Perception et interface haptique pour les nanosciences

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

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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

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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 ?

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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

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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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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

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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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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

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Modification de la force rendue au contact

Position de repos virtuelle Équilibre au contact avec une force constante sur la poutre

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Position de repos virtuelle & inversion

Valide les conditions en effortpour déposer par adhésion ou par roulement

Assistance évaluée

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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


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

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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

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Rapidité Précision1

2

3

4

5

6

7Sans haptiqueAvec haptiqueAvec haptique et asssitance


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

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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

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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

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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

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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


Expérience utilisateur sur la compréhensionMéthode

ExplicationsDessinIdentification de courbe

Identification de courbe Questionnaire

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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


Haptique + Poutre

Haptique + Analogie

Sans haptique + Poutre

Sans haptique + Analogie

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Haptique + Poutre

Haptique + Analogie



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Haptique + Poutre

Haptique + Analogie




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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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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



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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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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


Principe de fonctionnement

Grosmoteur

Petitmoteur

Coupleurvisqueux

Impédancemécaniqueapparente

Couplemaximal

Couple linéaire / vitesse

Csortie = Ccoupleur + Cpetit

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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

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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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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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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

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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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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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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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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

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Merci de votre attention

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