Perception, recording and reproduction of physical invariants during bare fingertip exploration of tactile textures

par Séréna Bochereau

Thèse de doctorat en Mécanique, Acoustique, Electronique et Robotique

Sous la direction de Vincent Hayward.

Soutenue le 23-01-2017

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris , en partenariat avec Institut des Systèmes Intelligents et de Robotique / ISIR (laboratoire) .

Le président du jury était Romain Brette.

Le jury était composé de Mike Adams, Sinan Haliyo.

Les rapporteurs étaient Karon Maclean, Hannes Bleuler.

  • Titre traduit

    Perception, enregistrement et reproduction d’invariants physiques lors de l’exploration de textures tactiles par un doigt humain.


  • Résumé

    Un nouveau dispositif tactile capable d'enregistrer et de reproduire des scènes tactiles à l'aide de forces tangentielles a été conçu et réalisé sur la base des limites et des exigences du système somatosensoriel humain. Les micro-déformations tangentielles du doigt coulissant sur la texture sont mesurées par le transducteur dans une bande passante de 500Hz et sont reproduites par le déplacement d'une plaque de verre sous l'action contrôlée d'un moteur électrodynamique critiquement amorti. Dans le but d'évaluer la pertinence des signaux sensoriels pour la reproduction d'une scène tactile, les grandeurs physiques qui influent sur la perception tactile humaine ont été étudiées. En utilisant une méthode d'escalier, il a été démontré que des ondelettes avec différentes combinaisons d'amplitude et de durée sont ressenties égales en intensité. Ces résultats suggèrent qu'il existe des quantités physiques communes - des invariants - pour ces signaux auques le cerveau est sensible, ce qui pourrait se rapporter à une constance perceptuelle dans l'exploration d'aspérités. En analysant les forces de frottement créées par un doigt glissant sur une surface dotées de points braille à des vitesses différents, il a été constaté que, bien que la réponse mécanique instantanée varie dans son ensemble, l'intégrale des forces tangentielles locales au cours d'une période de déformation courte reste constante. Ces enregistrements ont ensuite été classés selon leur vitesse et utilisés comme stimuli dans une tâche de comparaison. Les participants devaient glisser leur index sur une plateforme de verre qui vibrait afin de reproduire les points brailles de hauteurs différentes enregistrés à la même.


  • Résumé

    A new tactile device able to record and reproduce tactile scenes using tangential forces was designed and realized based on the limits and requirements of our somatosensory system. The tangential micro-deformations of the finger sliding on a textured surface can be measured with 500 Hz-bandwidth and reproduced by vibrating a glass plate under the controlled action of a critically damped electrodynamic actuator. In an effort to identify what sensory cues are relevant to tactile sensations for the reproduction of a scene, the physical quantities that influence tactile perception were studied. Using a staircase method, it was demonstrated that tactile wavelets with different combinations of amplitude and duration could be felt perceptually equal in intensity. These results suggested that there are common physical quantities – invariants – for these signals that the brain is sensitive to, which could relate to a perceptual constancy in asperity exploration. By analyzing the friction forces of a finger exploring braille dots with different pressures and velocities profiles, we found that although the mechanical response at a highly localized stimulus varies as a whole, the integral of the local tangential forces during a short deformation period remained constant. These recordings were then categorized by velocity and used as stimuli in a comparison task in which participants explored virtual dots of different heights at different speeds. While sliding on a glass platform which vibrated tangentially to reproduce a braille dot recorded at the same exploration speed, they were asked to report which of the two stimuli was stronger (or ‘higher’), a task that they could successfull.


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