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Erwan Normand
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63
1-introduction/related-work/1-haptic-hand.tex
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@@ -195,7 +195,7 @@ To establish the relationship between spacing and intensity for macro-roughness,
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
log(R) \sim 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.
@@ -222,10 +222,6 @@ However, as the speed of exploration changes the transmitted vibrations, a faste
\subfig[.5]{klatzky2003feeling_2}
\end{subfigs}
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:
@@ -241,67 +237,66 @@ This shows the importance of vibration cues even for macro textures and the poss
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}.
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{bergmanntiest2010tactual}.
\subsubsection{Hardness}
\label{hardness}
La dureté (ou la softness) est la perception de la \emph{résistance à la déformation} d'un objet quand il est pressé ou tapé~\cite{bergmanntiest2010tactual}.
La softness perçue d'un fruit permet de juger sa maturité, alors que la céramique sera perçue comme dure.
En tapant une surface, du métal sera perçu comme plus dur que du bois.
Si la surface revient à sa forme initiale après avoir été déformée, l'objet est élastique (comme un ressort), sinon il est plastique (comme de l'argile).
Hardness (or softness) is the perception of the \emph{resistance to deformation} of an object when pressed or tapped~\cite{bergmanntiest2010tactual}.
The perceived softness of a fruit allows us to judge its ripeness, while ceramic is perceived as hard.
By tapping on a surface, metal will be perceived as harder than wood.
If the surface returns to its original shape after being deformed, the object is elastic (like a spring), otherwise it is plastic (like clay).
Avec un mouvement de pression sur l'objet avec le doigt (voir \figref{exploratory_procedures}), sa surface va se déplacer et se déformer avec une certaine résistance, et la zone de contact de la peau va également s'élargir, changeant la distribution de la pression.
Au contact de la surface, ou en la tapant, des vibrations sont également transmises à la peau.
Un toucher passif (sans mouvements volontaire de la main) ainsi que le tapping permettent une aussi bonne perception de la dureté que le toucher actif~\cite{friedman2008magnitude}: les indices cutanés de pression et de vibrations sont suffisants et nécessaires pour percevoir la dureté.
When the finger presses on an object (see \figref{exploratory_procedures}), its surface will move and deform with some resistance, and the contact area of the skin will also expand, changing the pressure distribution.
When the surface is touched or tapped, vibrations are also transmitted to the skin.
Passive touch (without voluntary hand movements) and tapping allow a perception of hardness as good as active touch~\cite{friedman2008magnitude}.
Deux caractéristiques physiques de l'objet déterminent ainsi la perception haptique de dureté: sa raideur et son élasticité~\cite{bergmanntiest2010tactual}.
La raideur $k$ est le ratio entre la force appliquée $F$ et le \emph{déplacement} résultant $\Delta l$ de la surface:
Two physical properties determine the haptic perception of hardness: its stiffness and elasticity, as shown in \figref{hardness}~\cite{bergmanntiest2010tactual}.
The \emph{stiffness} $k$ of an object is the ratio between the applied force $F$ and the resulting \emph{displacement} $\Delta l$ of the surface:
\begin{equation}
\label{eq:stiffness}
k = \frac{F}{\Delta l}
\end{equation}
L'élasticité est exprimée par le module de Young $Y$ qui est le ratio entre la pression appliquée (la force $F$ par unité de surface $A$) et la \emph{déformation} résultante $\Delta l / l$ (càd le déplacement relatif) de l'objet:
The \emph{elasticity} of an object is expressed by its Young's modulus $Y$, which is the ratio between the applied pressure (the force $F$ per unit area $A$) and the resulting deformation $\Delta l / l$ (the relative displacement) of the object:
\begin{equation}
\label{eq:young_modulus}
Y = \frac{F / A}{\Delta l / l}
\end{equation}
La \figref{hardness} illustre ces deux caractéristiques.
\begin{subfigs}{stiffness_young}{Perception de la dureté haptique d'un objet en pressant avec le doigt. }[
\item Schéma d'un objet avec un coefficient de raideur $k$ et de longueur $l$ compressé sur une distance $\Delta l$ par une force $F$ sur une surface d'aire $A$.
\item Correspondance de l'intensité perçue de la dureté entre le module de Young (axe horizontal) et la raideur (axe vertical). Les lignes en pointillées et en tiret indiquent les objets testés, les flèches les correspondances faites entre ces objets, et les lignes grises les prédictions de la relation quadratique~\cite{bergmanntiest2009cues}.
\begin{subfigs}{stiffness_young}{Perceived hardness of an object by finger pressure. }[
\item Diagram of an object with a stiffness coefficient $k$ and a length $l$ compressed by a force $F$ on an area $A$ by a distance $\Delta l$.
\item Identical perceived hardness intensity between Young's modulus (horizontal axis) and stiffness (vertical axis). The dashed and dotted lines indicate the objects tested, the arrows the correspondences made between these objects, and the grey lines the predictions of the quadratic relationship~\cite{bergmanntiest2009cues}.
]
\subfig[.3]{hardness}
\subfig[.45]{bergmanntiest2009cues}
\end{subfigs}
\textcite{bergmanntiest2009cues} ont montré le rôle de ces deux caractéristiques dans la perception de la dureté.
En pressant du doigt, une différence relative (la \emph{fraction de Weber}) de \percent{\sim 15} est nécessaire pour discriminer deux objets de raideurs ou d'élasticités différentes.
Cependant, en l'absence de sensations de pression (en plaçant un disque fin entre le doigt et l'objet), la différence relative nécessaire devient beaucoup plus importante (fraction de Weber de \percent{\sim 50}).
Ainsi, la perception de dureté s'appuie à \percent{90} sur les indices de déformation de la surface et à \percent{10} sur les indices de déplacement.
\textcite{bergmanntiest2009cues} showed the role of these two physical properties in the perception of hardness.
With finger pressure, a relative difference (the \emph{Weber fraction}) of \percent{\sim 15} is required to discriminate between two objects of different stiffness or elasticity.
However, in the absence of pressure sensations (by placing a thin disc between the finger and the object), the necessary relative difference becomes much larger (Weber fraction of \percent{\sim 50}).
Thus, the perception of hardness relies on \percent{90} on surface deformation cues and \percent{10} on displacement cues.
In addition, an object with low stiffness but high Young's modulus can be perceived as hard, and vice versa, as shown in \figref{bergmanntiest2009cues}.
En pressant du doigt, l'intensité perçue (subjective) de dureté suit avec la raideur une relation selon une loi de puissance avec un exposant de \num{0.8}~\cite{harper1964subjective}, \ie quand la raideur double, la dureté perçue augmente de \num{1.7}.
Un objet avec une faible raideur mais une grand module de Young (et vice-versa) peut être perçu aussi dur qu'un objet avec une grande raideur mais un petit module de Young.
\textcite{bergmanntiest2009cues} ont ainsi observé une relation quadratique d'égale intensité perçue de dureté, comme illustré sur la \figref{bergmanntiest2009cues}.
%En pressant du doigt, l'intensité perçue (subjective) de dureté suit avec la raideur une relation selon une loi de puissance avec un exposant de \num{0.8}~\cite{harper1964subjective}, \ie quand la raideur double, la dureté perçue augmente de \num{1.7}.
%\textcite{bergmanntiest2009cues} ont ainsi observé une relation quadratique d'égale intensité perçue de dureté, comme illustré sur la \figref{bergmanntiest2009cues}.
\subsubsection{Friction}
\label{friction}
La friction (ou la slipperiness/stickiness) est la perception de la \emph{résistance au mouvement} sur une surface~\cite{bergmanntiest2010tactual}.
Le papier de verre, en opposant une forte résistance au glissement à sa surface, est typiquement perçu comme adhésif, alors que du verre est glissant.
Cette propriété est perceptuellement étroitement liée à celle de la rugosité~\cite{hollins1993perceptual,baumgartner2013visual}.
Friction (or slipperiness) is the perception of \emph{resistance to movement} on a surface~\cite{bergmanntiest2010tactual}.
Sandpaper is typically perceived as sticky because it has a strong resistance to sliding on its surface, while glass is perceived as more slippery.
This perceptual property is closely related to the perception of roughness~\cite{hollins1993perceptual,baumgartner2013visual}.
En passant le doigt sur la surface avec un mouvement latéral (voir \figref{exploratory_procedures}), des frottements vont générer des forces qui vont dans le sens opposé au mouvement, donnant des indices kinesthésiques, et qui vont également étirer la peau, donnant des indices cutanés.
Comme illustré sur la \figref{smith1996subjective_1}, un phénomène de stick-slip peut également se produire, où le doigt va par intermittence être freiné par les frottements avant de continuer son mouvement, autant sur des surfaces rugueuses que lisses~\cite{derler2013stick}.
L'amplitude de la force de frottement $F_s$ est proportionnelle à la force normale du doigt $F_n$, \ie la force perpendiculaire à la surface, selon un coefficient de frottement $\mu$:
When running the finger on a surface with a lateral movement (see \secref{exploratory_procedures}), the skin-surface contacts generate frictional forces in the opposite direction to the finger movement, giving kinesthetic cues, and also stretch the skin, giving cutaneous cues.
As illustrated in \figref{smith1996subjective_1}, a stick-slip phenomenon can also occur, where the finger is intermittently slowed down by the friction before continuing its movement, both on rough and smooth surfaces~\cite{derler2013stick}.
The amplitude of the frictional force $F_s$ is proportional to the normal force of the finger $F_n$, \ie the force perpendicular to the surface, according to a friction coefficient $\mu$:
\begin{equation}
\label{eq:friction}
F_s = \mu \, F_n
\end{equation}
Comme sur la \figref{smith1996subjective_2}, l'intensité perçue (subjective) des frottements est proportionnelle au coefficient de friction~\cite{smith1996subjective}.
The perceived intensity of friction is thus that of the friction coefficient $\mu$~\cite{smith1996subjective}.
\begin{subfigs}{smith1996subjective}{Perception des frottements haptique de plusieurs matériaux par exploration active avec le doigt~\cite{smith1996subjective}. }[
\item Mesures des forces normales $F_n$ et tangentielles $F_t$ lors de l'exploration de deux surfaces : une lisse (le verre) et une rugueuse (le nyloprint). Les fluctuations de la force tangentielle sont dues au phénomène de stick-slip. Le coefficient de frottement $\mu$ peut être estimé par la pente de la relation entre les forces normales et tangentielle.