2.7 Conclusion
3.1.2 STIMTAC : ajouter du retour tactile sur les surfaces tactile
La production de retour tactile sur des surfaces a fait l’objet de nombreux travaux de re-
cherche. La principale technologie utilisée pour créer ce retour est celle des matrices de
picots, où chaque picot peut être déplacé indépendamment selon une direction normale
à la surface de simulation [WF95, NMYT98, TFK
+06, YNYH06]. Les matrices de picots
permettent d’obtenir des sensations différentes simultanément sous un doigt. Cepen-
dant, la densité des picots est souvent faible et leur dynamique est aussi limitée, ce qui
réduit la qualité du rendu. Cette technologie est par ailleurs encombrante et incompatible
avec l’interaction co-localisée.
L’idée d’utiliser des picots est de reproduire la géométrie d’une surface. Une autre ap-
proche est de modifier dynamiquement les propriétés de cette surface et ainsi produire
une information qui peut être interprétée par les utilisateurs comme un changement lo-
cal de géométrie. Deux technologies permettent actuellement de modifier le frottement
d’une surface : l’électro-vibration et l’effet mécanique de film d’air comprimé. L’électro-
vibration permet d’augmenter le frottement d’une surface en attirant plus ou moins
le doigt d’une surface, par le contrôle d’une tension appliquée au corps de l’utilisa-
teur [BPIH10]. L’effet mécanique de film d’air comprimé permet, quant à lui, de réduire
le frottement d’une surface [BGLS07]. Le film d’air comprimé est généré par la mise
en vibration d’une surface à une fréquence ultrasonique et une amplitude de quelques
micromètres. Comme la fréquence de vibration est en dehors de la bande-passante des
mécano-récepteurs de la peau, on ne sent pas la vibration elle-même mais son effet sur
la tribologie du toucher : la surface devient plus glissante quand l’amplitude augmente.
Contrairement aux matrices de picots, les interfaces à frottement programmable per-
mettent d’obtenir une finesse de retour tactile seulement limitée par la résolution du
capteur de mesure de position du doigt. Leur faible encombrement, faible consomma-
tion, et relative facilité de mise en oeuvre suscite beaucoup d’intérêt pour les périphé-
riques mobiles mais également pour les pavés tactiles.
Le STIMTAC, développé à Lille au sein de l’équipe projet ALCOVE puis MINT, a été
l’un des premiers dispositifs à utiliser le film d’air comprimé pour créer un retour tactile.
Le premier prototype en une dimension a été développé dès 2004 et il a fallu 4 ans de
travail pour obtenir une surface en deux dimensions permettant de produire un retour
tactile et en même temps capable de mesurer la position du doigt, comme le fait un pavé
tactile. Deux années supplémentaires ont été nécessaires pour le miniaturiser et réduire
50
3.1. INTERACTION TACTILE
sa consommation énergétique (Figure 3.8). Un historique des différentes versions est
détaillé dans cet article [AGS
+11].
STIMTAC, a Tactile Input Device
with Programmable Friction
Michel Amberg
1,3,4, Frédéric Giraud
1,3,4, Betty Semail
1,3,4,
Paolo Olivo
4, Géry Casiez
2,3,4& Nicolas Roussel
4 1L2EP,
2LIFL,
3University of Lille &
4INRIA Lille
Villeneuve d’Ascq, France
michel.amberg@univ-lille1.fr, frederic.giraud@polytech-lille.fr, betty.semail@polytech-lille.fr,
paolo.olivo@inria.fr, gery.casiez@lifl.fr, nicolas.roussel@inria.fr
Figure 1: 1D prefiguration (2004), 2D feedback (2007), 2D input & feedback (2008) and compact USB prototype (2010)
ABSTRACT
We present the STIMTAC, a touchpad device that supports friction reduction. Contrary to traditional vibrotactile ap- proaches, the STIMTAC provides information passively, act- ing as a texture display. It does not transfer energy to the user but modifies how energy is dissipated within the contact area by a user-initiated friction process. We report on the iterative process that led to the current hardware design and briefly describe the software framework that we are developing to illustrate its potential.
ACM Classification: H5.2. Information interfaces and pre-
sentation: User Interfaces
General terms: Design, Human Factors
Keywords: Tactile input, tactile feedback, programmable
friction, squeeze film effect
INTRODUCTION
The STIMTAC is a touchpad device that supports friction reduction by means of a squeeze film effect [3]. It uses a controlled vibration at an ultrasonic frequency with a few mi- crometers amplitude to create an air bearing between a user’s finger and the device’s surface. As the frequency is outside
Copyright is held by the author/owner(s).
UIST ’11, Oct 16–19, 2011, Santa Barbara, CA, USA. ACM 978-1-4503-1014-7/11/10.
skin mechanoreceptors’ bandwidth, one does not feel this vi- bration but its effect on tribological contact mechanisms: the touchpad feels more slippery as the amplitude is raised. This friction reduction mechanism has notably been used to sim- ulate gratings [2] and facilitate pointing tasks [4].
Other devices and technologies have been proposed to sup- port programmable friction. The LATPaD [6, 5] also uses a squeeze film of air to reduce friction, for example, while Teslatouch [1] uses electrovibration to increase it. But the current LATPaD is rather bulky due to optical position sens- ing and produces audible noise when active [5]. And while electrovibration is highly scalable, it requires high voltages or users directly connected to ground, and it is presumably sensitive to variations in skin condition, e.g. hydration. Like the LATPaD or TeslaTouch, the STIMTAC provides the same tactile feedback to any finger moving on any part of its surface. Its output spatial resolution is thus only limited by its input tracking resolution. Our current prototype is com- pact, powered by the USB cable used for data communica- tion, quiet, and supports precise and reliable finger tracking based on multiple force sensors. In the following, we report on the iterative process that took place over the last seven years and led to the current hardware design. We then briefly describe the software framework that we are developing to illustrate its potential.
ITERATIVE HARDWARE DESIGN
A prefiguration of the STIMTAC was created in 2004 with the free stator of a USR60 ultrasonic motor, a ring shaped resonator providing 3 µm vibrations at 40 kHz (Figure 1, left- most image). A plastic tape was bonded over the machined
7
Figure 3.8: Les différentes versions de STIMTAC. Préfiguration en 2004, version pro-
duisant uniquement un retour tactile en 2007, version produisant un retour tactile et
permettant de mesurer la position du doigt en 2008 et prototype de version miniaturisée
USB en 2010.
Ces différentes versions de prototypes étaient opaques : elles utilisaient une surface mé-
tallique en cuivre-béryllium dont la face arrière était recouverte de céramiques piézo-
électriques. Nous avons récemment développé une version qui permet de faire vibrer
un support transparent tout en plaçant les céramiques aux extrémités [GALSC12]. Cette
version laisse envisager l’utilisation de cette technologie pour des périphériques mobiles
et des tablettes.
Le frottement programmable peut être utilisé pour synthétiser un retour réaliste cor-
respondant à la texture d’un objet. Pour évaluer cette capacité de retour et le degré de
finesse du rendu, nous avons simulé des textures dont la forme de base est un signal
carré. Le choix de cette forme de signal a été réalisé après avoir observé que les varia-
tions franches de frottement sont plus faciles à percevoir que des variations continues,
comme c’est le cas pour des formes sinusoïdales. Nous avons ensuite fait varié la période
spatiale de ce signal et réalisé une expérience de détection de seuils différentiels (ou JND
pour Just Noticeable Difference) [BCGLS08]. L’expérience consistait à simuler tour à tour
deux périodes spatiales. Celles-ci étaient simulées sur le même périphérique et les utilisa-
teurs pouvaient passer d’une période à l’autre à l’aide des touches de clavier. Ils devaient
indiquer quelle était la période spatiale la plus grande. Différentes périodes spatiales de
référence ont été évaluées (0.25, 0.35, 0.5 et 1.0 cm) et pour chacune d’entre elles des com-
paraisons étaient réalisées, allant de -20% à 20% avec un pas de 5%. La fraction de Weber
obtenue est de l’ordre de 9%, pour toutes les périodes spatiales de référence. Ce résultat
montre que les périodes spatiales sont perçues avec la même acuité sur l’intervalle de
valeurs considérées. Par ailleurs, ces résultats sont proches de ceux obtenus par d’autres
chercheurs pour des périodes spatiales réelles [MGDS84, NKK01].
Cette expérience montre qu’il est possible de produire un retour tactile permettant de
percevoir des textures avec la même finesse que dans la réalité. D’autres expériences de
51
doc.univ-lille1.fr