Static and dynamic haptic feedback using time reversal and electrovibration stimulations
Retour tactile statique et dynamique utilisant le retournement temporel et l'électrovibration
Résumé
The current haptic feedback in end user products provides limited tactile interactions and is less efficient than physical keyboards for typing. Most people are used to the simple tactile feedback available in smartphones. However, it is very limited, and can only convey little information: silently signaling a phone call, notifying an incoming message or acknowledging touch inputs when typing on a virtual keyboard. Although advances are made to enrich existing technologies in hand-held devices, such as more efficient actuators with broader ranges of vibrations to emulate buttons or textures, they remain limited to a single point feedback. This prevents any simultaneous multi-user scenario.This work aims to develop static and dynamic haptic feedback on large surfaces (A4 format). Interaction with screen based devices is in need of better and richer haptic feedback. Two types of feedback with complimentary performance are identified as necessary to enrich tactile interactions. Time reversal, as a static feedback technology, is studied to simulate a button press. Electrovibration, as a dynamic feedback, is investigated to simulate tactile textures or to differentiate specific areas of interaction.An analytical model based on Kirchhoff's equation for wave propagation to compute the spatial resolution of time reversal of flexural waves applied to plates is presented. Measurements on a physical system are confronted to the model's prediction. Design guidelines are elaborated and used to develop a new time reversal enabled screen with adapted drive electronics, on a 1.1 mm thick glass plate. Driving signal alternatives are investigated. Signals quantified on one bit (i.e. square type signals) with audible frequencies filtered out are found to be the most efficient in terms of amplitude generation and audible noise emission. Integration issues, such as the actuators’ distribution on the plate and their impact on focalisation point's amplitude and spatial resolution homogeneity are investigated. The effect of the fingertip pressure on the amplitude vibration is studied (6% loss of amplitude due to a 2N force applied by a fingertip on a position other than the focalisation location, and up to 37% for the same force at the focus point's location).The detection threshold measured on ten users is found to be about 10 µm and is not influenced by the force applied on the screen. While a single impact (one impulse) demonstrates the feasibility of time reversal for tactile feedback, a repetition of impacts varying in amplitude offers the possibility to generate richer haptic feedback (such as a button click). Patterns with different repetition frequencies and envelopes are compared in a user study. It appears that frequencies of 200 Hz and the smoothness of the cardinal sine envelope are found to be the best in terms of pleasantness.On the other hand, electrovibration stimulations are able to create a texture feedback by modifying the apparent friction coefficient between the fingertip and the surface. The electrostatic force generation depends on the fingertip skin's thickness. The mechanoreceptors detection threshholds are frequency dependent. A user study on the influence of the applied force on the perception threshold of tactile feedback is presented. The minimum perception thresholds are observed for 240 Hz stimulus. The effect of the applied force appears to have limited effect on the perception threshold.The combination of both stimulation approaches (time reversal and electrovibration) on a single surface will offer a rich multi-point tactile feedback, both for static buttons and dynamic textures.
Le retour haptique disponible aujourd'hui dans les produits grand public est d'un intérêt limité pour les interactions tactiles et moins efficace que l'utilisation d'un clavier physique pour la saisie de texte. Relativement simple, celui-ci ne peut communiquer que peu d'informations : signaler silencieusement un appel, notification de messages ou confirmation de frappe de touches sur clavier virtuel. Bien que des améliorations aient été apportées aux technologies haptiques existantes, comme des actionneurs plus performants et des gammes de vibrations plus larges afin de simuler des boutons ou des textures, elles restent limitées à un retour tactile unique. Ceci empêche tout usage multi-doigts ou multi-utilisateurs en simultané.Ce travail vise à développer un retour tactile statique et dynamique sur grande surface (format A4). Les interactions avec les écrans tactiles nécessitant un retour tactile plus riche et plus performant, deux types de retour complémentaires ont été identifiés afin de les enrichir. Le retournement temporel des ondes de flexions dans les plaques est étudié afin de simuler l'appui sur un bouton (retour statique). La 2ème approche se base sur la stimulation par électrovibration, qui permet de simuler des textures ou de différencier des zones d'interactions (retour dynamique). Afin d’estimer de manière précise la résolution spatiale du procédé tactile par retournement temporel, un modèle analytique basé sur l'équation de Kirchhoff est proposé. Des mesures expérimentales confrontées au modèle ont permis de le valider. Par ailleurs, des règles de conception sont élaborées et appliquées pour le développement d'un nouveau prototype avec une électronique dédiée sur une plaque en verre de faible épaisseur (1.1 mm). Différents types de signaux de commande sont étudiés. La quantification sur un bit (i.e. signaux de forme carré) avec filtrage des fréquences audibles s’avère être l'alternative la plus efficiente en terme d'amplitude de déplacement générée et de réduction des émissions sonores. Des problématiques de dimensionnement, comme le placement des actionneurs, l'homogénéité de la résolution spatiale et l'amplitude de déplacement sont analysées. L'effet de la force d'appui du doigt sur l'amplitude de déplacement est quantifié (6 % de perte d'amplitude dû à une force d'appui de 2 N sur une localisation autre que le point de focalisation, et jusqu'à 37 % pour la même force d'appui sur le point de focalisation).Le seuil de détection d'une focalisation par retournement temporel mesuré sur 10 utilisateurs se situe à environ 10 µm et est peu influencé par la force d'appui de l'utilisateur sur l'écran. En répétant la focalisation des ondes de manière à former un signal modulé en amplitude, il devient possible de générer des retours tactiles enrichis, notamment de simuler le comportement du clic d’un bouton poussoir. Des motifs avec des fréquences de répétition et des enveloppes différentes sont comparés. Il apparaît qu'une fréquence de 200 Hz et une enveloppe en sinus cardinal sont les plus plaisants pour l’utilisateur.Par ailleurs, l'électrovibration produit des stimuli capables de reproduire une sensation de texture, en modifiant le coefficient de friction entre le doigt et la surface à explorer. L’intensité de ces stimuli dépend de l'épaisseur de peau du bout du doigt. Les seuils de détection des mécanorécepteurs sont dépendants de la fréquence du signal appliqué. Une étude utilisateur ayant pour but de déterminer l'influence de la force d'appui sur le seuil de détection d’une stimulation par électrovibration a été conduite. Les seuils minimaux ont été observés pour une fréquence de 240 Hz. La force d'appui a une influence limitée sur les seuils de détection.La combinaison des deux approches de stimulations (retournement temporel et électrovibration) sur une même surface offre un retour tactile riche et multi-point pour une interaction statique (simulation de clics) et dynamique (simulations de textures).
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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