Modelling, identification and control of a Langevin transducer

The control of the vibration amplitude, and the resonance frequency tracking for ultrasonic transducer have been established. However, some applications require to control the vibration amplitude and its relative phase at a fixed frequency as the generation of travelling wave. In this paper, the transducer is modelled in rotating frame, and the decoupling according to two-axis allows to obtain a double independent closed loop control to address this issue. It is possible to control the transducer vibration amplitude and its relative phase, in steady state even in transient by acting on the amplitude of the supply voltage. Thanks to vector control method. This approach will be confirmed with experimental and simulation results.This work has been carried out within the framework of the project StimTac of IRCICA (institut de recherche sur les composants logiciels et matériel pour la communication avancée), and the Project Mint of Inria

Preliminary design of a multi-touch ultrasonic tactile stimulator

This paper presents a method to control ultrasonic waves on a beam, allowing to obtain a Multi-touch ultrasonic tactile stimulation in two points, to give the sensation to two fingers, from two piezoelectric transducers. The multi-modal approach and the vector control method are used to regulate the vibration amplitude, in order to modulate the friction coefficient with the fingers. An analytical modelling is presented, with experimental validation. Finally a psychophysical experiment shows that a multi-touch ultrasonic tactile stimulation is possible.This work has been carried out within the framework of the project StimTac of IRCICA (institut de recherche sur les composants logiciels et matériel pour la communication avancée), and the Project Mint of Inria

Vector Control of Piezoelectric Transducers and Ultrasonic Actuators

This paper presents the implementation of a novel vibration amplitude control and resonant frequency tracking for piezoelectric transducers (PTs) and ultrasonic motors (USMs). It is based on a generalization of the vector control method to the PT and the USM, which is explained in the first part. We show that two independent controllers with a similar structure are required: one tracks the resonant frequency and the second controls the amplitude. We then present the implementation into a low-cost digital signal processing controller with a sampling period of 200 µs. Experimental results on a Langevin transducer achieved a time response of 20 ms approximately, and the generality of the method is further demonstrated on a 2-D tactile stimulator at the end of this paper

Modal Superimposition for Multi-fingers Variable Friction Tactile Device

International audienceIn this study, we develop and implement a method for superimposing two vibration modes in order to produce different tactile stimuli on two fingers located in different positions. The tactile stimulation is based on the squeeze film effect which decreases the friction between a fingertip and a vibrating plate. Experimental test have been conducted on a 1D tactile device. They show that it is possible to continuously control the friction on two fingers moving independently. Then, we developed the design of a 2D device based on the same principle, which gives rise to the design of a two-fingers tactile display. Evaluations were conducted using a modal analysis with experimental validation

Modelling and control of a travelling wave in a finite beam, using multi-modal approach and vector control method

International audience—This paper presents a new method to produce and control the vibration amplitude and direction of a travelling wave in a finite beam, using multi-modal approach. A closed loop control of the transducer vibration is applied using vector control method. the modelling in rotating frame and the decoupling according to two-axis allows to obtain a double independent closed loop control. This allows to regulate the vibration amplitude of the travelling wave directly. An analytical modelling is presented, with experimental validation, showing good performances even in the presence of perturbations

Control and evaluation of a 2-D multimodal controlled-friction display

The multimodal control of a 2D controlled-Friction Device is presented. We use the Vector control method because the phase and amplitude of two vibration modes at a same frequency can be precisely set. The closed loop response time of 10 ms is achieved. The device is then associated with a finger position sensor. The algorithm of the multimodal approach is then tested. In spite of the inevitable limitations of the system - saturation of amplifiers, low sampling frequency of the sensor - low friction could be imposed under a finger while a high friction was imposed on a pre-determined position. This confirms the validity of the modal approach to create multi touch interactions

Approche multimodale pour la conception d'interfaces à retour tactile à plusieurs doigts

Tactile display devices are used for providing tactile feedback to their users. They can reproduce the illusion of textured surface by controlling the friction between a vibrating surface and a sliding finger on it. For most of these devices, the basic principle is to use a single resonant mode whose frequency and wave form are imposed by the nature of the material and the geometry of the device. The mode is selected to achieve a homogeneous stimulation, and thereby tactile sensation is undifferentiated over the entire surface. The single mode tactile devices are limited for applications which require more varied information on surface.This work introduces a novel approach for tactile feedback based on the superposition of several vibration modes. The modes are excited simultaneously to perform a more complex wave form and are capable to generate multitouch tactile feedback. This approach has been validated for the case of a beam where two vibration modes were superimposed to generate a differentiated tactile simulation with two fingers. Thanks to vector control method applied to a piezoacturator. A tracking system was implemented to give a multitouch illusion based on the positions of the two fingers. This multimodal approach was later extended to the case of a thin plate where different spatial distributions of the displacement have been imposed, which causes different friction coefficients over the entire surface of the structure.The approach developed in this work is also capable to generate and control a travelling wave amplitude and direction. For this reason, we evaluated the interest of travelling waves in touch interfaces. The achieved results show that it is possible to obtain two different sensations according to the controlled direction of travelling wave.Psychophysical assessments of proposed devices clearly show the interest to use several vibration modes in tactile feedback simulation.Les dispositifs à retour tactile sont utilisés pour créer un retour sensoriel à leurs utilisateurs. Par exemple, il est possible de reproduire sous le doigt l'illusion de surfaces texturées par le contrôle de la friction entre une surface mise en vibration et le doigt de l'utilisateur parcourant la dalle. Pour la plupart de ces dispositifs, le principe de base consiste à utiliser un mode de résonance dont la fréquence et la forme sont imposées par la nature du matériau et la géométrie du dispositif. Le mode est sélectionné pour réaliser une stimulation homogène, et de ce fait elle est indifférenciée sur l'ensemble de la surface. En regard de certaines applications demandant une information plus variée, c'est un facteur limitant.On propose dans ce travail de thèse une nouvelle approche, basée sur la superposition de plusieurs modes de vibration. Les modes sont excités simultanément pour réaliser des déformées plus complexes et modulables, afin de générer une simulation à retour tactile multitouch. Cette approche a été validée pour le cas d'une poutre où deux modes de vibration ont été superposés pour générer une simulation tactile différenciée sous deux doigts, grâce au contrôle vectoriel de deux actionneurs piézoélectriques. Un système de suivi a été implémenté pour donner une illusion multitouch en fonction de la position des deux doigts. Cette approche multimodale a été ensuite étendue au cas d'une plaque mince où différentes distributions spatiales du déplacement ont été imposées, ce qui provoque différents coefficients de frottement sur toute la surface de la structure.L'approche développée dans ce travail nous a permis également de générer et de contrôler une onde progressive en amplitude et en direction. Pour cette raison, nous avons évalué l'intérêt des ondes progressives dans les interfaces tactiles. Les résultats ont montré la possibilité d'obtenir deux sensations différentes selon la direction contrôlée de l'onde progressive.Les évaluations psychophysiques des dispositifs proposés dans ce travail, montrent clairement l'intérêt d'exploiter plusieurs modes de vibration pour une simulation à retour tactile

Multimodal approach for the design of a multitouch tactile feedback interface

Les dispositifs à retour tactile sont utilisés pour créer un retour sensoriel à leurs utilisateurs. Par exemple, ils est possible de reproduire sous le doigt l'illusion de surfaces texturées par le contrôle de la friction entre une surface mise en vibration et le doigt de l'utilisateur parcourant la dalle. Pour la plupart de ces dispositifs, le principe de base consiste à utiliser un mode de résonance dont la fréquence et la forme sont imposées par la nature du matériau et la géométrie du dispositif. Le mode est sélectionné pour réaliser une stimulation homogène, et de ce fait elle est indifférenciée sur l'ensemble de la surface. En regard de certaines applications demandant une information plus variée, c'est un facteur limitant. On propose dans ce travail de thèse une nouvelle approche, basée sur la superposition de plusieurs modes de vibration. Les modes sont excités simultanément pour réaliser des déformées plus complexes et modulables, afin de générer une simulation à retour tactile multitouch. Cette approche a été validée pour le cas d'une poutre où deux modes de vibration ont été superposés pour générer une simulation tactile différenciée sous deux doigts, grâce au contrôle vectoriel de deux actionneurs piézoélectriques. Cette approche multimodale a été ensuite étendue au cas d'une plaque mince où différentes distributions spatiales du déplacement ont été imposées.L'approche développée dans ce travail nous a permis également de générer et de contrôler une onde progressive en amplitude et en direction. Pour cette raison, nous avons évalué l'intérêt des ondes progressives dans les interfaces tactiles. Les évaluations psychophysiques des dispositifs proposés montrent clairement l'intérêt d'exploiter plusieurs modes de vibration pour une simulation à retour tactile.Tactile display devices are used for providing tactile feedback to their users. They can reproduce the illusion of textured surface by controlling the friction between a vibrating surface and a sliding finger on it. For most of these devices, the basic principle is to use a single resonant mode whose frequency and wave form are imposed by the nature of the material and the geometry of the device. The mode is selected to achieve a homogeneous stimulation, and thereby tactile sensation is undifferentiated over the entire surface. The single mode tactile devices are limited for applications which require more varied information on surface.This work introduces a novel approach for tactile feedback based on the superposition of several vibration modes. The modes are excited simultaneously to perform a more complex wave form and are capable to generate multitouch tactile feedback. This approach has been validated for the case of a beam where two vibration modes were superimposed to generate a differentiated tactile simulation with two fingers. Thanks to vector control method applied to a piezoacturator. A tracking system was implemented to give a multitouch illusion based on the positions of the two fingers. This multimodal approach was later extended to the case of a thin plate where different spatial distributions of the displacement have been imposed. The approach developed in this work is also capable to generate and control a travelling wave amplitude and direction. For this reason, we evaluated the interest of travelling waves in touch interfaces. Psychophysical assessments of proposed devices clearly show the interest to use several vibration modes in tactile feedback simulation

Approche multimodale pour la conception d'interfaces à retour tactile à plusieurs doigts

Tactile display devices are used for providing tactile feedback to their users. They can reproduce the illusion of textured surface by controlling the friction between a vibrating surface and a sliding finger on it. For most of these devices, the basic principle is to use a single resonant mode whose frequency and wave form are imposed by the nature of the material and the geometry of the device. The mode is selected to achieve a homogeneous stimulation, and thereby tactile sensation is undifferentiated over the entire surface. The single mode tactile devices are limited for applications which require more varied information on surface.This work introduces a novel approach for tactile feedback based on the superposition of several vibration modes. The modes are excited simultaneously to perform a more complex wave form and are capable to generate multitouch tactile feedback. This approach has been validated for the case of a beam where two vibration modes were superimposed to generate a differentiated tactile simulation with two fingers. Thanks to vector control method applied to a piezoacturator. A tracking system was implemented to give a multitouch illusion based on the positions of the two fingers. This multimodal approach was later extended to the case of a thin plate where different spatial distributions of the displacement have been imposed, which causes different friction coefficients over the entire surface of the structure.The approach developed in this work is also capable to generate and control a travelling wave amplitude and direction. For this reason, we evaluated the interest of travelling waves in touch interfaces. The achieved results show that it is possible to obtain two different sensations according to the controlled direction of travelling wave.Psychophysical assessments of proposed devices clearly show the interest to use several vibration modes in tactile feedback simulation.Les dispositifs à retour tactile sont utilisés pour créer un retour sensoriel à leurs utilisateurs. Par exemple, il est possible de reproduire sous le doigt l'illusion de surfaces texturées par le contrôle de la friction entre une surface mise en vibration et le doigt de l'utilisateur parcourant la dalle. Pour la plupart de ces dispositifs, le principe de base consiste à utiliser un mode de résonance dont la fréquence et la forme sont imposées par la nature du matériau et la géométrie du dispositif. Le mode est sélectionné pour réaliser une stimulation homogène, et de ce fait elle est indifférenciée sur l'ensemble de la surface. En regard de certaines applications demandant une information plus variée, c'est un facteur limitant.On propose dans ce travail de thèse une nouvelle approche, basée sur la superposition de plusieurs modes de vibration. Les modes sont excités simultanément pour réaliser des déformées plus complexes et modulables, afin de générer une simulation à retour tactile multitouch. Cette approche a été validée pour le cas d'une poutre où deux modes de vibration ont été superposés pour générer une simulation tactile différenciée sous deux doigts, grâce au contrôle vectoriel de deux actionneurs piézoélectriques. Un système de suivi a été implémenté pour donner une illusion multitouch en fonction de la position des deux doigts. Cette approche multimodale a été ensuite étendue au cas d'une plaque mince où différentes distributions spatiales du déplacement ont été imposées, ce qui provoque différents coefficients de frottement sur toute la surface de la structure.L'approche développée dans ce travail nous a permis également de générer et de contrôler une onde progressive en amplitude et en direction. Pour cette raison, nous avons évalué l'intérêt des ondes progressives dans les interfaces tactiles. Les résultats ont montré la possibilité d'obtenir deux sensations différentes selon la direction contrôlée de l'onde progressive.Les évaluations psychophysiques des dispositifs proposés dans ce travail, montrent clairement l'intérêt d'exploiter plusieurs modes de vibration pour une simulation à retour tactile