Perception et interface haptique pour les nanosciences

Guillaume MILLET

Directeur de thèse : Stéphane RÉGNIER

Contexte et problématique 2/39

Manipulation aux échelles micro & nano

w Étude et Caractérisation de nouveaux matériaux, de structures mécaniques, d'objets biologiques

w Conception de nanosystèmes (NEMS) assemblés

w 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

Contexte et problématique 3/39

Manipulation aux échelles micro & nano

v Visualisation : micro (1 – 100 µm) nano (<1 µm) en temps différé

v Physique : forces de surface >> gravité

v Manipulation

Ø  Manipulation par AFM

µ-pinces sans mesure de force

l  pas de maîtrise des efforts

l  nécessite retour visuel

Poutre AFM avec mesure de force

l  maîtrise des efforts l  outil le plus répandu

Microscope optique Microscope à

force atomique (AFM) Microscope électronique

Contexte et problématique 4/39

Plates-formes de télé-nanomanipulation existantes

w  Peu de télémanipulations réelles avec haptique w  Pas d'études utilisateurs complètes

Ä  Difficultés dues à la réduction d'échelle w  Physique non-intuitive, grande plage dynamique, grandes accélérations w  Contraintes technologiques

Univ. Carnegie Mellon, USA, 05 Univ. Caroline du Nord, USA, 97 ISIR, France, 05

VIDÉO

Apport de l'haptique ?

Contexte et problématique 5/39

Bilan et objectifs

v Difficultés pour percevoir w les stratégies de manipulation spécifiques

w les phénomènes physiques

v Objectifs Ø  Proposer et évaluer des assistances haptiques

Ø  Évaluer l'apport de l'haptique pour comprendre l'AFM

Ø  Concevoir une interface haptique dédiée

6/39

Plan de la présentation

1. Assistances haptiques pour la microtéléopération w Assistances haptiques w Simulateur interactif w Evaluations pilotes

2. Retour haptique et analogie pour comprendre l’AFM w Méthode w Résultats w Discussion

3. Interface haptique pour toucher le nanomonde w Problématique w Principe de fonctionnement w Résultats expérimentaux

4. Conclusions et perspectives

Assistances haptiques pour la micro-téléopération 7/39

Microscopie à force atomique

v Outil d'imagerie et de manipulation

v Courbe approche-retrait w  Illustre les phénomènes les + présents

Approche Retrait

Hauteur de la base de la poutre

Force mesurée

Assistances haptiques pour la micro-téléopération 8/39

Assistances haptiques pour l'AFM

v Stratégies de micromanipulation développées à l'ISIR w Compromis sur le rendu des

petites / grandes amplitudes

w Charge cognitive pour contrôler l'effort d'interaction

v Existant

Dépose par roulement

Dépose par adhésion

A. Ferreira, LVR, Bourges Champs de répulsion, planification

Sitti, Carnegie Mellon, Pittsburgh Rigidité de la poutre masquée

VIDÉO VIDÉO

Assistances haptiques pour la micro-téléopération 9/39

Modification de la force attractive rendue

v Réduction de la plage dynamique rendue Ø  Modifie le rapport amplitudes

v Inversion de l'effort Ø Retrait de la poutre facilité

petites grandes

Assistances haptiques pour la micro-téléopération 10/39

Modification de la force au contact rendue

v Position de repos virtuelle Ø Équilibre au contact avec une force constante sur la pointe

Assistances haptiques pour la micro-téléopération 11/39

v Position de repos virtuelle & inversion

Ø  Valide les conditions en effort pour déposer par adhésion ou par roulement

Assistance évaluée

Assistances haptiques pour la micro-téléopération 12/39

v Simuler les phénomènes et les tâches exploratoires w Modélisation quasi-statique : état d'équilibre à chaque instant

transition entre états contact et non-contact

Simulateur interactif pour tests utilisateurs

position

forceforce

position

image image

Écran

Interface haptique

GraphismeSimulationphysique position &

flèche

force

position

Utilisateur

Couplage

Facteursd'échelle

Assistances haptiques pour la micro-téléopération 13/39

Évaluation pilote sur une dépose par adhésion

v Tâche w Déplacer 4 billes d'un substrat S1

à un substrat S2 plus adhérant, en formant une pyramide

w Effort minimum nécessaire pour la prise et la dépose

v Méthode w 7 étudiants novices w 3 conditions expérimentales

-  Sans haptique -  Avec haptique, sans assistance -  Avec haptique, avec assistance

w 3 essais x 3 conditions x 3 séries = 27 essais

Prise Substrat peu adhérant

Dépose Substrat très adhérant

S1 S2

Assistances haptiques pour la micro-téléopération 14/39

Évaluation sur une dépose par adhésion Résultats v Performances en temps et en précision

w Pas d'effet significatif des conditions expérimentales

v Effet d'apprentissage w Diminution significative du temps d'exécution de 32%

v Impressions subjectives w Meilleure rapidité avec le retour haptique w Meilleure précision avec le retour haptique et l'assistance

v Discussion et bilan w Performances très variables w Stratégie biaisée par l'apprentissage w  Impressions subjectives significatives

Rapidité Précision1

2

3

4

5

6

7Sans haptiqueAvec haptiqueAvec haptique et asssitance

Rapidité Précision1

2

3

4

5

6

7

Assistances haptiques pour la micro-téléopération 15/39

Étude pilote sur une dépose par roulement

v Tâche w Déplacer une bille prise par adhésion

et la déposer par roulement w Effort minimum pour faire rouler la

bille, sinon glissement bille/substrat w Cassure poutre

v Méthode w 5 chercheurs connaissant l'AFM w 3 conditions expérimentales

(idem évaluation précédente) w 4 billes x 3 conditions = 12 essais

Dépose par roulement

Assistances haptiques pour la micro-téléopération 16/39

Étude pilote sur une dépose par roulement Résultats v Effort maximal appliqué sur la poutre

w Diminution avec l'assistance haptique w Diminution du nombre de cassure avec le retour haptique

v Impressions subjectives w Tâche facilitée avec l'assistance haptique,

en particulier avec la position de repos virtuelle

v Discussion et bilan w Peu d'effet du retour inversé dans cette évaluation w Position de repos virtuelle 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

Assistances haptiques pour la micro-téléopération 17/39

Bilan sur les évaluations d'assistances haptiques

v Création d'un simulateur RV w Modèles physiques et expertise ISIR w Fidélité des comportements

v Assistances haptiques w  Inversion du rendu de l'effort de retrait w Semi-automatisation de l'effort de prise et dépose

v Deux évaluations pilotes w Premiers résultats encourageants w À confirmer avec plus de sujets ou en manipulation réelle

)( mesuréerendue FfF =

18/39

Plan de la présentation

1. Assistances haptiques pour la microtéléopération w Assistances haptiques w Simulateur interactif w Expériences pilotes

2. Retour haptique et analogie pour comprendre l’AFM w Méthode w Résultats w Discussion

3. Interface haptique pour toucher le nanomonde w Problématique w Principe de fonctionnement w Résultats expérimentaux

4. Conclusions et perspectives

Retour haptique et analogie pour comprendre l'AFM 19/39

Expérience utilisateur sur la compréhension

v Cycle approche-retrait v Questions

w Apport de l'haptique ? w Apport de l'analogie aimant-ressort ?

Représentations graphiques testées

Analogie aimant-ressort Poutre AFM

Retour haptique et analogie pour comprendre l'AFM 20/39

Expérience utilisateur sur la compréhension Méthode

v 45 étudiants v 4 conditions v 4 groupes

Explications Dessin Identification de courbe

Identification de courbe Questionnaire

Retour haptique et analogie pour comprendre l'AFM 21/39

Expérience utilisateur sur la compréhension Résultats – Identifications, temps, dessins

v Identification w Analogie aide au début w Haptique – influence de la raideur

v Temps w Plus rapide (30%) avec l'analogie, au début w Plus lent (50%) avec l'haptique, au début

v Dessins w Corrélation avec l’identification w Pas d'influence significative

1 2 3 4* 5 6 7 80

1

2

3

4

5

6

Nombre d'identifications de la simu 1

Haptique + Poutre Haptique + Analogie Sans haptique + Poutre Sans haptique + Analogie

Retour haptique et analogie pour comprendre l'AFM 22/39

Expérience utilisateur sur la compréhension Résultats – Analyse de composantes principales v Étude des corrélations entre les données

v Effets des conditions w  Haptique augmente le temps de traitement w  Haptique aide à comparer la raideur et le pull-off

v Stratégies complémentaires w  Raisonnement par analogie w  Notions d’élasticité linéaire et de dynamique rapide

-1 -0.5 0 0.5 1-1

-0.5

0

0.5

1

Choix 1

Choix 4

Dessin-temps

Dessin-note

Poutre

Analogie

Linéaire

AdhésionDynamique

Haptique actifCond. G.

Cond. H.

Facteur 1

Fact

eur 2

-1 -0.5 0 0.5 1-1

-0.5

0

0.5

1

Choix 1Choix 4

Dessin-temps Dessin-note

Poutre

Analogie

Linéaire

AdhésionDynamique

Haptique actif

Cond. G.

Cond. H.

Facteur 3

Fact

eur 4

Retour haptique et analogie pour comprendre l'AFM 23/39

Expérience utilisateur sur la compréhension Résultats – Préférences

v Conditions Haptique et Analogie très appréciées

v  Influence plus grande de l’haptique

Compréhension 1

2

3

4

5

6

7

Moyennes

1 2 3 40

10

20

30

40

Rang

Fréq

uenc

epa

rmi l

es 4

5 su

jets Haptique + Poutre

Haptique + Analogie Sans haptique + Poutre Sans haptique + Analogie

Retour haptique et analogie pour comprendre l'AFM 24/39

Expérience utilisateur sur la compréhension Résultats – Discussion v Analogie aimant-ressort

w  Effet significatif lors de la découverte du phénomène w  Analogie évoquée → meilleure identification w  Aide à comprendre le lien hystérésis – courbe AR

v Retour haptique w  Focalise sur les forces w  Meilleure perception de la raideur w  Attraction pré-collage non perçue

v Protocole expérimental

w  Tâche de dessin difficile à réaliser et à analyser

Retour haptique et analogie pour comprendre l'AFM 25/39

Bilan et perspectives

v Retour haptique w  Attention sur les forces impliquées w  Perception de l’influence de la raideur w  Temps de traitement plus long

v  Analogie aimant-ressort w  Aide au début de la compréhension w  Adaptée à un cours d’introduction sur l’AFM

v Perspectives w  Outil pédagogique w  Effet de l’haptique sur la mémorisation à long terme

26/39

Plan de la présentation

1. Assistances haptiques pour la microtéléopération w Assistances haptiques w Simulateur interactif w Expériences pilotes

2. Retour haptique et analogie pour comprendre l’AFM w Méthode w Résultats w Discussion

3. Interface haptique pour toucher le nanomonde w Problématique w Principe de fonctionnement w Résultats expérimentaux

4. Conclusions et perspectives

Interface haptique pour toucher le nanomonde 27/39

Interface haptique dédiée

v Dédiée au rendu de l’échelle nano w  Grande plage dynamique (104 : 1 mN à 10 N) w  Grandes accélérations

v Problématique w  Actionneur électromagnétique : fort couple → grande inertie Ø  Couplage de deux actionneurs

•  1 actionneur léger pour les composantes hautes-fréquences •  1 actionneur puissant asservi en effort

Ø  Couplage visqueux •  Pas d’énergie emmagasinée •  Commande simple et réactive : commande en vitesse

Interface haptique pour toucher le nanomonde 28/39

Principe de fonctionnement

v Commande

v Couplage par courants de Foucault

Gros moteur

Petit moteur

Coupleur visqueux

Impédance mécanique apparente

Couple maximal

Anneau

Aimants

Fer doux Anneau

B induit

J induit V anneau aimants

Vitesse caractéristique linéaire

Interface haptique pour toucher le nanomonde 29/39

Premier prototype

v  Identification w  Inertie de la sortie 150 10-7 kg.m2 w  Plage dynamique 0,2 – 45 mN.m

Coupleur visqueux à courants de Foucault

Inducteur

Induit en aluminium

Gros moteur

Petit moteur

Poignée

Inertie apparente avec l’asservissement en effort

Interface haptique pour toucher le nanomonde 30/39

Optimisation des performances Analyse théorique v Deux critères d’optimisation

w  Minimiser la constante de temps du 1er étage J1/b w  Minimiser l’inertie du 2ème étage J2

v Analyse théorique w  Hypothèses simplificatrices pour estimer b w  Nombreuses variables w  B dépend aussi de la géométrie

v Quelques indices w  Rapport /ρal à minimiser → induit en aluminium non allié w  Maximiser le champ magnétique → aimants NdFeB

Ø  Analyse numérique multiphysique nécessaire

Interface haptique pour toucher le nanomonde 31/39

Optimisation des performances Analyse numérique multiphysique v Paramètres étudiés

w  Nombre d’aimants optimal w  Largeur de l’induit → dépasser hauteur aimant w  Espace d’air entre aimants et induit → minimiser

Simulation d’une demi-boucle magnétique

Densité des courants induits dans l’induit

Interface haptique pour toucher le nanomonde 32/39

Performances obtenues

v  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

Interface haptique pour toucher le nanomonde 33/39

Étude du cycle limite avec un ressort virtuel

v Analyse d’un système haptique oscillant w  Viscosité b, frottement sec c, masse m w  Ressort virtuel de raideur k w  Retard pur T

Ø  Condition nécessaire et suffisante de stabilité

w  Linéarisation autour de φ=π/2

Interface haptique pour toucher le nanomonde 34/39

Étude du cycle limite avec un ressort virtuel Résultats expérimentaux v Mesures sur le RE35

w  Fréquence limite bien estimée w  Vitesse maximale sous-estimée

v Mesures sur le proto w  Influence du correcteur w  Asservissement limité par une

résonance du moteur RE35 w  Fréquence d’oscillation plus

grande avec le prototype

PHOTO RE35 seul

Interface haptique pour toucher le nanomonde 35/39

Comparaison avec les capacités humaines

v Spécifications pour une poignée de Ø70 mm

v  Inertie apparente similaire, sous certaines conditions w  Asservissement suffisamment rapide w  Commande stable

v Frottements résiduels w  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

Conclusions et perspectives 36/39

Bilan et perspectives

v Nouvelle approche d’actionneur à 2 étages w  Large plage dynamique & faible inertie w  Critères de conception du couplage visqueux w  Prototype fonctionnel

v Analyse de la stabilité par l’étude du cycle limite w  Nouvelle condition de stabilité w  Mise en évidence de l’influence du correcteur

v Perspectives w  Expériences supplémentaires (détection de pic à une vitesse donnée) w  Commande plus avancée w  Nombreuses applications potentielles

Conclusions et perspectives 37/39

Conclusion

v Télémciromanipualtion perception utilisateur v Solution pour améliorer pour la manipulation (tache)

& la physique (pédagogique) v Assistances haptiques sur l’effort rendu v Analogie visuelle pour les phénomènes

nanophysiques v Evaluation utilisateur v Nouvelle approche d’actionneur v Analyse de la stabilité au cycle limite v Prototype avec de grandes capacités de perception

Conclusions et perspectives 38/39

Perspectives

v Contibaution des assisatncs haptqiues / stratgiées

v Manip réelle et évaluation in situ

v Méthode d évaluation simplifiée du point de vue tâche

v Application du prototype pour la perception du nanomonde

v Plusieurs axes

39/39

Merci de votre attention