Master of Science

thesisThis thesis discusses the development of an olfactory display for the University of Utah TreadPort Virtual Environment (UUTVE). The goal of the UUTVE is to create a virtual environment that is as life like as possible by communicating to the user as many of the sensations felt in moving around in real the world as possible, while staying within the confines of the virtual environment's workspace. The UUTVE has a visual display, auditory display, a locomotion interface and wind display. With the wind display, it is possible to create an effective olfactory display that does not have some of the limitations associated with many of the current olfactory displays. The inclusion of olfactory information in virtual environments is becoming increasingly common as the effects of including an olfactory display show an increase in user presence. The development of the olfactory display for the UUTVE includes the following components: the physical apparatus for injecting scent particles into the air stream, the development of a Computational Fluid Dynamics (CFD) model with which to control the concentration of scent being sensed by the user, and user studies to verify the model and show as proof of concept that the wind tunnel can be used to create an olfactory display. The physical apparatus of the display consists of air atomizing nozzles, solenoids for controlling when the scents are released, containers for holding the scents and a pressurized air tank used to provide the required air to make the nozzles work. CFD is used model the wind flow through the TPAWT. The model of the wind flow is used to simulate how particles advect in the wind tunnel. These particle dispersion simulations are then used to create a piecewise model that is able to predict the scent's concentration behavior as the odor flows through the wind tunnel. The user studies show that the scent delivery system is able to display an odor to a person standing in the TPAWT. The studies also provided a way to measure the time it takes for a person to recognize an odor after it has been released into the air stream, and also the time it takes for a user to recognize that the odor is no longer present

Harness Design and Coupling Stiffness for Two-Axis Torso Haptics

torso forces to a user via a harness worn by the user. This paper describes a harness design for transmitting both horizontal and vertical forces to the torso of a user on a locomotion interfaces. For horizontal forces, an exoskeleton-like mechanism distributes forces between the shoulders and hips and accommodates to the complicated motions of the back and shoulders relative to hips. For vertical forces, a body weight support harness is integrated into the exoskeleton-like mechanism. A passive elastic element has been devised that ensures consistent strap tightening. Measurements are presented that shows the stiffness of the mechanical coupling of harness to subject for the purposes of faithful force application to the torso

Analyse, commande et intégration d'un mécanisme parallèle entraîné par des câbles pour la réalisation d'une interface haptique comme métaphore de navigation dans un environnement virtuel

Un domaine de la recherche en ingénierie des systèmes est de développer des systèmes supervisés semi-autonomes qui interagissent à un très haut niveau avec l'humain. Ces systèmes intelligents ont les capacités d'analyser et de traiter certaines informations pour produire un comportement général observable par les capacités sensorielles et temporelles de l'humain. Il est donc nécessaire de définir un environnement créatif qui interface efficacement l'humain aux informations pour rendre de nouvelles expériences multi-sensorielles optimisant et facilitant la prise de décision. En d'autres mots, il est possible de définir un système multi-sensoriel par sa capacité à augmenter l'optimisation de la prise de décision à l'aide d'une interface qui définit un environnement adapté à l'humain. Un système haptique dans un environnement virtuel incluant une collaboration et une interaction entre l'humain, les mécanismes robotisés et la physique de la réalité virtuelle est un exemple. Un système haptique doit gérer un système dynamique non-linéaire sous-contraint et assurer sa stabilité tout en étant transparent à l'humain. La supervision de l'humain permet d'accomplir des tâches précises sans se soucier de la complexité de la dynamique d'interactions alors que le système gère les différents problèmes antagonistes dont de stabilité (délai de la communication en réseau, stabilité des rendus, etc.), de transparence et de performance. Les travaux de recherche proposés présentent un système multi-sensoriel visuo-haptique qui asservisse l'interaction entre l'humain, un mécanisme et la physique de l'environnement virtuel avec une commande bilatérale. Ce système permet à l'humain de réaliser des fonctions ou des missions de haut niveau sans que la complexité de la dynamique d'interaction limite la prise de décision. Plus particulièrement, il sera proposé de réaliser une interface de locomotion pour des missions de réadaptation et d'entraînement. Ce projet, qui est nommé NELI (Network Enabled Locomotion Interface), est divisé en plusieurs sous-systèmes dont le mécanisme entraîné par des câbles nommé CDLI ( Cable Driven Locomotion Interface ), le système asservi avec une commande bilatérale qui assure le rendu de la locomotion, la réalité virtuelle qui inclut la physique de l'environnement, le rendu haptique et le rendu visuel. Dans un premier temps, cette thèse propose une méthode qui assure la qualité de la réponse de la transmission en augmentant la transparence dynamique de l'asservissement articulaire d'une manière automatique. Une approche d'optimisation, basée sur une amélioration des Extremum Seeking Tuning, permet d'ajuster adéquatement les paramètres des régulateurs et définit le critère de l'assurance qualité dans le cas d'une production massive. Cet algorithme est ensuite utilisé, pour étudier le rendu d'impédance avec l'aide de la modélisation d'un câble et de l'enrouleur. Cette modélisation permet de définir un asservissement articulaire hybride qui est utilisé dans la commande hybride cartésienne afin d'assurer le rendu haptique. Dans un troisième temps, dans un contexte de sécurité, la gestion des interférences entre les pièces mécaniques de l'interface de locomotion est décrite avec une méthode d'estimation des collisions des câbles. Une démonstration des interférences entre les câbles de deux plates-formes est simulée démontrant la faisabilité de l'approche. Finalement, la définition d'un moteur physique par un rendu haptique hybride au niveau de la commande cartésienne est présentée en considérant la géométrie des points de contact entre le modèle du pied virtuel et un objet virtuel. Cette approche procure la stabilité d'interaction recherchée lors de la simulation d'un contact infiniment rigide. Un robot marcheur de marque Kondo est embarqué sur l'interface de locomotion pour interagir avec les objets virtuels. Les résultats de la marche du robot dans l'environnement virtuel concrétisent le projet et servent de démonstrateur technologique