude pilote sur une dépose par roulement
Tâche Déplacer une bille prise par adhésion
et la déposer par roulement
Mesures Force appliquée maximale Cassure poutre Facilité et assurance durant la dépose
Méthode 5 chercheurs connaissant l'AFM 3 conditions expérimentales
(idem évaluation précédente) 4 billes x 3 conditions = 12 essais
Dépose parroulement
15/40
Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation
Étude pilote sur une dépose par roulement RésultatsForce maximale appliquée sur la poutre
Plus faible avec l'assistance haptique Pas de cassure avec le retour haptique
Impressions subjectives Tâche facilitée avec l'assistance haptique,
en particulier avec la position de repos virtuelle
Bilan Assistance haptique jugée utile
Effort maximal0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Facilité Assurance1
2
3
4
5
Sans haptiqueAvec haptiqueAvec haptique et assistance
16/40
Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation
Bilan sur les assistances haptiques
Création d'un simulateur RV Modèles physiques et expertise ISIR Fidélité des comportements
Assistances haptiques Inversion du rendu de l'effort de retrait Validation de l'effort minimum pour les prises et déposes
Deux évaluations pilotes Premiers résultats encourageants À confirmer avec plus de sujets ou en manipulation réelle
)( mesuréerendue FfF
17/40
Plan de la présentation
1.Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation Assistances haptiques Simulateur interactif Évaluations pilotes
2.Retour haptique et analogie pour comprendre l’AFM Méthode Résultats Discussion
3.Interface haptique pour toucher le nanomonde Problématique Principe de fonctionnement Résultats expérimentaux
4.Conclusions et perspectives
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Retour haptique et analogie pour comprendre l'AFM
Expérience pédagogique sur la compréhension
Comportement d’une poutre AFM Cycle approche-retrait
Deux facteurs évalués Apport du retour haptique ? Apport de l'analogie aimant-ressort ?
Représentations graphiques testées
Analogie aimant-ressortet indices graphiques
Poutre AFM
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4 conditions, 45 étudiants
Retour haptique et analogie pour comprendre l'AFM
Expérience utilisateur sur la compréhensionMéthode
ExplicationsDessinIdentification de courbe
Identification de courbe Questionnaire
20/40
Identification Analogie aide au début Haptique aide sur l’influence de la raideur
Temps Plus rapide (30%) avec l'analogie, au début Plus lent (50%) avec l'haptique, au début
Dessins Corrélation avec l’identification Pas d'influence significative
Expérience utilisateur sur la compréhensionRésultats – Identifications, temps, dessins
Nombre d’identifications pour la simu. 1
Retour haptique et analogie pour comprendre l'AFM
Haptique + Poutre
Haptique + Analogie
Sans haptique + Poutre
Sans haptique + Analogie
21/40
Identification Analogie aide au début Haptique aide sur l’influence de la raideur
Temps Plus rapide (30%) avec l'analogie, au début Plus lent (50%) avec l'haptique, au début
Dessins Corrélation avec l’identification Pas d'influence significative
Expérience utilisateur sur la compréhensionRésultats – Identifications, temps, dessins
Nombre d’identifications pour la simu. 2
Retour haptique et analogie pour comprendre l'AFM
Haptique + Poutre
Haptique + Analogie
Sans haptique + Poutre
Sans haptique + Analogie
22/40
Expérience utilisateur sur la compréhensionRésultats – Identifications, temps, dessins
Identification Analogie aide au début Haptique aide sur l’influence de la raideur
Temps Plus rapide (30%) avec l'analogie, au début Plus lent (50%) avec l'haptique, au début
Dessins Corrélation avec l’identification Pas d'influence significative
Retour haptique et analogie pour comprendre l'AFM
Haptique + Poutre
Haptique + Analogie
Sans haptique + Poutre
Sans haptique + Analogie
Nombre d’identifications pour la simu. 4
23/40
Retour haptique et analogie pour comprendre l'AFM
Expérience utilisateur sur la compréhensionRésultats – Analyse de composantes principales Étude des corrélations entre les données
Effets des conditions Haptique augmente le temps de traitement Haptique aide à comparer la raideur et le pull-off
Stratégies complémentaires Raisonnement par analogie Notions d’élasticité linéaire et de dynamique rapide
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Retour haptique et analogie pour comprendre l'AFM
Expérience utilisateur sur la compréhensionRésultats – Préférences
Conditions Haptique et Analogie très appréciées
Influence plus grande de l’haptique
Compréhension
1
2
3
4
5
6
7
Mo
yenn
es
1 2 3 40
10
20
30
40
R ang
Fré
que
nce
par
mi l
es
45
suj
ets Haptique + Poutre
Haptique + Analogie
Sans haptique + Poutre
Sans haptique + Analogie
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Retour haptique et analogie pour comprendre l'AFM
Bilan et perspectives
Retour haptique Attire l’attention sur les forces impliquées Facilite la perception l’influence de la raideur Allonge le temps de traitement
Analogie aimant-ressort Aide au début de la compréhension Adaptée à un cours d’introduction sur l’AFM
Perspectives Outil pédagogique Effet de l’haptique sur la mémorisation à long terme
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Plan de la présentation
1.Assistances haptiques pour la télé-micromanipulation Assistances haptiques Simulateur interactif Évaluations pilotes
2.Retour haptique et analogie pour comprendre l’AFM Méthode Résultats Discussion
3.Interface haptique pour toucher le nanomonde Problématique Principe de fonctionnement Résultats expérimentaux
4.Conclusions et perspectives
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Interface haptique pour toucher le nanomonde
Interface haptique dédiée
Dédiée au rendu de l’échelle nano Grande plage dynamique (104 : 1 mN à 10 N) Grandes accélérations
Problématique Actionneur électromagnétique : fort couple → grande inertie
Couplage de deux actionneurs
• 1 petit actionneur pour les composantes hautes-fréquences
• 1 gros actionneur pour l’effort continu
Couplage visqueux
• Peu d’énergie emmagasinée
• Commande simple et réactive : commande en vitesse
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Commande
Couplage visqueux par courants de Foucault
Aimants
Fer doux Anneau
B induit
J induit
Vanneau aimants
Interface haptique pour toucher le nanomonde
Principe de fonctionnement
Grosmoteur
Petitmoteur
Coupleurvisqueux
Impédancemécaniqueapparente
Couplemaximal
Couple linéaire / vitesse
Csortie = Ccoupleur + Cpetit
29/40
Interface haptique pour toucher le nanomonde
Premier prototype
Identification Plage dynamique 0,2 – 45 mN.m
Coupleur visqueuxà courants de Foucault
Inducteur
Induit en aluminium
Grosmoteur
Petitmoteur
Poignée
Inertie apparente avecl’asservissement en effort
30/40
Interface haptique pour toucher le nanomonde
Optimisation des performancesAnalyse théorique Deux critères d’optimisation
Minimiser la constante de temps Jgros/b
Minimiser l’inertie de la sortie Jpetit
Analyse théorique Nombreuses variables Hypothèses simplificatrices
Quelques indices Rapport /ρal à maximiser → anneau en aluminium non allié
Maximiser le champ magnétique → aimants NdFeB
Analyse numérique multiphysique nécessaire
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Interface haptique pour toucher le nanomonde
Optimisation des performancesAnalyse numérique multiphysique Paramètres optimisés
Nombre d’aimants optimal Largeur de l’anneau > hauteur aimant Entrefer entre aimants et anneau à minimiser
Simulation d’unedemi-boucle magnétique
Densité des courants induitsdans l’induit
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Interface haptique pour toucher le nanomonde
Performances obtenues
Identification
2nd prototype
Écorché du coupleur
1er proto 2è proto
J1/b 68 30 ms
Inertie J2 150 64 10-7 kg.m2
Plage dyn. 0,2 – 45 0,1 – 200 mN.m
33/40
Interface haptique pour toucher le nanomonde
Étude du cycle limite avec un ressort virtuel
Analyse d’un système haptique oscillant Viscosité b, frottement sec c, masse m Ressort virtuel de raideur k Retard pur T supposé << 1/ω
Condition nécessaire et suffisante de stabilité
Linéarisation autour de φ=π/2
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Interface haptique pour toucher le nanomonde
Étude du cycle limite avec un ressort virtuelRésultats expérimentaux Un seul moteur
Fréquence limite bien estimée Vitesse maximale sous-estimée
Prototype Influence du correcteur Asservissement limité par une
résonance du gros moteur Inertie plus faible
P=3P=6P=9
théorique
mesure
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Interface haptique pour toucher le nanomonde
Comparaison avec les capacités humaines
Spécifications pour une poignée de Ø70 mm
Inertie apparente similaire, sous certaines conditions Asservissement suffisamment rapide Commande stable
Frottements résiduels Utiliser des technologies sans contact
Spécif. Prototype
Inertie 61 64 10-7 kg.m2
Frottement 0,04 0,2 mN.m
Couple maxi 200 200 mN.m
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Interface haptique pour toucher le nanomonde
Bilan et perspectives
Nouvel actionneur à 2 étages Large plage dynamique & faible inertie Prototype fonctionnel
Analyse de la stabilité par l’étude du cycle limite Nouvelle condition de stabilité Mise en évidence de l’influence du correcteur
Perspectives Commande plus avancée Expériences en télé-nanomanipulation Nombreuses applications potentielles
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Conclusion
Perception utilisateur de la télé-micromanipulation Assistances haptiques modifiant le rendu des forces Analogie pour les phénomènes nanophysiques Evaluations utilisateurs
Interface haptique haute fidélité Couplage visqueux Analyse de la stabilité au cycle limite Prototype avec de grandes capacités de perception
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Perspectives
Manipulation réelle et évaluation in situ
Assistances haptiques pour d’autres stratégies
Définition d’un outil pédagogique
Application du prototype pour la perception du nanomonde
39/40
Merci de votre attention
40/38