Procédé Tactile à Diffraction Ultrasonore

L’évolution technologique induit la généralisation des fonctions d’interface homme-machine, IHM, qui permettent à un ou plusieurs utilisateurs de communiquer avec un dispositif chargé de réaliser une action ou fournir une information ([CAR83], [SEA07]). Ces interfaces servent à transmettre un ordre humain vers le dispositif ou à relayer une information du dispositif vers l’humain, au travers des périphériques d’entrée ou des périphériques de sortie .

Les périphériques d’entrée, comme le clavier, la souris, ou le scanner permettent à l’homme de donner des renseignements ou des ordres à la machine. Les périphériques de sortie comme l’écran, des diodes ou l’imprimante permettent à la machine de répondre aux ordres et d’afficher des informations. Par une interface visuelle (écran, afficheur LED, etc.), l’homme a su trouver les moyens technologiques et les logiciels pour transmettre et synthétiser l’information visuelle, réelle ou imaginaire et pour lui permettre d’interagir avec cette information. Il en est de même pour le son et le son tridimensionnel (enregistreurs microphones, écouteurs, cartes de génération de son de synthèse 3D, etc.). En sus de ces informations visuelles et auditives, les retours haptiques sont perçus comme une source d’informations complémentaires mais parfois nécessaires pour certaines applications ne pouvant tolérer la charge cognitive induite par la multiplicité des informations visuelles.

L’haptique désigne « la science du toucher et ce qui concerne la sensibilité cutanée « (dictionnaire Larousse). Le mot haptique provient du grec haptein qui signifie toucher. Au contraire de la perception cutanée considérée passive et qui résulte de la stimulation d’une partie de la peau, la perception haptique est considérée comme étant un sens actif [BEN04]. Sa mise en œuvre est issue d’une interaction physique ou contact avec l’environnement par des mouvements actifs d’exploration. Le fonctionnement perceptif haptique est étroitement associé à la fonction motrice chez l’être humain et présente des caractéristiques particulières. Celui-ci est par exemple différent de la vision ou de l’audition où le prélèvement d’information ne modifie pas physiquement son support. La perception haptique met en jeu un phénomène complexe et encore mal compris, d’échange de paramètres de natures physiques diverses entre l’homme et les objets de son environnement [HAF05][NIK07a]. La modalité haptique comporte à la fois la kinesthésie et le tactile. Les frontières, si bien physiologiques que psychophysiques, ne sont d’ailleurs pas très clairement établies. Il s’agit de kinesthésie ou proprioception [GOS05] quand l’information obtenue est issue des stimulations durant une contrainte sur le mouvement ou quand une force externe est appliquée. Alors qu’il s’agit de tactile [BEN02][BEN03] quand l’information est le résultat des stimulations issues d’un contact fin, précis ou léger de la peau avec diverses matières. En réalité virtuelle, une interface tactile doit être en mesure d’exciter tous ou un des différents capteurs biologiques de la peau comme le récepteur pour la perception d’une touche. Ils sont nocicepteurs, thermorécepteurs et mécanorécepteurs [PER79]. Chaque capteur biologique possède sa propre fonction de perception. Au début du XIXe siècle, Pacini (1840) découvrait des corpuscules sous le derme. En 1852, les chercheurs Meissner et Wagner, mettent en évidence l’existence de corpuscules du tact dans le derme. Puis furent découverts les corpuscules de Ruffini, les terminaisons libres et les corpuscules de Krause et Golgi Mazzoni (1860). La plupart des capteurs biologiques prenant en compte la perception des différentes modalités d’excitation tactile sont intégrés à la peau. Ces différents travaux et ceux qui suivirent allaient dans le sens d’une différenciation du toucher : tact fin, douleur et température. Il faut attendre ensuite la fin du XIX siècle et les travaux de Blix, Max Von Frey et Goldscheider (1894-1896) pour que ces différentes sensations soient clairement explorées et que soient réalisées des corrélations entre les récepteurs, leur localisation et une sensation (de tact, de chaud, de froid et de douleur). Au début de la micro-électronique, les moyens de communication avec les systèmes informatiques étaient restreints au clavier alphanumérique. Puis, d’autres moyens tels que la souris et le stylet sont apparus. Plus récemment, des écrans tactiles ont été développés et commercialisés. Ce sont des interfaces, qui exploitent la perception tactile pour transmettre l’information entre l’homme et la machine.

La technologie résistive 

Parmi les cinq types de détection tactile, la technologie résistive [MOR00] est la technologie la plus économique et la plus utilisée actuellement. Les systèmes résistifs analogiques sont constitués d’une plaque de verre dont la surface est conductrice. Celle-ci est recouverte par un film plastique dont la « sous face » est conductrice. Ces 2 couches sont tenues distantes par de microscopiques cales d’espacement; de plus, une couche additionnelle est ajoutée en surface pour éviter les égratignures (créées par exemple par les pointes des stylets). Un courant électrique s’est établit dans les 2 faces conductrices. Lorsque l’usager touche avec la pointe d’un stylet (ou d’un doigt), la pression exercée amorce un contact entre les 2 faces électrifiées. La variation des champs électriques de ces deux faces conductrices permet de déterminer les coordonnées du point de contact. Une fois les coordonnées déterminées, un traitement logiciel est déclenché.

Technologie capacitive 

La technologie capacitive de surface [BAX96] consiste en un revêtement conducteur uniforme sur une dalle de verre. Lors de l’utilisation, des électrodes placées sur le bord de la dalle répartissent un courant de faible tension de manière égale sur toute la couche conductrice, créant ainsi un champ électrique uniforme. Lorsqu’un doigt touche la surface, cela a pour effet de modifier la répartition du champ électrique. Le système d’exploitation se charge alors de convertir cette perturbation en coordonnées qui déterminent le point de contact du doigt. La technologie capacitive projetée consiste en une surface capacitive entre deux plaques de verre. La surface de contact est une plaque de verre qui n’est pas sensible aux rayures. Elle peut être renforcée au besoin avec un verre blindé. L’avantage majeur des systèmes capacitifs par rapport aux résistifs est l’absence de seuil de force d’interaction, la plus grande robustesse aux rayures et la capacité de transmettre la lumière au travers de la surface et donc une meilleure clarté, tout en assurant un rendement supérieur. En effet, 90% de la lumière peut traverser une surface capacitive alors qu’au maximum 75% de la lumière pourra traverser les systèmes résistifs, d’ou une meilleure clarté d’image obtenue par les systèmes capacitifs. Un exemple d’un écran tactile multi touchers transparent basé sur un principe de technologie capacitive est développé par Appel Inc. [HOT05]. Il est réalisé par une couche d’électrodes transparentes et une matrice de nœuds de capteurs capacitifs pixélisés. Le procédé permet d’identifier et de discriminer la nature du contact multiple (pouce, paume) par une segmentation de l’image tactile et par une identification du motif pixellisé avec des taches prédéfinies.

Technologie à infrarouge 

Un écran tactile à technologie infrarouge prend la forme d’un réseau de capteurs de rayonnement infrarouge, horizontal et vertical. Ces capteurs créent une grille infrarouge invisible qui s’interrompt lors du contact du doigt de l’utilisateur sur l’écran (de façon à éviter les interférences entre détecteurs). Récemment un écran d’affichage à détection tactile basé sur l’infrarouge a été développé par LG Philips LCD Co LTD [CHU08]. Cet écran d’affichage à détection tactile comporte un substrat supérieur transparent, un substrat inférieur opposé au substrat supérieur et une source de lumière infrarouge (IRS), configurée de façon à éclairer une portion du substrat transparent supérieur. Une couche de conversion de lumière (CONV) est disposée entre le substrat supérieur et inférieur et est configurée de façon à convertir la lumière infrarouge reçue par le substrat transparent supérieur en lumière visible. Un transistor à couches minces de pixel placé sur le substrat inférieur est configuré de façon à activer une électrode de pixel (PXLE), et un transistor à couches minces à détection de lumière (TFTSS) est configuré de façon à détecter la lumière visible fournie par la couche de conversion de lumière (CONV) en vue de localiser un toucher. Les écrans tactiles à infrarouge sont résistants et de ce fait sont souvent utilisés pour les applications militaires ou dans les environnements pollués.

Technologie à jauges de contrainte 

Quatre jauges de contraintes sont installées dans les quatre coins de l’écran et sont utilisées afin de déterminer la déflexion induite par la pression d’un doigt ou d’un stylet sur l’écran. Cette technologie [MIN84] [KEU08] peut également déterminer le déplacement (généralement assez faible) qu’induit la pression sur l’écran. Cette technologie permet la réalisation des systèmes robustes (blindés). Ainsi, elle est utilisée pour équiper les bornes de réservation de billets d’interfaces tactiles, celles-ci étant fortement exposées au vandalisme.

L’imagerie optique 

L’application de l’imagerie pour la technologie tactile est récente. Le principe de ce procédé est de placer deux ou plusieurs capteurs d’image sur les bords (en général sur les coins) de l’écran. Des sources infrarouges sont alors placées dans le champ de la caméra de l’autre côté de l’écran. Une touche apparaît comme une ombre et chaque paire de caméras peut ensuite être triangulée pour localiser le toucher ou même pour mesurer la taille de l’objet qui la touche (voir enveloppe visuelle). Cette technologie est de plus en plus répondue en raison de son évolutivité, sa polyvalence et son prix abordable. Elle convient pour des interfaces de taille allant jusqu’à 20 pouces [HAN05].

Technologie acoustique 

Parmi les procédés robustes, de faible épaisseur, de faible encombrement, et de rapport coût/performance acceptable il y a les procédés mettant en œuvre des ondes acoustiques de surface [ADL85]. Ils sont basés sur une mesure d’absorption d’un train d’ondes à un instant précis, caractéristique de la position du toucher et correspondant à un chemin acoustique et donc un temps de transit précis le long d’une ligne de coordonnée x et une colonne de coordonnée y de la dalle. Pour cela, un réseau de réflecteurs est gravé à la surface du verre, sur au moins 2 bords de la dalle et avec une orientation de 45°. Ce procédé est caractérisé par une bonne résolution et une bonne sensibilité. Il est commercialisé avec succès pour des écrans de taille courante ne dépassant pas 20 pouces. Les améliorations régulièrement apportées concernent le traitement et la composition du verre, le type de capteur à utiliser pour engendrer les ondes de surface, les méthodes d’émission- réception et de gravure, ainsi que la miniaturisation de l’électronique d’amplification et de traitement. Le point faible de ce procédé reste son utilisation pour des dalles de petite taille, les conditions d’intégration de la dalle ainsi que les erreurs liées à l’accumulation de salissures sur les bords en particulier lorsque la diagonale de la dalle dépasse 20 pouces. En 1976, au laboratoire d’acousto-électricité du Professeur Dieulesaint, un dispositif fonctionnant à partir des ondes de surface se propageant dans un substrat piézoélectrique est mis au point [DIE76]. Cependant, le coût élevé de la plaque piézoélectrique ne permet pas l’industrialisation du projet. En 1985, un nouveau dispositif basé sur le temps de transit d’ondes symétriques de volume est réalisé ([CHA85], [DIE87], [ROY92]). La plaque piézoélectrique est remplacée par une simple plaque de verre, sur laquelle on peut éventuellement superposer un écran d’affichage. Le principe de la mesure consiste à engendrer alternativement un paquet d’ondes planes au moyen de transducteurs piézoélectriques collés sur les chants x et y de la plaque. Ces ondes sont ensuite détectées de façon synchrone par un stylet, ce qui permet de déduire la position de celui-ci.

Table des matières

Introduction
La technologie résistive
Technologie capacitive
Technologie à infrarouge
Technologie à jauges de contrainte
L’imagerie optique
Technologie acoustique
Chapitre 1. Ondes de Lamb
1.1. Définitions des paramètres
1.2. Propagation des ondes de Lamb
1.2.1. Equations du champ, équation du mouvement
1.2.2. Equations d’ Helmholtz
1.2.3. Relation de dispersion ou équation de Rayleigh-Lamb
1.3. Caractérisation de la propagation dans les plaques minces
1.3.1. Mode symétrique S0
1.3.2. Mode antisymétrique A0
1.4. Conclusion
Chapitre 2. Réponse en fréquence de l’interface
2.1. Introduction
2.1.1. Réponse en fréquence d’un système
2.1.2. Système de transduction et de propagation des ondes
2.2. Réponse en fréquence du système avec une plaque à bords libres
2.2.1. Spectre du système avec une plaque carrée
2.2.2. Fonction de transfert pour une plaque rectangulaire
2.3. Réponse du système avec différentes conditions aux limites
2.3.1. Fonction de transfert d’une plaque à bords fixes
2.3.2. Réponse d’une plaque rigidement tenue en ses quatre coins
2.3.3. Réponse d’une plaque partiellement pincée en ses quatre coins
2.3.3.1 Réponse en fréquence avec un seul émetteur
2.3.3.2 Réponse en fréquence avec deux émetteurs simultanés
2.4. Analyse des effets non linéaires
2.4.1. Influence de la tension d’excitation
2.4.2. Influence de la température
2.4.3. Influence du toucher
2.5. Conclusion
Chapitre 3. Procédé tactile à diffraction ultrasonore
3.1. Description du procédé tactile
3.1.1. Principales étapes du procédé FDPA
3.1.2. Dispositif
3.2. Principe de fonctionnement
3.2.1. Etape d’apprentissage des positions
3.2.2. Etape de surveillance
3.2.3. Mesure du signal
3.2.4. Algorithme de localisation
3.3. Performances et Optimisations
3.3.1. Performances de la localisation selon le mode d’apprentissage
3.3.1.1 Performances de localisation pour une surface tactile calibrée avec un doigt humain
3.3.1.2 Performances de localisation pour une surface tactile calibrée avec un doigt artificiel en silicone
3.3.2. Méthode de fiabilisation par la double validation
3.3.2.1 Application à une surface calibrée avec un doigt humain
3.3.2.2 Application à une surface calibrée avec un doigt en silicone
3.3.3. Méthode de fiabilisation basée sur la similarité en série temporelle
3.3.3.1 Performances de localisation par vecteur étendu
3.3.3.2 Critère sur la similarité dans une série temporelle
3.4. Sélection des fréquences d’excitation et phénomène d’illumination
3.4.1. Figure de Diffraction Perturbée en Amplitude (FDPA)
3.4.2. Rapport de contraste pour une FDPA
3.4.3. Découpage de la surface en zones de perturbations
3.4.4. Phénomène d’illumination
3.5. Conclusion
Chapitre 4. Applications associées au procédé tactile
4.1. Localisation des touchers multiples simultanés
4.1.1. Procédé tactile au cas de deux touchers
4.1.2. Performances de détection en cas de touchers multiples
4.1.3. Gestuelle tactile et langage « multi-toucher »
4.2. Coque tactile : une approche de peau sensitive
4.2.1. Prototype en coque tactile
4.2.2. Mise en place du procédé tactile
4.2.3. Performances de la détection tactile
4.2.3.1 Localisation du toucher surfacique
4.2.3.2 Localisation du toucher ponctuel
4.2.3.3 Reconnaissance de la nature du toucher
4.2.4. Conclusions et perspectives
4.3. Application du procédé tactile sur un écran à cristaux liquides
4.4. Conclusion
Conclusion Générale

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