Contact geometry and mechanics predict friction forces during tactile surface exploration

International audienceWhen we touch an object, complex frictional forces are produced, aiding us in perceiving surface features that help to identify the object at hand, and also facilitating grasping and manipulation. However, even during controlled tactile exploration, sliding friction forces fluctuate greatly, and it is unclear how they relate to the surface topography or mechanics of contact with the finger. We investigated the sliding contact between the finger and different relief surfaces, using high-speed video and force measurements. Informed by these experiments, we developed a friction force model that accounts for surface shape and contact mechanical effects, and is able to predict sliding friction forces for different surfaces and exploration speeds. We also observed that local regions of disconnection between the finger and surface develop near high relief features, due to the stiffness of the finger tissues. Every tested surface had regions that were never contacted by the finger; we refer to these as " tactile blind spots ". The results elucidate friction force production during tactile exploration, may aid efforts to connect sensory and motor function of the hand to properties of touched objects, and provide crucial knowledge to inform the rendering of realistic experiences of touch contact in virtual reality

Tribological interactions of the finger pad and tactile displays

This thesis summarise the results of an investigation of the tribological interactions of the human finger pad with different surfaces and tactile displays. In the wide range of analyses of the mechanical properties of the finger pad, an attempt has been made to explain the nature of the interactions based on critical material parameters and experimental data. The experimental data are presented together with detailed modelling of the contact mechanics of the finger pad compressed against a smooth flat surface. Based on the model and the experimental data, it was possible to account of the loading behaviour of a finger pad and derive the Young’s modulus of the fingerprint ridges. The frictional measurements of a finger pad against smooth flat surfaces are consistent with an occlusion mechanism that is governed by first order kinetics. In contrast, measurements against a rough surface demonstrated that the friction is unaffected by occlusion since Coulombic slip was exhibited. The thesis includes an investigation of critical parameters such as the contact area. It has been shown that four characteristic length scales, rather than just two as previously assumed, are required to describe the contact mechanics of the finger pad. In addition, there are two characteristic times respectively associated with the growth rates of junctions formed by the finger pad ridges and of the real area of contact. These length and time scales are important in understanding how the Archardian-Hertzian transition drives both the large increase of friction and the reduction of the areal load index during persisting finger contacts with impermeable surfaces. Established and novel models were evaluated with statistically meaningful experiments for phenomena such as lateral displacement, electrostatic forces and squeeze-film that have advanced applications

Magnetosensitive e-skins for interactive electronics

The rapid progress of electronics and computer science in the last years has brought humans and machines closer than ever before. Current trends like the Internet of Things and artificial intelligence are closing the gap even further, by providing ubiquitous data processing and sensing. As this ongoing revolution advances, novel forms of human-machine interactions are required in an ever more connected world. A crucial component to enable these interactions is the field of flexible electronics, which aims to establish a seamless link between living and artificial entities using electronic skins (e-skins). E-skins combine the functionality of commercial electronics with the soft, stretchable and biocompatible characteristics of human skin or tissue. Until lately, the focus had been to replicate the standard functions associated with human skin, such as, temperature, pressure and chemical detection. Yet, recent developments have also introduced non-standard sensing capabilities like magnetic field detection to create the field of magnetosensitive e-skins. The addition of a supplementary information channel—an electronic sixth sense—has sparked a wide range of applications in the fields of cognitive psychology and human-machine interactions. In this thesis, we expand the concept of magnetosensitive e-skins to include the notion of directionality, which utilizes the full interaction potential of the magnetic field vector. Also, we introduce the use of flexible magnetoelectronics in virtual/augmented reality and human-computer interfaces. Three main results are attained in the course of this work: (i) we first demonstrate how magnetosensitive e-skins can be used as humanmachine interfaces driven by permanent magnet sources in the range of 5 mT. (ii) Building upon this milestone, we realize the first magnetosensitive e-skins which are driven by the earth’s magnetic field of 50 μT. (iii) We fabricate magnetosensitive e-skins which push the detection limit below 1 μT. The magnetosensitive e-skins in this work open exciting possibilities for sensory substitution experiments and sensory processing disorder therapies. Futhermore, for human-machine interactions, they provide a new interactive platform for touchless and gestural control in virtual and augmented reality scenarios beyond the limitations of optics-based systems.Der rasante Fortschritt der Elektronik und der Informatik in den letzten Jahren hat Mensch und Maschine nähergebracht als je zuvor. Aktuelle Trends wie das Internet der Dinge und künstliche Intelligenz schließen die Lücke noch weiter, indem sie eine allgegenwärtige Datenverarbeitung und -erfassung ermöglichen. Mit fortschreitender Revolution sind neue Formen der Mensch-Maschine-Interaktion in einer immer vernetzter werdenden Welt erforderlich. Eine entscheidende Komponente, um diese Interaktionen zu ermöglichen, ist das Gebiet der flexiblen Elektronik, das darauf abzielt, mithilfe elektronischer Häute (e-skins) eine nahtlose Verbindung zwischen lebenden und künstlichen Entitäten herzustellen. E-skins verbinden die Funktionalität kommerzieller Elektronik mit den weichen, dehnbaren und biokompatiblen Eigenschaften menschlicher Haut oder menschlichen Gewebes. Bis vor kurzem lag der Schwerpunkt auf der Nachbildung der mit der menschlichen Haut verbundenen Standardfunktionen wie Temperatur-, Druck- und Chemikalienerkennung. Jüngste Entwicklungen haben jedoch auch nicht standardmäßige Erfassungsfähigkeiten wie die Magnetfelderkennung eingeführt, um das Feld magnetoempfindlicher e-skins zu erzeugen. Die Hinzufügung eines zusätzlichen Informationskanals - eines elektronischen sechsten Sinns - hat eine breite Palette von Anwendungen auf den Gebieten der kognitiven Psychologie und der Mensch-Maschine-Interaktionen ausgelöst. In dieser Arbeit erweitern wir das Konzept der magnetoempfindlichen e-skins um den Begriff der Richtwirkung, bei dem das volle Wechselwirkungspotential des Magnetfeldvektors genutzt wird. Außerdem führen wir die Verwendung flexibler Magnetoelektronik in der virtuellen Realität / erweiterten Realität und in Mensch-Computer-Schnittstellen ein. Im Verlauf dieser Arbeit werden drei Hauptergebnisse erzielt: (i) Wir demonstrieren erstmals, wie magnetoempfindliche e-skins als Mensch-Maschine-Schnittstellen verwendet werden können, die von Permanentmagnetquellen im Bereich von 5 mT angetrieben werden. (ii) Aufbauend auf diesem Meilenstein realisieren wir die ersten magnetoempfindlichen e-skins, die vom Erdmagnetfeld von 50 μT angetrieben werden. (iii) Wir fertigen magnetoempfindliche e-skins, bei denen die Nachweisgrenze unter 1 μT liegt. Die magnetoempfindlichen e-skins in dieser Arbeit eröffnen aufregende Möglichkeiten für sensorische Substitutionsexperimente und Therapien bei sensorischen Verarbeitungsstörungen. Darüber hinaus bieten sie für die Mensch-Maschine-Interaktion eine neue interaktive Plattform für die berührungslose und gestische Steuerung in virtuellen und Augmented Reality-Szenarien, die über die Grenzen optikbasierter Systeme hinausgehen

Objekt-Manipulation und Steuerung der Greifkraft durch Verwendung von Taktilen Sensoren

This dissertation describes a new type of tactile sensor and an improved version of the dynamic tactile sensing approach that can provide a regularly updated and accurate estimate of minimum applied forces for use in the control of gripper manipulation. The pre-slip sensing algorithm is proposed and implemented into two-finger robot gripper. An algorithm that can discriminate between types of contact surface and recognize objects at the contact stage is also proposed. A technique for recognizing objects using tactile sensor arrays, and a method based on the quadric surface parameter for classifying grasped objects is described. Tactile arrays can recognize surface types on contact, making it possible for a tactile system to recognize translation, rotation, and scaling of an object independently.Diese Dissertation beschreibt eine neue Art von taktilen Sensoren und einen verbesserten Ansatz zur dynamischen Erfassung von taktilen daten, der in regelmäßigen Zeitabständen eine genaue Bewertung der minimalen Greifkraft liefert, die zur Steuerung des Greifers nötig ist. Ein Berechnungsverfahren zur Voraussage des Schlupfs, das in einen Zwei-Finger-Greifarm eines Roboters eingebaut wurde, wird vorgestellt. Auch ein Algorithmus zur Unterscheidung von verschiedenen Oberflächenarten und zur Erkennung von Objektformen bei der Berührung wird vorgestellt. Ein Verfahren zur Objekterkennung mit Hilfe einer Matrix aus taktilen Sensoren und eine Methode zur Klassifikation ergriffener Objekte, basierend auf den Daten einer rechteckigen Oberfläche, werden beschrieben. Mit Hilfe dieser Matrix können unter schiedliche Arten von Oberflächen bei Berührung erkannt werden, was es für das Tastsystem möglich macht, Verschiebung, Drehung und Größe eines Objektes unabhängig voneinander zu erkennen