Multi-Finger Haptic Devices Integrating Miniature Short-Stroke Actuators

251 Pages·2012·25.92 MB·English

by  Savioz Grégory

Multi-Finger Haptic Devices Integrating Miniature Short-
Stroke Actuators
THÈSE NO 5485 (2012)
PRÉSENTÉE LE 28 SEPTEMBRE 2012
À LA FACULTÉ DES SCIENCES ET TECHNIQUES DE L'INGÉNIEUR
LABORATOIRE D'ACTIONNEURS INTÉGRÉS
PROGRAMME DOCTORAL EN SYSTÈMES DE PRODUCTION ET ROBOTIQUE
ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE
POUR L'OBTENTION DU GRADE DE DOCTEUR ÈS SCIENCES
PAR
Grégory SAvIOz
acceptée sur proposition du jury:
Prof. P. Ryser, président du jury
Prof. Y. Perriard, directeur de thèse
Dr F. Mondada, rapporteur
Prof. B. Semail, rapporteur
Dr S. Urben, rapporteur
Suisse
2012

Maisvoussavez,moijenecroispasqu’ilyaitdebonnesoudemauvaisessituations. Moi,si
jedevaisrésumermavie,aujourd’huiavecvous,jediraisquec’estd’aborddesrencontres,des
gensquim’onttendulamainpeut-êtreàunmomentoùjenepouvaispas,oùj’étaisseulchez
moi.Etc’estassezcurieuxdesedirequeleshasards,lesrencontresforgentunedestinée.Parce
quequandonalegoûtdelachose,quandonalegoûtdelachosebienfaite,lebeaugeste,
parfoisonnetrouvepasl’interlocuteurenface,jediraislemiroirquivousaideàavancer.Alors
cen’estpasmoncas,commejedisaislà,puisquemoiaucontrairej’aipu,etjedismerciàla
vie,jeluidismerci,jechantelavie,jedanselavie,jenesuisqu’amour.Etfinalementquand
beaucoupdegensaujourd’huimedisent:"Maiscommentfais-tupouravoircettehumanité?"
etbienjeleurrépondstrèssimplement,jeleurdis:"C’estcegoûtdel´amour",cegoûtdonc,qui
m’apousséaujourd’huiàentreprendreuneconstructionmécanique,maisdemainquisait?
Peut-êtresimplementàmemettreauservicedelacommunauté,àfaireledon,ledondesoi.
—EdouardBear
Ceuxàquijedoiscetravail,
etbienplusencore,
sereconnaîtront.

Remerciements
L’aboutissementdulabeurquivousestprésentédanscedocumentn’auraitcertainement
pasétéenvisageablesansl’appuiapportéparmoultespersonnesquejetiensàremercierici.
EncommençantparleProf.YvesPerriardpoursonsoutient,ainsiquel’indépendanceetla
confiancequ’ilm’aaccordées.Ensusdel’aspectprofessionnel,ilasucréeraulaboratoireun
environnementagréablequim’apermisdepasserquatreannéesmerveilleuses,nerechignant
pasànousoffrirlecouvertetparfoismêmelegîtelorsquelebesoins’enfaisaitsentir.
Je tiens également à exprimer ma gratitude envers les membres du jury: Prof. Betty Se-
mail,Dr.FrancescoMondadaetProf.PeterRyserpouravoirgracieusementprislapeinede
s’intéresseràmontravailetd’yajouterunetoucheéclairéeàtraversleursremarquesavisées.
UnedistinctionparticulièrevaauDr.SébastienUrbenduCHUVavecquij’aipudévelopper
uneenrichissantecollaborationécartantmesœillèresscientifiquesetquin’apaseupeur
d’affronterlemondedel’ingénieurensejoignantàmonjurydethèse.
Rienn’auraitétépareilsanslaprésencedemescollèguesauseinduLAI,notammentgrâceà
l’aideapportéeparlessagesanciens:André,Christian,Mika,PaoloetOmar,jamaisavaresen
conseils.Merciégalementàlaplupartdesonzeétudiantsquej’aipusuivredurantleurprojet
desemestreoudeMasteretquiontsuapporterunetouchedefraîcheuretdecuriositéàmon
travail.Jeremerciebienévidemmenttouslescollèguesquej’aipucôtoyerdurantcesquelques
années,ceuxpartisplustôtetceuxencoreprésents,avecunementionparticulièrepourDr.
Pascalavecquij’aipasséplusdetempsqu’avecl’intégralitédemesprochesdurantcesneuf
dernièresannées. SansoublierRichardMilhé,OlivierCampicheetlesautresemployésde
chezLogitechavecquij’aieuleplaisirdecollaborer,toujoursdanslabonnehumeur,durant
plusdedeuxansetdemi.
Letravailn’étantdeloinpastout,jetiensàterminercesremerciementsparlespersonnesqui
comptentplusquetoutàmesyeux:mesparents,toutd’abord,quionttoujourscruenmoi
etonttoutmisenœuvrepourmepermettred’atteindremesobjectifs,mestroispetitsfrères
qui,malgréleurgrandetaille,m’acceptenttoujourscommejesuisetfinalementlaplusbelle,
Cynthia,avecquij’apprendschaquejourbienplusqu’aucoursden’importequelcursus.Pour
terminer,ungrosbigupàtousmespotos,lesJohns,lesmoustachusettouslesautressansqui
laviemanqueraitcruellementdesel,deracletteetdepinard.
Neuchâtel,28Septembre2012 G.S.
v

Abstract
Theomnipresenceofelectronicdevicesinoureverydaylifegoestogetherwithatrendthat
makesusalwaysmoreimmersedduringtheirutilization.Byimmersion,wemeanthatduring
thedevelopmentofanewproduct,itismoreandmorerequiredtostimulateseveralsensesof
theusersoastomaketheproductmoreattractive.Thesenseoftouchdoesnotescapetherule
andismoreandmoreconsidered.Definitelydemocratizedbyitsintegrationinsmartphones
withtouchscreens,thehapticfeedbackallowsenhancingthehuman-machineinteractionsin
manyways.Forinstancebyimprovingthecomfortofuseofabuttonthroughthemodification
ofitsforcefeedback. Itcanalsoofferaninteractiveexperienceduringthemanipulationof
digitalinformationandevenimprovethecommunication,particularlythroughtheinternet
andforblindpeople,withtheintroductionofnon-verbalsignals.
Forthesereasons, thepresentthesisfocusesontheconceptionofmulti-fingerhapticde-
vices,anewkindofperipheralsintegratingmultipleactuatorsandcapableofprovidinga
fullyprogrammableforcefeedbacktotheuser'sfingers.Aglobalmethodologyispresented,
outliningthedifferentconstituentsnecessaryfortheirconception:actuator,sensor,control,
communicationandsoftwareuserinterface. Then,generictoolscorrespondingtothetwo
firstelementsarepresented.
Anaccuratemodelingofminiatureelectromagneticshort-strokeactuatorsismadepossible
thankstothecombinationof3Dfiniteelementmodeling(FEM)anddesignofexperiments
(DOE).Thenon-usualbehaviorofmagneticfluxlinesinminiatureactuatorswithrelatively
largeairgapsimposestoavoidsimplifiedanalyticalmodelsandtousethereliableresultsof
finiteelements.Thelongcomputationtimesrequiredby3DFEMarebalancedbytheuseof
selectiveDOEmakingthemodelingmethodologyeasilyadaptable,rapidandaccurate.The
parametricalmodeloftheforceprovidedbythemodelingmethodologyisthenintegratedina
fullparametricalsetupallowingfortheoptimizationoftheactuatorforceusingaconventional
algorithm.Theadvantageoftheparametricaloptimizationisthatcomplementarynon-linear
constraintssuchasweightandtemperaturecanbeadded,makingthemodelmulti-physic.
Then,severaloriginalpositionmeasurementtechniquesusingexistingsensorsaredeveloped
includingalow-costcustomsingle-photointerruptersensorallowingfordirectiondiscrimi-
nationforfast-prototypingandahybridsensingmethodusingtinyHallsensorsandtaking
advantageoftheleaksofthemainactuatormagnet.Twoinnovativeself-sensingmethodsare
thenpresented,allowingforthemeasurementofthemoverpositionoflinearshort-stroke
vii
Remerciements
actuators.Thefirstsolutionestimatesthepositionofthecoilbymeasuringtheacceleration
throughthebackemf.Howeverinthiscase,aconstantaccelerationisrequired,whichstrongly
restrainstheapplicationscope.Thesecondsolutionallowsforareal-timemeasurementof
thepositionthankstoapassiveoscillatingRLCcircuitinfluencedbythevariationofthecoil
impedance.Allthesolutionspresentedarelow-cost,compactandrequirefewcomputation
resources.
Finally,inordertoillustratethemethodologyproposedalongthethesis,severalprototypes
arefabricated,givinganoverviewofthepossibilitiesofferedbymulti-fingerhapticdevices.
AhapticnumericpadisnotablyusedinanexperimentmadeincollaborationwiththeUni-
versityServiceofChildandAdolescentPsychiatryinLausannewiththeaimofimprovingthe
impairedemotionalprocessingofpsychoticadolescents.Moreover,thesuccessfulidentifica-
tionofseveraltouchsensationsonthesamehapticpadlaysthefirststonesofanewtactile
language.
Keywords: Multi-fingerhapticdevices,forcefeedback,designofexperiments,3Dfiniteel-
ementmodeling,miniatureshort-strokeactuators,positiondetection,self-sensing,tactile
language,emotionalprocessing,humanhandphysiology.
viii
Résumé
L’engouement actuel pour les appareils électroniques en tout genre s’accompagne d’une
tendanceàl’immersiondesutilisateurs.Eneffet,deplusenplusdeproduitstententd’intégrer
desfonctionnalitésstimulantplusieursdenossensafindelesrendreplusattractifs.Bien
évidemment,lesensdutouchern’échappepasàlarègle.Définitivementdémocratiségrâceà
sonintégrationdanslestéléphonesàécrantactile,leretourhaptiquepermetd’améliorerles
interactionshomme-machinedenombreusesmanières.Ilpermetparexempled’augmenter
leconfortdefrappeenmodifiantleretourdeforcegénéréparunbouton-poussoir.Ilouvre
également la voie vers une expérience interactive lors de la manipulation d’informations
digitalesainsiqu’àl’enrichissementdelacommunication,notammentàtraversinternetet
pourlespersonnesaveugles,grâceàl’introductiondenouveauxlangagesnon-verbaux.
Pourlesraisonsmentionnées,cettethèseseconcentresurlaconceptiondesystèmeshap-
tiquesmulti-digitaux,unnouveaugenredepériphériquesintégrantdemultiplesactionneurs
etcapabledefournirunretourdeforceentièrementprogrammableauxdoigtsdel’utilisateur.
Uneméthodologieglobaleestprésentée,mettantenavantlesdifférentsconstituantsnéces-
sairesàleurconception,àsavoiractionneur,capteur,contrôle,communicationetinterface
utilisateur.Puis,desoutilsgénériquescorrespondantàcesdeuxpremiersélémentssontdéve-
loppés.
La modélisation d’actionneurs électromagnétiques miniatures à faible course est rendue
possible grâce à la combinaison de modélisation à éléments finis 3D (MEF) et des plans
d’expériences.Lecomportementnon-conventionneldeslignesdechampmagnétique,carac-
téristiquedesactionneursminiaturespossédantderelativementgrandsentrefers,empêche
l’utilisationdemodèlesanalytiquessimplifiésauprofitdesrésultatsfiablesdeséléments
finis.Leslongstempsdecalculpropresauxsimulations3Dsontcompensésparl’utilisation
de plans d’expériences sélectifs rendant la méthodologie facilement adaptable, rapide et
précise.Quantaumodèleparamétriquedelaforcegénéréparlaméthodedemodélisation,
il est ensuite intégré dans un programme général englobant toutes les étapes, y compris
l’optimisationdelaforcedel’actionneuràl’aided’unalgorithmeconventionnel.L’avantage
del’optimisationparamétriqueestqu’ellepermetd’yincluredescontraintesnon-linéaires
additionnelles(poids,température,etc...),afindedevenirmulti-physique.
Parlasuite,plusieurstechniquesoriginalesdemesuredelapositionutilisantdescapteurs
existantssontdéveloppées,incluantuncapteuroptiquepourleprototypagerapideàphoto-
ix
Remerciements
interrupteuruniquepermettantdedistinguerlesensdedéplacementainsiqu’uneméthode
dedétectionhybrideutilisantlesfuitesmagnétiquesdel’aimantprincipaldel’actionneur.
Deuxméthodesdedétectiondelapositionsanscapteursontensuiteprésentéespourdes
actionneurslinéairesàfaiblecourse.Lapremièresolutionpermetl’interpolationdelaposition
enmesurantl’accélérationàtraverslatensioninduitedemouvement.Cependant,cettemé-
thodenécessiteuneaccélérationconstante,cequilimitefortementlechampd’application.La
secondesolutionpermetunemesureentempsréelgrâceàuncircuitRLCoscillantinfluencé
parlavariationdel’impédancedelabobineaveclaposition.Touteslessolutionsdévelop-
péesdanscettesectionsontcompactes,bonmarchéetnécessitentpeuderessourcesdecalcul.
Finalement, afin d’illustrer la méthodologie présentée tout au long de la thèse, plusieurs
prototypesontétéfabriqués,donnantunaperçudespossibilitésoffertesparlessystèmes
haptiquesmulti-digitaux.Unpadnumériquehaptiqueestnotammentutiliséparlasuite
dansuneexpérienceencollaborationavecleServiceUniversitairedePsychiatriedel’Enfant
etdel’AdolescentdeLausanneavecl’objectifd’améliorerletraitementémotionnelaltéré
d’adolescentspsychotiques.Deplus,lesuccèsrencontrélorsdel’identificationd’unesériede
sensationstactilessurlemêmepadnumériqueposelesbasesd’unnouveaulangagetactile.
Mots-clés:Systèmeshaptiquesmulti-digitaux,retourdeforce,plansd’expériences,modélisa-
tionélémentsfinis3D,actionneursminiaturesàfaiblecourse,détectiondelapositionsans
capteur,langagetactile,traitementdel’émotion,physiologiedelamainhumaine.
x