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The use of muti-modal haptic feedback to convey various aspects of touch sensitivity

Motamedi, Mohammadreza (2015). The use of muti-modal haptic feedback to convey various aspects of touch sensitivity. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Despite much progress in the development of prosthetic limbs, the lack of touch sensitivity remains a significant problem: prosthetic limbs still do not provide any tactile feedback to users, requiring continuous visual attention from the user during task accomplishment. This thesis examines how haptic technology, based on exteroceptive feedback from the motion of the prosthesis, can be used to remedy this situation. We hypothesize that a portable haptic device can complete the communicational loop between the prosthetic limb and the user, by stimulating the mechanoreceptors in the skin of an unimpaired part of the user’s body.

We began our research by investigating the relative effectiveness of three types of haptic feedback - normal stress, tangential force, and vibrotactile stimulation - in order to determine which type of haptic feedback performs best under static conditions. Results indicated that normal stress stimulation is the most effective under static conditions; it is therefore the best of the three options at conveying a sense of pressure to the user, such as the grasping force applied by the prosthetic limb during object manipulation. Based on this result, we developed a novel wearable haptic device that provides the user with knowledge of a normal force, by applying pressure at three different locations on the user’s body. We then investigated how the simultaneous application of two different types of haptic feedback impacts human sensory perception, how vibrotactile stimulation can be used to convey a sense of texture, and how the amount of training that the human subjects receive affects their ability to successfully use the haptic system. Finally, our haptic device was integrated within a robotic system and we verified its effectiveness for use during pressure and texture recognition tasks.

Ultimately, our work contributes new knowledge about the relative effectiveness of different types of haptic feedback under static and dynamic modalities, so that haptic systems may be optimized for use under the conditions demanded by industrial and biomedical applications.

Titre traduit

L'utilisation d'un retour haptique multimodal afin de transmettre divers aspects de la sensibilité tactile

Résumé traduit

Malgré les grands progrès survenus dans le développement des prothèses, le manque de sensibilité tactile reste un problème important: les prothèses ne fournissent toujours pas de rétroaction tactile aux utilisateurs, nécessitant donc leur attention visuelle continue lors de l’accomplissement d’une tâche. Cette thèse étudie la façon dont la technologie haptique, en fonction du retour extéroceptif généré grâce au mouvement de la prothèse, peut être utilisée pour remédier à cette situation. Nous émettons l’hypothèse qu’un dispositif haptique portable peut compléter la boucle communicationnelle entre la prothèse et l’utilisateur, en stimulant les mécanorécepteurs de la peau d’une partie intacte du corps de usager.

Nous avons commencé notre recherche en enquêtant sur l’efficacité relative de trois types de retour haptique - le stress normal, la force tangentielle ainsi que la stimulation vibrotactile - afin de déterminer quel type de rétroaction haptique fonctionne le mieux dans des conditions statiques. Les résultats ont indiqué que la stimulation de la contrainte normale est le type le plus efficace dans des conditions statiques; il constitue donc la meilleure des trois options pour transmettre une sensation de pression à l’utilisateur, telle que la force de préhension appliquée par la prothèse lors de la manipulation d’un objet. Sur la base de ce résultat, nous avons développé un nouveau dispositif haptique portable qui fournit à l’utilisateur la reconnaissance d’une force verticale, par application d’une pression à trois endroits différents sur son corps. Nous avons ensuite investigué l’impact de l’application simultanée de deux types de rétroaction haptique différents sur la perception sensorielle humaine, la façon dont la stimulation vibrotactile peut être utilisée pour transmettre une sensation de texture et les répercussions de la quantité d’entraînement reçue par des sujets humains sur leur capacité à utiliser avec succès le système haptique. Enfin, notre dispositif haptique a été intégré au sein d’un système robotique et nous avons vérifié son efficacité dans le cadre de tâches d’application de pression et de reconnaissance de la texture.

Notre travail contribue donc à établir de nouvelles connaissances sur l’efficacité relative des différents types de rétroaction haptique dans des conditions statiques et dynamiques, de sorte que les systèmes haptiques puissent être optimisés pour des conditions telles que celles exigées par les applications industrielles et biomédicales.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment of the requirements for the degree of doctor of philosophy". Bibliographie : pages 147-154.
Mots-clés libres: Interfaces haptiques Conception et construction. Toucher. Transducteurs. Mécanorécepteurs. Proprioception. Bras artificiel. Prothèses Conception et fabrication. Robotique en médecine. rétroaction tactile, sens du toucher, actuateur par câble, modalités statique et dynamique, extéroception
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Duchaine, Vincent
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Bigras, Pascal
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 21 déc. 2015 20:44
Dernière modification: 10 déc. 2016 16:58
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/1582

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