Soutenance mémoire
Montage utilisé
Dans le cadre de l’expérimentation, les sujets étaient confrontés à 3 types de stimulus différents dans un ordre aléatoire. Ces stimuli étaient transmis par trois appareils haptiques différents attachés à tour de rôle sur l’avant-bras des sujets. Ces 3 appareils étaient capables respectivement d’appliquer sur la peau un effort normal, un effort tranchant ainsi qu’une vibration. Les figures 1.2, 1.3 et 1.4 montrent ces appareils. L’idée de confronter ces trois types de rétroactions haptiques provient du fait que chacun de ces appareils stimule des mécanorécepteurs différents. Alors que l’appareil appliquant une pression normale à la surface de la peau stimule principalement les disques de Merkel, celui appliquant un effort tranchant stimule plutôt les terminaisons de Ruffini et dans une moindre proportion les disques de Merkel. L’appareil vibrotactile, lui, stimule une famille de récepteurs complètement différents de type dynamique par opposition à statique, c’est à dire, les corpuscules de Pacini.
Ce n’est pas parce que les évènements tactiles de type pression sont captés par les disques de Merkel, situés à l’extrémité des doigts. que la solution optimale pour les restituer est de venir stimuler ces mêmes récepteurs. Tel que mentionné plus haut, les proportions et le nombre de mécanorécepteurs varient selon l’endroit du corps. De plus, à titre d’exemple, on pourrait sans doute transmettre adéquatement l’information de l’intensité de la pression appliquée à l’extrémité de la prothèse en envoyant un stimulus non tactile tel qu’un signal visuel d’intensité variable. Cet exemple dépasse nos intentions ici qui est de restituer le sens du touché en utilisant le sens du touché à un endroit autre sur le corps, ceci toutefois illustre la pertinence de venir étudier lequel des différents canaux d’informations tactiles est à privilégier afin de restituer l’information de pression captée à l’extrémité d’une prothèse de la main. Le déplacement maximum pouvant être imposé par l’actuateur des deux appareils permettant l’application d’un effort statique était de 15 mm, pour une force maximum de 10 N sur une aire de 1 cm2. L’appareil vibrotactile, lui, était commandé de manière à ce que l’amplitude de vibration soit variable selon l’intensité du stimulus désirée, mais toujours à une fréquence constante. La valeur choisie de la fréquence fixe était de 250 Hz, une valeur connue dans la litté9 rature correspondant au maximum de la sensibilité humaine [Bark et al. (2008); Wheeler et al. (2010); Green (1977)].
La plupart des téléphones cellulaires sur le marché vibrent d’ailleurs autour de cette fréquence lorsque mis en mode silencieux afin de maximiser les chances de perception. L’actuateur vibrotactile utilisé est un système de type « coil » nommé Haptuator et produit par l’entreprise montréalaise spécialisée dans l’haptique, TactileLabs. Contrairement aux actuateurs vibrotactiles à masse excentrique communément utilisés, l’Haptuator permet de commander la fréquence de la vibration indépendemment de son amplitude d’une manière excessivement similaire à un haut-parleur. La commande de ces trois appareils a été effectuée via une carte microcontrôleur basée sur le DSP 56807 de Freescale reliée à une interface utilisateur via une connexion série de type RS232. Sur ce montage était aussi connecté un capteur de force uniaxial 0-50 N fabriqué par l’entreprise Phidget.
L’expérimentation consistait en un premier temps à envoyer avec un des trois appareils décrits plus haut, un stimulus d’une intensité donnée à un sujet pour une durée de 30 secondes. Suivant cette étape, le sujet devait appliquer avec son doigt une force sur un capteur d’effort qui générait à son tour un stimulus sur le même appareil haptique disposé sur son bras. Le sujet devait appliquer et maintenir (réguler) cette force de manière à reproduire en intensité le stimulus qui lui avait été appliqué initialement. La force ainsi appliquée était enregistrée afin d’être comparée à la force théorique attendue du sujet. La figure 1.4 montre le montage utilisé. Cette expérience était effectuée pour 5 forces différentes, soit 2, 4, 6, 8 et 10N, ainsi que pour les trois types d’appareils haptiques, totalisant ainsi 15 courbes enregistrées à 10 Hz pour chaque sujet. Les figures 1.5, 1.6 et 1.7 montrent des exemples de courbes obtenues pour un sujet et pour les trois types de stimuli appliqués. Les lignes parfaitement droites montrent la force attendue et la courbe de même couleur, la force appliquée sur le sujet. Quoique cette tâche implique aussi l’effet de la mémoire des sensations tactiles, celle-ci permet avant-tout de quantifier la capacité des sujets à évaluer l’intensité d’une sensation extéroceptive de type pression en se basant uniquement sur la stimulation mécanique de ses différents mécanorécepteurs. Ainsi, on peut imaginer que pour l’appareil permettant la meilleure association entre les deux, un sujet avec un membre artificiel serait capable de bien évaluer la pression appliquée par les doigts de sa prothèse en se basant uniquement sur l’information haptique transmise par l’appareil portatif positionné sur son avant-bras.
Résultats
Les 180 différentes courbes récoltées lors de l’expérimentation représentent près de 30 000 données. Celles-ci ont été analysées selon différentes métriques statistiques afin de déterminer quel type de stimuli permet la meilleure restitution des sensations extéroceptives de pression. Il est à noter qu’afin d’éviter que le régime transitoire (le moment ou le sujet commence à appli quer une force) fausse nos données, seules les 10 dernières secondes de chaque expérimentation ont été gardées. Pour chacun des sujets et pour chaque appareil utilisé, 5 différentes courbes correspondant à 5 forces différentes demandées ont été obtenues. Pour chacune de ces courbes, l’erreur moyenne entre la force réellement appliquée par le sujet et la force espérée ainsi que la variance de cette erreur furent calculées. Afin de quantifier la performance de chaque participant, l’erreur moyenne ainsi que la variance obtenue pour chacun des cinq essais se devait d’être combinée respectivement en une métrique unique afin d’avoir un indicateur clair de la performance de chaque sujet pour chaque appareil et pour l’ensemble de la tâche donnée. Les 5 moyennes ainsi que les 5 variances ont été combinées selon deux fonctions différentes, soit la somme des composantes en valeur absolue du vecteur d’erreurs ou de la variance des essais, et la norme infinie de ces vecteurs.
Ces deux façons de calculer l’erreur globale de tous les essais pour un sujet avec un appareil donné renvoient définitivement deux valeurs complètement différentes qui font en sorte que l’erreur pourrait apparaitre comme étant la plus petite avec tel appareil selon la norme 1 et être minimale avec un autre appareil selon la norme infinie. À titre d’exemple, une erreur de même ordre de grandeur pour chacun des essais pourrait conduire à un bon résultat selon le critère de la norme infinie alors qu’elle peut être la pire solution selon le critère de la somme des composantes de ce vecteur (norme 1). Les figures 1.8 et 1.9 présentent les résultats obtenus selon les deux métriques statistiques discutées plus haut. Un point tendant vers l’origine de ces graphiques représente une situation optimale puisqu’il correspond à une erreur minimale et une variance quasi nulle. En se basant sur la moyenne obtenue pour chacun des appareils et pour l’ensemble des tests effectués, on remarque que l’appareil haptique appliquant une pression normale à la surface de la peau semble conduire à l’erreur et la variance la plus petite et ce, peu importe qu’elle métrique est utilisée. Un test ANOVA à un seuil de 95% nous dit toutefois que l’avantage de celui-ci n’est pas statistiquement significatif.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 ÉTUDE DES DIFFÉRENTS CANAUX D’INFORMATIONS PERMETTANT LA RESTITUTION DE L’INFORMATION EXTÉROCEPTIVE DE PRESSION
1.1 Expérimentation
1.1.1 Montage utilisé
1.2 Résultats
1.3 Conclusion
CHAPITRE 2 ÉTUDE DES TECHNIQUES D’ACTIONNEMENT PERMETTANT UN MOUVEMENT LINÉAIRE
2.1 Air comprimé
2.2 Moteur et transmission
2.3 Actionneur microfluidique
2.4 Actionnement linéaire par câbles torsadés
2.5 Conclusion
CHAPITRE 3 ÉTUDE DE LA MÉTHODE D’ACTIONNEMENT LINÉAIRE PAR CÂBLES TORSADÉS
3.1 Analyse cinématique
3.1.1 Valeur initiale
3.1.2 Valeur finale
3.2 Analyse statique
3.3 Validation expérimentale
3.3.1 Montage expérimental
3.3.2 Validation des équations de la cinématique
3.3.3 Validation des équations statiques
3.3.4 Analyse des résultats
3.4 Correction du modèle
3.4.1 Correction du modèle cinématique
3.4.2 Correction du modèle statique
3.5 Conclusion
CHAPITRE 4 CONCEPTION DU DISPOSITIF HAPTIQUE BASÉ SUR LE SYSTÈME DE CÂBLES TORSADÉS
4.1 Premières ébauches
4.2 Choix des composantes et calculs associés
4.2.1 Ressort
4.2.2 Câble
4.2.3 Moteur
4.2.4 Piston
4.2.5 Capteur de position
4.3 Conception du modèle
4.3.1 Piston
4.3.2 Support à capteur
4.3.3 Boîtier principal du modèle
4.3.4 Conclusion
CHAPITRE 5 COMMANDE DU DISPOSITIF HAPTIQUE ET ENVIRONNEMENT LOGICIEL
5.1 Introduction
5.2 Analyse
5.2.1 Première analyse : boucle de contrôle
5.2.2 Deuxième analyse : acquisition et transmission de signaux des composantes
5.2.3 Troisième analyse : Diagramme de séquence et protocole de communication
5.3 Développement
5.3.1 DSP
5.3.1.1 Capteur de position
5.3.1.2 Boucle de commande
5.3.1.3 Paquet
5.3.2 Interface utilisateur par patron MVC
5.3.2.1 Patron observeur
5.3.2.2 Modèle
5.3.2.3 Vue
5.3.2.4 Contrôleur
5.4 Validation expérimentale
5.4.1 Test de force
5.4.2 Test de positionnement
5.4.2.1 Constante de temps
5.4.2.2 Temps de monté
5.4.2.3 Temps de réponse
5.5 Conclusion
BIBLIOGRAPHIE
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