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1-introduction/related-work/1-haptic-hand.tex

@@ -185,34 +185,38 @@ But when running the finger over the surface with a lateral movement (see \secre
 In particular, when the asperities are smaller than \qty{0.1}{mm}, such as paper fibers, the pressure cues are no longer captured and only the movement, \ie the vibrations, can be used to detect the roughness~\cite{hollins2000evidence}.
 This limit distinguishes \emph{macro-roughness} from \emph{micro-roughness}.
 
-Les caractéristiques physiques de la surface déterminent donc la perception haptique de la rugosité.
-La plus importante est la densité des éléments de la surface, \ie par l'\emph{espace entre les éléments}: L'intensité perçue (subjective) de rugosité augmente avec l'espacement, pour la macro-rugosité~\cite{klatzky2003feeling,lawrence2007haptic} et la micro-rugosité~\cite{bensmaia2003vibrations}.
-Pour les macro-textures, la taille des éléments, la force appliquée et la vitesse d'exploration ont des effets limités sur l'intensité perçue~\cite{klatzky2010multisensory}: la macro-rugosité est dite une \emph{perception spatiale}.
-Cette caractéristique nous permet de lire le braille, par exemple~\cite{lederman2009haptic}.
-Cependant, la vitesse d'exploration affecte l'intensité perçue de la micro-rugosité~\cite{bensmaia2003vibrations}.
+The physical properties of the surface determine the haptic perception of roughness.
+The most important characteristic is the density of the surface elements, \ie the spacing between them: The perceived (subjective) intensity of roughness increases with spacing, for macro-roughness~\cite{klatzky2003feeling,lawrence2007haptic} and micro-roughness~\cite{bensmaia2003vibrations}.
+For macro-textures, the size of the elements, the force applied and the speed of exploration have limited effects on the intensity perceived~\cite{klatzky2010multisensory}: macro-roughness is a \emph{spatial perception}.
+This allows us to read Braille~\cite{lederman2009haptic}.
+However, the speed of exploration affects the perceived intensity of micro-roughness~\cite{bensmaia2003vibrations}.
 
-Pour établir la relation entre espacement et intensité pour la macro-rugosité, des surfaces texturées ont été fabriquées: sous forme d'une grille linéaire (sur un axe) composée de rainures et de crêtes~\cite{lederman1972fingertip,lawrence2007haptic}, illustré \figref{lawrence2007haptic_1}, ou de surface composée d'éléments coniques sur deux axes~\cite{klatzky2003feeling}, illustré \figref{klatzky2003feeling_1}.
-Comme montré sur la \figref{lawrence2007haptic_2}, il y a une \emph{relation quadratique} du log de l'intensité perçue de la rugosité $R$ avec le log de l'espace entre les éléments $s$~\cite{klatzky2003feeling}: $log(R) = a \, log(s)^2 + b \, s + c$ où $a$, $b$ et $c$ sont des paramètres empiriques à estimer.
-Un plus grand espace entre les éléments augmente la rugosité perçue, mais atteint un plateau à partir \qty{\sim 5}{\mm} pour la grille linéaire~\cite{lawrence2007haptic} tandis que la rugosité diminue pour les éléments coniques à partir de \qty{\sim 2.5}{\mm}~\cite{klatzky2003feeling}.
+To establish the relationship between spacing and intensity for macro-roughness, patterned textured surfaces were manufactured: as a linear grating (on one axis) composed of ridges and grooves, \eg in \figref{lawrence2007haptic_1}~\cite{lederman1972fingertip,lawrence2007haptic}, or as a surface composed of micro conical elements on two axes, \eg in \figref{klatzky2003feeling_1}~\cite{klatzky2003feeling}.
+As shown in \figref{lawrence2007haptic_2}, there is a quadratic relationship between the logarithm of the perceived roughness intensity $R$ and the logarithm of the space between the elements $s$ ($a$, $b$ and $c$ are empirical parameters to be estimated)~\cite{klatzky2003feeling}:
+\begin{equation}
+    \label{eq:roughness_intensity}
+    log(R) = a \, log(s)^2 + b \, s + c
+\end{equation}
+A larger spacing between elements increases the perceived roughness, but reaches a plateau from \qty{\sim 5}{\mm} for the linear grating~\cite{lawrence2007haptic}, while the roughness decreases from \qty{\sim 2.5}{\mm}~\cite{klatzky2003feeling} for the conical elements.
 
-\begin{subfigs}{lawrence2007hapti}{Estimation de la rugosité haptique d'une surface de grille linéaire par exploration active~\cite{lawrence2007haptic}. }[
-        \item Schéma d'une surface de grille linéaire, constituée de rainures et de crêtes.
-        \item Intensité perçue de la rugosité (axe vertical)de la surface en fonction de la taille des rainures (axe horizontal, intervalle de \qtyrange{0.125}{4.5}{mm}), de la taille des crêtes (RW, ronds et carrés) et du mode d'exploration (avec le doigt en blanc et via une sonde rigide tenue en main en noir).
+\begin{subfigs}{lawrence2007hapti}{Estimation of haptic roughness of a linear grating surface by active exploration~\cite{lawrence2007haptic}. }[
+        \item Schema of a linear grating surface, composed of ridges and grooves.
+        \item Perceived intensity of roughness (vertical axis) of the surface as a function of the size of the grooves (horizontal axis, interval of \qtyrange{0.125}{4.5}{mm}), the size of the ridges (RW, circles and squares) and the mode of exploration (with the finger in white and via a rigid probe held in hand in black).
     ]
     \subfigsheight{56mm}
     \subfig{lawrence2007haptic_1}
     \subfig{lawrence2007haptic_2}
 \end{subfigs}
 
-Il est également possible possible de percevoir la rugosité d'une surface en la \emph{touchant indirectement}, avec un outil tenu en main, par exemple en écrivant avec un stylo sur du papier~\cite{klatzky2003feeling}.
-La peau n'est alors plus déformée et seules les vibrations sont transmises par l'outil, mais cette information est suffisante pour percevoir la rugosité.
-%La discrimination de la rugosité est cependant un peu moins bonne.
-L'intensité perçue suit la même loi quadratique mais le pic de rugosité perçu varie avec la taille de la zone de contact de l'outil: un petit outil permettra de percevoir des espaces entre les éléments plus fins qu'avec le doigt (voir \figref{klatzky2003feeling_2}).
-Cependant, la vitesse d'exploration changeant les vibrations transmises, une vitesse plus rapide décale le pic de rugosité à droite d'une part et, d'autre part, entraine une rugosité plus faible pour les espacements fins et plus forte pour les espacements larges~\cite{klatzky2003feeling}.
+It is also possible to perceive the roughness of a surface by \emph{indirect touch}, with a tool held in the hand, for example by writing with a pen on paper~\cite{klatzky2003feeling}.
+The skin is no longer deformed and only the vibrations of the tool are transmitted.
+But this information is sufficient to feel the roughness, which perceived intensity follows the same quadratic law.
+The intensity peak varies with the size of the contact surface of the tool, \eg a small tool allows to perceive finer spaces between the elements than with the finger (see \figref{klatzky2003feeling_2}).
+However, as the speed of exploration changes the transmitted vibrations, a faster speed shifts the perceived intensity peak slightly to the right, \ie decreasing perceived roughness for fine spacings and increasing it for large spacings~\cite{klatzky2003feeling}.
 
-\begin{subfigs}{klatzky2003feeling}{Estimation de la rugosité haptique d'une surface de de micro-éléments coniques par exploration active~\cite{klatzky2003feeling}. }[
-        \item Micrographie électronique de la surface.
-        \item Intensité perçue de la rugosité (axe vertical) de la surface en fonction de l'espacement moyen des éléments (axe horizontal, intervalle de \qtyrange{0.8}{4.5}{mm}) et du mode d'exploration (avec le doigt en noir et via une sonde rigide tenue en main en blanc).
+\begin{subfigs}{klatzky2003feeling}{Estimation of haptic roughness of a surface of conical micro-elements by active exploration~\cite{klatzky2003feeling}. }[
+        \item Electron micrograph of conical micro-elements on the surface.
+        \item Perceived intensity of roughness (vertical axis) of the surface as a function of the average spacing of the elements (horizontal axis, interval of \qtyrange{0.8}{4.5}{mm}) and the mode of exploration (with the finger in black and via a rigid probe held in hand in white).
     ]
     \subfig[.25]{klatzky2003feeling_1}
     \subfig[.5]{klatzky2003feeling_2}
@@ -221,18 +225,23 @@ Cependant, la vitesse d'exploration changeant les vibrations transmises, une vit
 Même quand les bouts de doigts sont déafférentés (absence de sensations donc d'indices de pression), la perception de la rugosité se maintient, justement grâce à la propagation des vibrations dans le doigt, la main et le poignet, que ce soit pour les textures de grilles et les textures naturelles~\cite{delhaye2012textureinduced}.
 Le spectre des vibrations se décale vers de plus hautes fréquences quand la vitesse d'exploration augmente, mais le cerveau intègre ce changement avec la proprioception pour garder la \emph{perception constante} de la teture.
 Par exemple, pour les textures de grilles, comme illustré \figref{delhaye2012textureinduced}, le ratio de la vitesse du doigt $v$ sur la fréquence fréquence du pic d'intensité de la vibration $f_p$ est mesuré la majorité du temps égal à la période $\lambda$ de l'espacement des éléments:
+
+Even when the fingertips are deafferented (absence of cutaneous sensations), the perception of roughness is maintained~\cite{libouton2012tactile}, thanks to the propagation of vibrations in the finger, hand and wrist, for both pattern and natural textures~\cite{delhaye2012textureinduced}.
+The spectrum of vibrations shifts to higher frequencies as the exploration speed increases, but the brain integrates this change with proprioception to keep the \emph{perception constant} of the texture.
+For grid textures, as illustrated in \figref{delhaye2012textureinduced}, the ratio of the finger speed $v$ to the frequency of the vibration intensity peak $f_p$ is measured most of the time equal to the period $\lambda$ of the spacing of the elements:
 \begin{equation}
     \label{eq:grating_vibrations}
     \lambda \sim \frac{v}{f_p}
 \end{equation}
-De même, les vibrations générées par l'exploration des textures naturelles sont très spécifiques à chaque texture et similaires entre les individus, ce qui les rendent également identifiables aux seules vibrations~\cite{greenspon2020effect}.
-Cela montre l'importance des indices de vibrations même pour les macro-textures et la possibilité générer des sensations de textures virtuelles avec des rendus vibrotactiles.
 
-\fig[0.55]{delhaye2012textureinduced}{Mesures de la vitesse d'exploration du doigt (axe horizontal) sur des textures de grille avec différentes périodes $\lambda$ d'espacement (en couleur) et de la fréquence du pic d'intensité $f_p$ de la vibration propagée dans le poignet (axe vertical)~\cite{delhaye2012textureinduced}.}
+The vibrations generated by exploring natural textures are also very specific to each texture and similar between individuals, making them identifiable by vibration alone~\cite{greenspon2020effect}.
+This shows the importance of vibration cues even for macro textures and the possibility of generating virtual texture sensations with vibrotactile rendering.
 
-Étudier la perception de rugosité de textures dites "naturelles", \ie de la vie de tous jours, est plus complexe car elles sont composées de multiples éléments de tailles et d'espacements différents.
-Les deux perceptions de micro et macro rugosité se recouvrent en partie et peuvent donc être difficile à distinguer~\cite{okamoto2013psychophysical}.
-Les individus vont avoir une définition subjective de la rugosité, certains prêtant plus d'attention aux plus gros éléments et d'autres aux plus petits~\cite{bergmanntiest2007haptic}, et inclure d'autres propriétés comme la dureté ou la friction~\cite{bergmanntiest2010tactual}.
+\fig[0.55]{delhaye2012textureinduced}{Speed of finger exploration (horizontal axis) on grating textures with different periods $\lambda$ of spacing (in color) and frequency of the vibration intensity peak $f_p$ propagated in the wrist (vertical axis)~\cite{delhaye2012textureinduced}.}
+
+The everyday "natural" textures are more complex to study because they are composed of multiple elements of different sizes and spacings.
+In addition, the perceptions of micro and macro roughness overlap and are difficult to distinguish~\cite{okamoto2013psychophysical}.
+Thus, individuals have a subjective definition of roughness, with some paying more attention to larger elements and others to smaller ones~\cite{bergmanntiest2007haptic}, or even including other perceptual properties such as hardness or friction~\cite{bergmanntiest2010actual}.
 
 
 \subsubsection{Hardness}

1-introduction/related-work/2-wearable-haptics.tex

@@ -57,7 +57,7 @@ Moreover, as detailed in \secref{object_properties}, cutaneous sensations are ne
 \label{wearable_haptic_devices}
 
 We present an overview of wearable haptic devices for the hand, following the categories of \textcite{pacchierotti2017wearable}.
-The rendering of a haptic device is indeed determined by the nature of the actuators employed, which form the interface between the haptic system and the user's skin, and therefore the types of mechanical stimuli they can generate.
+The rendering of a haptic device is indeed determined by the nature of the actuators employed, which form the interface between the haptic system and the user's skin, and therefore the types of mechanical stimuli they can supply.
 Several actuators are often combined in a haptic device to obtain richer haptic feedback.
 
 \subsubsection{Moving Platforms}
@@ -79,7 +79,6 @@ Pneumatic systems use a fluid such as air or water to inflate membranes under th
 Multiple membranes are often used in a grid to simulate edges and textures, as in the \figref{ujitoko2020development}~\cite{ujitoko2020development}.
 Although these two types of effector can be considered wearable, their actuation requires a high level of mechanical and electronic complexity that makes the system as a whole not portable.
 
-
 \begin{subfigs}{normal_actuators}{
         Normal indentation actuators for the fingertip.
     }[
@@ -98,17 +97,17 @@ Although these two types of effector can be considered wearable, their actuation
 \subsubsection{Tangential Motion Actuators}
 \label{tangential_actuators}
 
-De conception similaire aux plateformes mobiles, les actuateurs qui fournissent des mouvements tangentiels activent un pion rigide ou une surface sous le doigt et génèrent de sensations de cisaillement de la peau.
-Une structure de bras activées par des moteurs déplacent ainsi l'effecteur en contact avec la peau dans plusieurs directions sur 2 \DoFs parallèlement à la peau, \eg in \figref{leonardis2015wearable}~\cite{leonardis2015wearable}.
-Certains actuateurs sont capables de rendre à la fois des mouvements normaux et tangentiels sur 3 \DoFs sur la peau ainsi qu'établir et cesser le contact avec le doigt, \eg in \figref{schorr2017fingertip}~\cite{schorr2017fingertip}.
+Similar in design to the mobile platforms, the tangential motion actuators activate a rigid pin or surface in contact with the fingertip under the finger to create shearing sensation on the skin.
+An articulated and motorized arm structure moves the effector in multiple directions over 2 \DoFs parallel to the skin, \eg in \figref{leonardis2015wearable}~\cite{leonardis2015wearable}.
+Some actuators are capable of both normal and tangential motion over 3 \DoFs on the skin and can also make or break contact with the finger, \eg in \figref{schorr2017fingertip}~\cite{schorr2017fingertip}.
 
 \subsubsection{Compression Belts}
 \label{belt_actuators}
 
-Une approche alternative mécaniquement plus simple est de placer une ceinture sur le dessous du doigt et de l'activer sur 2 \DoFs par deux moteurs placés sur le dessus du doigt~\cite{minamizawa2007gravity}.
-En tournant dans des directions opposées, les moteurs raccourcissent la ceinture qui génère une sensation de pression sur le doigt.
-À l'inverse, en tournant simultanément dans la même direction, la ceinture tire la peau du doigt dans une sensation de cisaillement.
-La simplicité de cette approche permet de placer la ceinture ailleurs sur la main, laissant libre le bout du doigt pour interagir avec le \RE, \eg le hRing sur la phalange proximale de \textcite{pacchierotti2016hring} (voir \figref{pezent2019tasbi}) ou Tasbi sur le poignet de \textcite{pezent2019tasbi} (voir \figref{pezent2019tasbi}).
+A simpler alternative approach is to place a belt under the finger, and to actuate it over 2 \DoFs by two motors placed on top of the finger~\cite{minamizawa2007gravity}.
+By turning in opposite directions, the motors shorten the belt and create a sensation of pressure.
+Conversely, by turning simultaneously in the same direction, the belt pulls on the skin, creating a shearing sensation.
+The simplicity of this approach allows the belt to be placed anywhere on the hand, leaving the fingertip free to interact with the \RE, \eg the hRing on the proximal phalanx in \figref{pezent2019tasbi}~\cite{pacchierotti2016hring} or Tasbi on the wrist in \figref{pezent2019tasbi}~\cite{pezent2019tasbi}.
 
 \begin{subfigs}{tangential_belts}{Tangential motion actuators and compression belts. }[
         \item A skin strech actuator for the fingertip~\cite{leonardis2015wearable}.
@@ -139,7 +138,6 @@ Several types of vibrotactile actuators are used in haptics, with different trad
     \item Piezoelectric actuators deform a solid material when a voltage is applied. They are very small and thin, and allow two \DoFs of amplitude and frequency control. However, they require high voltages to operate thus limiting their use in wearable devices.
 \end{itemize}
 
-
 \begin{subfigs}{vibrotactile_actuators}{Diagrams of vibrotactile acuators. }[
         \item Diagram of a cylindrical encapsulated \ERM. From Precision Microdrives.~\footnotemark
         \item Diagram of a \LRA. From Precision Microdrives.~\footnotemarkrepeat

references.bib

@@ -2795,3 +2795,14 @@
   pages = {59485--59499},
   doi = {10/gvddck}
 }
+
+@article{libouton2012tactile,
+  title = {Tactile Roughness Discrimination of the Finger Pad Relies Primarily on Vibration Sensitive Afferents Not Necessarily Located in the Hand},
+  author = {Libouton, Xavier and Barbier, Olivier and Berger, Yorick and Plaghki, Leon and Thonnard, Jean-Louis},
+  date = {2012},
+  journaltitle = {Behav. Brain Res.},
+  volume = {229},
+  number = {1},
+  pages = {273--279},
+  doi = {10/fzcm6b}
+}