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VARGIOLU, Roberto (34 rue de la Tourtière, Millery, Millery, F-69390, FR)
| REVENDICATIONS 1 - Procédé de caractérisation du toucher humain, caractérisé en ce que l'on détecte et l'on mesure les vibrations (4) induites sur la pulpe d'un doigt humain (1) lors d'un frottement dudit doigt sur une surface (2). 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on détecte et l'on mesure les vibrations (4) induites sur la pulpe du doigt humain (1) sur un côté du doigt, à proximité de la pulpe. 3 - Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on détecte et l'on mesure les vibrations sur un côté du doigt situé dans le sens opposé au sens de déplacement (D) du doigt sur la surface. 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'on détecte et l'on mesure les vibrations (4) induites sur la pulpe d'un doigt humain (1) par l'intermédiaire d'un accéléromètre (3) fixé sur le doigt et relié à un dispositif d'acquisition et d'analyse (MA). 5 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le mouvement (D) de frottement du doigt sur la surface est un mouvement de translation. 6 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le mouvement (D) de translation du doigt est unidirectionnel suivant des trajectoires rectiligne, circulaire, curviligne ou aléatoire. 7 - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'accéléromètre est fixé sur un côté du doigt (1) opposé au sens de déplacement du doigt (1) sur la surface (2). 8 - Procédé selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que l'accéléromètre est collé sur le doigt de frottement. 9 - Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'accéléromètre est collé sur le doigt à l'aide d'une colle cyanolite. 10 - Procédé selon l'une des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que l'on enregistre le signal vibratoire capté par l'accéléromètre lors du frottement du doigt sur la surface et l'on calcule à partir de ce signal le niveau vibratoire moyen Lv suivant la relation Lv (dB) = 201og10— , où V est la moyenne quadratique du signal vibratoire et V0 est le niveau vibratoire de référence (1CT9 m/s). 11 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'on enregistre et mesure simultanément au signal vibratoire les efforts tangentiels et normaux appliqués par le doigt sur la surface. 12 - Procédé selon l'une des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce que l'on établit à partir du signal vibratoire capté par l'accéléromètre un spectre de densité spectrale de puissance pour analyser fréquentiellement ledit signal. |
Domaine de l'invention
La présente invention concerne le domaine de la caractérisation physique des sens humains et de l'exploitation de cette caractérisation.
Plus particulièrement l'invention concerne un procédé de caractérisation du sens du toucher humain sur une surface par mesure vibratoire. Etat de la technique
Pour apprécier la douceur d'une surface ou d'une matière, le réflexe usuel est de passer la main, et plus particulièrement les pulpes digitales suivant un mouvement de frottement sur ladite surface ou matière. Cette action de frottement des pulpes digitales met en œuvre des capteurs sensoriels localisés au niveau de ces pulpes, qui traduisent par vibrations les sollicitations mécaniques de la pulpe des doigts lors du frottement, cette information vibratoire étant ensuite transmise par le système nerveux au cerveau.
Des études neurophysiologiques ont permis de caractériser que la fonction tactile est assurée par divers capteurs de type mécanorécepteurs concentrés sur la pulpe des doigts qui transforment les sollicitations physiques appliquées sur les doigts en un signal électrique impulsionnel transmis au cerveau. Chacun de ces récepteurs est sensible dans une bande de fréquence donnée. Selon des dermatologues, les récepteurs de Paccini peuvent détecter des amplitudes de sollicitations de quelques microns à une fréquence de 300 Hz (maximum de sensibilité) et les corpuscules de Meissner répondraient à une plus basse fréquence de l'ordre de 50 Hz (sensibilité du toucher appuyé). Les capteurs à adaptation lente (Merkell, Ruffini) déterminent par un système de boucle avec le cerveau la profondeur d'enfoncement sur la peau, ce qui se traduit en une information de propriétés mécaniques sur la raideur superficielle de la peau et détermine les conditions de glissement du toucher. Malgré toutes ces connaissances fondamentales sur les mécanismes de perception du toucher, il n'existe pas à ce jour de procédé technique permettant de reproduire le toucher humain et surtout de décrire une sensation correspondante au toucher humain de façon technique.
En particulier, lorsqu'aujourd'hui des industriels ou des scientifiques veulent évaluer le toucher d'une surface, ils ont recours à des groupes de panélistes qui traduisent la sensation de toucher qu'ils ont avec leurs doigts par des mots ou des notes, comme par exemple pour décrire une sensation gustative ou olfactive.
Cependant, cette approche reste très subjective et demande un entraînement régulier des panélistes, dont par ailleurs la sensibilité peut être altérée ou modifiée dans le temps, ce qui pose des problèmes de renouvellement des panélistes.
Aussi existe-t-il aujourd'hui une demande de plus en plus pressante de la part des entreprises industrielles notamment pour bénéficier d'un outil fiable d'objectivation de la caractérisation d'un toucher d'une surface, qui ne soit pas lié à l'emploi de panélistes.
Certains travaux ont déjà été entrepris pour tenter de caractériser physiquement le toucher humain, par mesure du coefficient de frottement d'un doigt sur une surface. Cette mesure est effectuée avec des capteurs placés sur la pulpe du doigt d'une personne. Cependant avec cette technique, le contact obtenu est en fait celui des capteurs sur la surface testée et non celui du doigt sur la surface. L'exploitation des tests réalisés suivant cette technique a montré que la simple mesure du coefficient de frottement était insuffisante pour caractériser de manière fiable le toucher.
D'autres travaux ont tenté de caractériser effectivement le toucher humain par la mise en œuvre de doigts artificiels ou encore de sondes tribo-acoustiques.
Il a notamment été proposé un doigt artificiel composé d'une armature en bois recouverte des gels de différentes densités pour simuler les chairs et l'épiderme d'un doigt humain. Une jauge de contrainte disposée sensiblement entre les deux couches de gel et reliée à un dispositif d'acquisition vise alors à capter les vibrations dans le doigt artificiel pour permettre une caractérisation du toucher (Takasaki et AL, Robotics and biométries, 2009 IEEE International Conférence ON, IEEE, 19/12/2009 pages 1669-1674).
Les inventeurs ont également proposé la réalisation d'une sonde tribo- acoustique de caractérisation du toucher dans la demande de brevet WO 2005/085805 Al ainsi que dans la revue WEAR, vol. 267, pages 1274-1280, 15/06/2009.
Cependant, ces solutions de caractérisation artificielles du toucher ne permettent pas de correler effectivement et efficacement une valeur de mesure physique vibratoire ou acoustique aux sensations réelles perçues par un humain, sensation réelle déterminante notamment pour qualifier les propriétés de douceur de tissus ou de résultats de produits cosmétiques sur la peau.
Description de l'invention
L'objectif de la présente invention consiste à résoudre le problème technique de caractérisation physique du toucher de manière fiable et reproductible et qui pallie aux problèmes des techniques de l'art antérieur.
Un but de l'invention est également de fournir une technique de caractérisation objective du toucher qui soit simple et abordable de mise en œuvre.
A cet effet, la présente invention propose un procédé de caractérisation du toucher humain, caractérisé en ce que l'on détecte et l'on mesure les vibrations induites sur la pulpe d'un doigt humain lors d'un frottement dudit doigt sur une surface.
Selon ce procédé, on détecte et on mesure les vibrations induites sur la pulpe du doigt sur un côté du doigt, à proximité de la pulpe.
Le procédé de la présente invention permet de réaliser un contact direct de la pulpe du doigt sur une surface à analyser et donc de mesurer les vibrations réellement perçues par les mécanorécepteurs de la pulpe sous la forme d'un signal vibratoire constituant une caractéristique physique mesurable concrète et objective du contact, donc du toucher entre la surface à analyser et la pulpe du doigt. Selon une caractéristique préférée du procédé de l'invention, on détecte et l'on mesure les vibrations sur un côté du doigt situé dans le sens opposé au sens de déplacement du doigt sur la surface.
De plus, toujours selon l'invention, on détecte et on mesure les vibrations induites sur la pulpe d'un doigt par l'intermédiaire d'un accéléromètre fixé sur le doigt et relié à un dispositif d'acquisition et d'analyse.
Selon une forme préférentielle de mise en œuvre du procédé de l'invention, le mouvement de frottement du doigt sur la surface est un mouvement de translation suivant une trajectoire rectiligne, circulaire, curviligne ou aléatoire et de préférence encore suivant un mouvement de translation unidirectionnel et dans un seul sens.
Conformément à une caractéristique avantageuse de mise en œuvre de l'invention, l'accéléromètre utilisé pour capter le signal vibratoire au niveau de la pulpe du doigt est fixé sur un côté du doigt opposé au sens de déplacement du doigt sur la surface. Une telle position de l'accéléromètre présente l'avantage de capter les vibrations tangentielles de l'ensemble du volume en sortie de la pulpe lors de la translation de celle-ci.
Afin d'éviter au maximum toute perturbation des mesures effectuées, l'accéléromètre est de préférence collé sur le doigt de frottement, notamment par exemple à l'aide d'une colle cyanolite. Une telle colle présente l'avantage de ne pas ou peu atténuer ou perturber la mesure des vibrations, et d'être anodine pour l'épiderme humain.
Toujours selon le procédé de la présente invention, on enregistre le signal vibratoire capté par l'accéléromètre lors du frottement du doigt sur la surface et l'on calcule à partir de ce signal le niveau vibratoire moyen Lv suivant la relation suivante:
Lv (dB) = 201og 10 — , où V est la moyenne quadratique du signal vibratoire et
Vo est le niveau vibratoire de référence (10 ~9 m/s).
Ce niveau vibratoire moyen Lv correspond à l'intensité de la vibration produite par le frottement de deux corps, en l'espèce la pulpe du doigt sur la surface à analyser, et est représentatif de l'état de surface ainsi que de la douceur effectivement ressentie par la personne dont le doigt est instrumenté de l'accéléromètre.
Par ailleurs, toujours dans le cadre de l'invention, on enregistre et mesure simultanément au signal vibratoire Lv les efforts tangentiels et normaux appliqués par le doigt sur la surface. Une telle mesure peut notamment s'effectuer à l'aide de capteurs normaux et tangentiels à la surface à analyser et reliés au dispositif d'acquisition et d'analyse.
Enfin, à titre complémentaire, on établit également dans le cadre de l'invention à partir du signal vibratoire capté par l'accéléromètre un spectre de densité spectrale de puissance pour analyser fréquentiellement ledit signal.
Le procédé de la présente invention peut trouver une application dans un grand nombre de secteurs de l'industrie, notamment pour évaluer la douceur de tissus tissés et non tissés, de cuirs, de pelages, de papiers, de la peau et des cheveux, pour évaluer l'efficacité d'un produit cosmétique, ou encore pour qualifier la qualité perçue de matériaux ou d'objets comme dans le domaine de l'automobile ou de l'aéronautique par exemple.
Description des dessins annexés
Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention.
la figure 1 représente schématiquement la mise en œuvre pratique du procédé de caractérisation de toucher de l'invention;
la figure 2 représente un signal vibratoire extrait et traité dans le cadre du procédé de l'invention tel que mis en œuvre sur la figure 1;
la figure 3 représente des courbes de niveau vibratoire moyen Lv mesuré pour différentes qualités de papiers sur différents supports suivant le procédé de l'invention ;
la figure 4 représente sous forme d'histogrammes comparatifs les niveaux vibratoires moyens Lv mesurés suivant le procédé de l'invention sur différents lots de tissus JERSEY avant et après lavage. Les figures 5A et 5B représentent respectivement les niveaux vibratoires et les courbes de densité spectrale de puissance obtenues lors de tests d'évaluation du toucher d'un textile avant et après traitement avec un assouplissant par le procédé de l'invention ;
Les figures 6A et 6B représentent respectivement les niveaux vibratoires et les courbes de densité spectrale de puissance obtenues lors de tests d'évaluation du toucher sur la peau avant et après application d'une crème hydratante ;
Les figures 7A et 7B représentent les niveaux vibratoires et les courbes de densité spectrale de puissance obtenues lors de tests d'évaluation du toucher de trois élastomères de même rugosité et de module d'élasticité différents.
Description détaillée de l'invention
La présente invention propose un procédé de caractérisation physique du toucher humain reposant sur l'instrumentation d'un doigt humain d'une personne à l'aide d'un dispositif d'enregistrement des vibrations ressenties au niveau des mécanorécepteurs de la pulpe du doigt lors d'un mouvement de frottement du doigt sur une surface dont on veut analyser la douceur.
La figure 1 représente schématiquement la mise en œuvre du procédé de l'invention.
Le doigt 1, de préférence l'index, d'une personne est utilisé pour tester l'état de surface d'une surface 2 à analyser. Le doigt 1 est équipé sur un côté du doigt à proximité de la pulpe de celui-ci d'un accéléromètre 3. Cet accéléromètre 3 est relié à un dispositif d'acquisition et de mesure MA qui enregistre les vibrations perçues par l'accéléromètre 3 lors du passage de la pulpe du doigt 1 sur la surface 2 et établit un signal vibratoire 4. Le dispositif d'acquisition et de mesure MA comprend un logiciel d'acquisition et de traitement de signaux vibratoires qui permet d'enregistrer le signal vibratoire 4 et de traiter celui-ci afin d'obtenir un signal tel que représenté sur la Figure 2, propre à l'analyse et la mesure de grandeurs physiques d'intérêt caractéristiques de l'état de surface de la surface 2 comme il sera discuté par la suite.
L'accéléromètre 3 est de préférence collé sur le doigt 1 à l'aide d'une colle cyanolite, qui présente les avantages d'être solidaire mécaniquement de la pulpe, de ne pas ou peu atténuer ou perturber la mesure des vibrations, et d'être anodine pour l'épiderme humain.
De plus, la surface 2 testée est également avantageusement équipée de capteurs de force reliés eux aussi au dispositif d'acquisition et de mesure MA afin de mesurer lors du passage du doigt 1 sur la surface 2 les efforts normaux Fn et tangentiels Ft appliqués par le doigt sur la surface. La mesure de l'effort normal permet de contrôler l'effort normal appliqué par la pulpe du doigt lors d'un essai de frottement, cette valeur est principalement destinée à réaliser des essais dans des conditions identiques. La mesure de l'effort tangentiel permet de calculer le coefficient de frottement cf (cf=Ft/Fn) du contact de la pulpe du doigt sur la surface à mesurer. La valeur de cf est utilisée comme un indicateur de frottement du contact de la pulpe du doigt sur la surface à mesurer.
L'analyse de la surface 2 selon le procédé de la présente invention consiste dans une forme préférée de mise en œuvre à effectuer avec le doigt 1 équipé de son accéléromètre un frottement de la pulpe du doigt 1 sur la surface 2 suivant un mouvement unidirectionnel de translation D dans un seul sens, l'accéléromètre 3 étant avantageusement fixé sur un côté du doigt 1 opposé au sens du mouvement D sur la surface 2. Une telle position de l'accéléromètre présente l'avantage de capter les vibrations tangentielles en sortie de l'ensemble du volume de la pulpe lors de la translation de celle-ci.
Le signal vibratoire 4 obtenu lors du passage du doigt 1 sur la surface 2 est alors enregistré et traité par le dispositif d'acquisition et de mesure MA, qui calcule alors à partir de ce signal 4 le niveau vibratoire moyen Lv correspondant pour la surface 2. Le niveau vibratoire moyen Lv correspond à l'intensité de la vibration produite par le frottement du doigt 1 sur la surface 2, et est représentatif de l'état de surface et de la douceur ressentie par le doigt 1 sur la surface 2. Plus ce niveau vibratoire moyen Lv est élevé, plus la surface est douce. Le niveau vibratoire moyen Lv se calcule conformément à la formule suivante : Lv (dB) = 201og 10 — , avec V est la moyenne quadratique du signal vibratoire et
V 0 le niveau vibratoire de référence (1CT 9 m/s).
Le calcul du niveau vibratoire moyen Lv constitue un indicateur physique fiable de l'état de surface d'une matière ou d'un objet, qui n'est pas lié à la perception d'une personne ou ses sensations, mais uniquement à la mesure d'un niveau vibratoire lors du contact du doigt sur la matière. Ceci représente donc un indicateur performant et reproductible de la douceur ou l'état de surface d'un produit ou d'une matière.
Par ailleurs, il est également avantageux selon le procédé de l'invention d'établir à partir du signal vibratoire obtenu grâce à l'accéléromètre un spectre de densité spectrale de puissance pour analyser fréquentiellement ledit signal. L'analyse du signal vibratoire du toucher par la densité spectrale de puissance, permet d'identifier la signature vibratoire en fréquences et en amplitudes de la douceur de la surface analysée.
A titre d'exemples, des essais comparatifs de mise en œuvre du procédé de l'invention ont été réalisés sur différentes qualités de papiers en fonction de leur grammage (figure 3) et sur différents lots de tissus JERSEY (figure 4).
En se reportant à la figure 3, on peut ainsi constater que pour un papier blanc, le niveau vibratoire Lv, et donc la douceur du papier, est sensiblement constante indépendamment de son grammage et de son support entre 135 g/m 2 et 250 g/m 2 , puis qu'au-delà de 250 g/m 2 le niveau vibratoire décroît fortement, donc la douceur également, et ceux de façon similaire que le support du papier soit du cuir ou de la mousse.
En revanche, pour un papier noir, on constate une évolution différente du niveau vibratoire Lv à la baisse plus le grammage du papier est élevé.
Ces différentes constatations sont conformes à la réalité sensitive perçue par l'humain, qui observe une sensation plus importante de grain et de rugosité croissante d'un papier avec la croissance de son grammage, mais aussi en fonction des types de papier. En effet, la différence de variation du paramètre Lv pour les papiers blanc et noir pour un même grammage est aussi liée aux paramètres de fabrication du papier tels sa physicochimie de surface et sa raideur, ceux-ci vont influer sur la perception tactile du doigt et donc sur le signal vibratoire lié à douceur de la surface mesurée.
En se reportant maintenant à la figure 4, un autre test de douceur a été effectué conformément au procédé de l'invention sur différents lots de tissus JERSEY ayant bénéficié d'un traitement particulier, du moins doux au plus doux.
On peut constater grâce à cette figure que le lavage des différents lots de tissus tend de façon générale à diminuer singulièrement la douceur du tissu. Ce phénomène s'explique par le fait qu'au cours des lavages, le traitement appliqué sur le tissu disparaît, ce qui a pour effet de diminuer la douceur des tissus.
Ainsi, il apparaît donc au vu des résultats d'essais réalisés et rapportés aux figures 3 et 4 que le procédé de l'invention, qui met en œuvre une détection et une mesure des vibrations générées au niveau de la pulpe du doigt, permet une caractérisation effective et fiable du toucher d'une surface et une évaluation fidèle de sa douceur.
D'autres essais de caractérisation du toucher par le procédé de l'invention ont été mis en œuvre et leurs résultats sont rapportés aux figures 5A à 7B.
Les figures 5A et 5B rendent compte d'u essai de caractérisation du toucher d'un textile avant et après traitement avec un assouplissant. On peut ainsi constater, comme attendu, que le niveau vibratoire Lv obtenu sur le tissu non traité est supérieur, de plus de 100%, au niveau vibratoire obtenu sur le même tissu après traitement.
De plus, l'observation des courbes de densités spectrales de puissance obtenues lors de l'évaluation du toucher par un doigt permettent de montrer que la densité spectrale de puissance lors de l'essai avant traitement à l'assouplissant et plus importante que celle obtenue après traitement.
Par ailleurs ces courbes de densité spectrale de puissance ont exactement un même profil pour le textile considéré seuls les niveaux de densité obtenus variant.
On peut donc envisager d'utiliser le procédé de l'invention pour caractériser des qualités différentes d'un matériau par comparaison des courbes des profils de densité spectrale de puissance obtenues pour un matériau donné d'origine connu et un matériau d'origine inconnue.
Enfin, on peut également noter sur les courbes de densités spectrales de puissance obtenues que les pics principaux obtenus sur ces courbes interviennent à des fréquences légèrement inférieures pour le tissu traité à l'adoucissant que pour le tissu non traité.
Les figures 6A et 6B sont des résultats analogues à ceux des figures 5A et
5B mais correspondant à des tests effectués non plus sur un tissu mais sur un échantillon de peau avant et après application d'une crème hydratante. On peut observer exactement les mêmes effets et conclusions pour ces essais sur la peau que pour ceux réalisés sur un tissu avant et après traitement adoucissant. Les niveaux vibratoires et densités spectrales de puissance sont inférieurs pour la peau après traitement hydratant, les formes de courbes de densités spectrales de puissance présentant un même profil pour la peau hydratée et la peau non hydratée.
Les figures 7A et 7B enfin représentent les niveaux vibratoires Lv et les densités spectrales de puissance observés lors de la mise en œuvre du procédé de l'invention sur trois échantillons de matériau élastomère de même rugosité (Ra=60Mm) mais de modules d'élasticité différents de 400, 500, et 600 KPa. On peut observer sur la Fig. 7A que les niveaux vibratoires mesurés sont d'autant plus élevés que le module d'élasticité des trois échantillons est élevé. Toutefois, on ne constate pas de proportionnalité dans la variation de niveau vibratoire entre les échantillons.
En revanche, de façon surprenante par rapport aux résultats sur le niveau vibratoire Lv, on observe par les courbes de densités spectrales de puissance que l'on observe une densité spectrale de puissance supérieure pour l'échantillon d'élastomère de plus faible module d'élasticité (E3= 400 KPa) que pour l'échantillon intermédiaire de module d'élasticité supérieure (E2= 500 KPa), alors que la densité spectrale de puissance est la plus importante pour l'échantillon présentant le module d'élasticité maximum (El=600 KPa).* Possibilités d'application industrielle
Le procédé de l'invention peut notamment être utilisé dans toute industrie où interviennent des problématiques de perception au toucher, notamment la qualité perçue des matériaux et leur douceur, notamment les industries textiles, automobiles, et cosmétiques par exemple, sans que l'invention soit limitée à ces applications.