Haptic perception and device for nanoscience

Perception et interface haptique pour les nanosciences

Guillaume Millet (1)

1 ISIR - Institut des Systèmes Intelligents et de Robotique

Teleoperation is a unique way to interact at micro- and nanoscopic scales where the limits of human sensory perception are exceeded. The applications such as micro/nanosystems design or nanotechnology teaching may develop in this promising research field. This work investigates the issue of haptic perception and device for nanoscience, from the point of view of potential users. The key points of this work are organized in two parts. The first part describes a detailed analysis of user perception with a set of evaluations, first, on task-based experiments (where the perception of the phenomena is not essential compared to the achievement of the task), then, on experiments based on the understanding of the phenomena in an education context. The core of this analysis is based on the development of a simulation setup and the research of haptic aids dedicated to complex manipulation strategies and of behavioral analogies for the understanding of atomic force microscopy. The second part addresses the design of a high-fidelity haptic device for rendering nanoscale forces. A novel approach of actuation is proposed, consisting of two viscously coupled motors, in order to provide a large dynamic scale and a very small inertia. The two prototypes developed show that this system can approach or exceed human motor and sensory performance.

La téléopération est un moyen unique pour interagir aux échelles micro et nanoscopique où la perception sensorielle de l'homme a dépassé ses limites. Des applications comme la conception de micro/nanosystèmes ou l'enseignement des nanotechnologies peuvent trouver leur expression dans ce thème prometteur de recherche. Cette thèse aborde la problématique de la perception et d'une interface haptique pour les nanosciences, sous l'angle des utilisateurs potentiels. Les points clés de ce travail se déclinent en deux parties. La première décrit une analyse détaillée de la perception utilisateur à l'aide d'un ensemble d'évaluations, dans un premier temps sur des expériences ciblées tâche (où la perception des phénomènes n'est pas primordiale comparée à la résolution de la tâche), puis sur d'autres orientées compréhension des phénomènes dans une démarche pédagogique. Le cœur de ce travail d'analyse s'articule autour de la définition d'une plate-forme de simulation, et la recherche d'assistances haptiques dédiées à des stratégies complexes de manipulation et d'analogies comportementales pour la compréhension de la microscopie à force atomique. La deuxième partie aborde la conception d'une interface haptique à haute fidélité pour l'échelle nanoscopique. Une nouvelle approche d'actionnement est proposée, où deux moteurs sont couplés visqueusement afin d'obtenir une interface à large plage dynamique et à faible inertie. Les deux prototypes réalisés montrent que ce système peut approcher voire dépasser les besoins dérivés des capacités motrices et perceptuelles de la main humaine.

Mots clés: user test; haptic aid; analogy; haptic device; nanoscience

Mots clés: évaluation utilisateur; assistance haptique; analogie; interface haptique; micromanipulation; nanosciences

Domaines: Automatique / Robotique

Guillaume Millet. Perception et interface haptique pour les nanosciences. Automatique / Robotique. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2009. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00555597⟩