Bracelet haptique à effet peltier

La plupart des interfaces haptiques se basent sur un dispositif électromécanique (moteur miniature et masse décentrée) afin de produire une vibration.Bien que le niveau d’intensité puisse être contrôlé, la plage dynamique dans les sensations très faibles reste difficile à atteindre. De plus, la vibration produit également un son, ce qui peut interférer avec une interface auditive, ou déconcentrer l’usager.

Dans cette exploration technologique, je me demande quels sont les possibilités qu’offrent les nouveaux mini modules thermoélectriques disponibles comercialement. Je me suis concentré sur deux pièces fabriquées par CUI, le CP2088-219 et le CP0734-238. Le premier fait 8x8mm de large, et le second, 3,4×3,4mm (!). La raison derrière mon choix est la précision spatiale, la faible consommation électrique et la facilité d’intégration dans un assemblage complètement portatif.

L’une de mes idées plus générales était de se servir de ce bracelet comme d’un facilitateur empathique à la limite du conscient, en reproduisant en temps réel une mesure physiologique provenant d’une autre personne. J’en parlerai plus en détail dans la conclusion. Comme d’habitude, toutes les bonnes idées manquent d’originalité et ont déjà été brevetées (https://patents.google.com/patent/WO2013058886A1), mais c’est pas ce qui va m’empêcher de faire des recherches dans ce domaine.

Heatsink

Afin d’optimiser le transfert thermique (Q et dQ/dt), un heatsink doit être attaché sur la face chaude du peltier. Comme je ne savais pas trop ce que je faisais, j’ai choisi d’y aller avec la simplicité : un heatsink en alu avec des ailettes super larges et espacées, pour favioriser un refroidissement passif. J’ai aussi exploré un micro blower fan, mais je ne lui ai pas trouvé de heatsink compatible. Bref, il y a une grande différence entre faire un cours de transfert thermique théorique, et être confronté à la jungle des pièces disparates en pratique. Je comprends les concepteurs de fonctionner avec des assemblages déjà faits, ou bien de concevoir des pièces sur mesure. En outre, je n’ai pas trouvé de distributeur qui rend cela clair. Bref, après en avoir acheté plusieurs un peu au hasard, je me suis arrêté sur celui-ci : ATS-52150G-C1-R0. Il fait 15x15mm de large et a une résistance thermique de 11,7­ degC/W. Étant donné que mon utilisation est avec un rapport cyclique très faible (le peltier est pulsé et beaucoup plus souvent à off qu’à on), j’ai estimé que cela serait bon.

Estimation du seuil de sensibilité et du seuil de douleur

En utilisant une source de courant ajustable entre 0 et 2A, et entre 0 et 4V et le peltier CP2088 en contact direct avec l’index du côté froid, et le heatsink susmentionné du côté chaud, j’ai pu produire des transferts thermiques entre 0 et 4W, pour des durées de 1 à 9 secondes avec le montage électronique que je présenterai plus tard. Le seuil de sensibilité (mesure très subjective) est un peu en-dessous de 0,5W. Le seuil de douleur était autour de 3W. Enocre une fois, c’est subjectif. La sensation de douleur ne provient pas d’une brûlure réelle (surtout que le peltier refroidit), mais du gradient super élevé de changement de température, qui affole les capteurs physiologiques. Passer par exemple de 25 degrés à 20 degrés en une fraction de seconde semble simuler le contact subit avec un objet extrêmement froid, d’où la sensation de douleur et le réflexe de vouloir retirer son doigt. Je ne connais pas bien les mécanismes de reset biologiques, mais la sensation perdure plusieurs secondes, voire minutes, après que la puissance électrique soit retirée du peltier, un peu à la manière de la persistence rétienne, où un flash de lumière reste dans le champ visuel.

Ce que j’ai remarqué, c’est que les capteurs de température du corps sont beaucoup plus sensibles au changement de température qu’à la valeur absolue. Une température de 20 ou de 15 degrés ne produit que peu de sensation, et avec le peu de puissance de mon peltier, je ne peux descendre beaucoup plus bas, considérant la puissance thermique que fournit le corps et l’efficacité de mon heatsink. De plus, puisque mon système est portatif et à batterie, la consommation électrique doit être considérée. Utiliser le peltier dans un régime pulsé, bien qu’étant déconseillé la plupart du temps, est ici une avenue intéressante pour augmenter le ratio sensation / consommation électrique, métrique réelle d’efficacité de mon système.

J’ai aussi fait un test rapide avec le CP0734 pour voir s’il était possible de miniaturiser davantage. Hélas, son Qmax est limité à 0,2W. Cela est compensé par sa taille plus petite, mais tout de même. Je pense qu’il y a aussi une limite de surface pour les capteurs de température dans la peau, à investiguer. Bref, je l’opérais toujours au maximum de puissance sans rien sentir. Le seul endroit où la sensation était vive était sur le côté du petit doigt, à l’approche de la paume. Ce côté de la main, la tranche extérieure, est la région la plus sensible que j’aie pu trouver, du bout des doigts au coude. On pourrait penser à intégrer un tel peltier dans une bague, mais cela demanderait une miniaturisation poussée du reste de l’électronique.

Électronique de contrôle

Bien que mon intuition initiale était de simplement brancher le peltier sur un PWM, cela allait à l’encontre de tout ce qui se fait. J’ai lu des forums entiers expliquant pourquoi c’était une idée stupide de faire cela (réponse courte : la dissipation thermique va en RI^2 tandis que le transfert entre les deux faces est linéairement proportionnelle au courant. Et la chaleur produite par le peltier lui-même se rajoute au système.) Tout cela est bien beau dans les faits, mais la réalité de mon design est que j’uilise une batterie lithium et un microconrtôleur à niveau logique de 3,3V, et que je dois allumer et éteindre un courant de près de 2A. L’électronique pouvant accomplir tout cela existe, mais elle a de sérieuses limitations.

En outre, j’ai cherché un petit moment un mosfet pouvant être activé par aussi peu que 3,3V (Vgs) et fournir une résistance Rds dans les milliohms, afin de permettre un courant de 2A dans le peltier qui fait 1,43 ohm avec seulement 3,7V en entrée. Mon choix s’est porté sur le SUP40012EL-GE3.

J’aurais pu utiliser un convertisseur DC-DC pour augmenter le voltage et utiliser un mosfet ordinaire. Mais cela complexifiait déjà le circuit, pour peu d’avantages. J’ai décidé de me concentrer à avoir un premier prototype fonctionnel, et voir par la suite comment je pourrais optimiser la consommation électrique.

Dans mon exploration, j’ai voulu faire justement un convertisseur DC-DC pour pouvoir ajuster le voltage à l’entrée du peltier entre 0 et 3,7V (dans le but de contrôler le courant et donc le transfert thermique). Je me suis rendu compte (j’aurais dû lire Art of electronics pour le savoir) que les mosfets demandent un courant important pour être allumés à haute fréquence (à cause de leur capacitance élevée de gate). Et que généralement, les mosfets optimisés pour avoir une résistance basse à l’état allumé ont également le compromis d’avoir une capacitance élevée. Dans le design d’un convertisseur DC-DC, plus la fréquence est basse, plus l’inductance doit être grosse, ce qui rendait le circuit beaucoup trop massif en pratique. J’ai donc abandonné cette idée.

Mon autre idée était d’utiliser une supercapacitance de 1F pour filtrer la montée de courant et ainsi limiter l’impact sur le peltier. C’était oublier que le mosfet a un diode intégréeà l’intérieur, ce qui transforme le circuit en un charge pump qui double le voltage d’entrée. Étant donné que le peltier a une limite à 3,8V, je devais faire attention avec ma source, et cela rendait l’usage de ma batterie impossible.

Clairement, j’était encore dans une situation d’overdesign, dans le genre de keep it simple. Parfois, trop de doutes et de soucis ralentissent le développement. Je suis donc revenu à mon idée de départ, d’avoir un simple Mosfet avec un PWM à basse fréquence. Au moins, tous ces détours m’on permis de bien comprendre les limites du design et de bien choisir les composants et les paramètres. La gate du mosfet est branchée sur une pin du microcontrôleur à travers une résistance de 100 ohms, et le peltier est branché entre la batterie et le drain du mosfet. La source est reliée au ground.

Le microcontrôleur utilisé est un Feather nrf52840 Express d’Adafruit. J’utilise également une carte de prototypage faite pour les Feather (un proto shield). Le nrf52840 se programme directement avec l’IDE d’Arduino avec toutes les libraires d’Adafruit (une mine d’or). Cela a fait que le bluetooth marchait out of the box, une première dans ma vie (j’ai trop perdu de temps avec des cartes de développement obscures de Nordik, il fallait juste que j’attende qu’Adafruit fasse la grosse job de bras comme il faut).

Programmes

Le programme arduino est le suivant :

/*********************************************************************
 This is an example for our nRF52 based Bluefruit LE modules

 Pick one up today in the adafruit shop!

 Adafruit invests time and resources providing this open source code,
 please support Adafruit and open-source hardware by purchasing
 products from Adafruit!

 MIT license, check LICENSE for more information
 All text above, and the splash screen below must be included in
 any redistribution
*********************************************************************/
#include <bluefruit.h>
#include <Adafruit_LittleFS.h>
#include <InternalFileSystem.h>

// BLE Service
BLEDfu  bledfu;  // OTA DFU service
BLEDis  bledis;  // device information
BLEUart bleuart; // uart over ble
BLEBas  blebas;  // battery

const byte numChars = 16;
char receivedChars[numChars]; // an array to store the received data
boolean newData = false;
int peltierpin = 6;

void setup()
{
  pinMode(peltierpin, OUTPUT);
  digitalWrite(peltierpin, LOW);
  analogWriteResolution(15); //Met la fréquence du PWM à 514kHz, avec 5 bits de résolution (0-31)
  //analogWrite(peltierpin, 16384);
  Serial.begin(115200);

#if CFG_DEBUG
  // Blocking wait for connection when debug mode is enabled via IDE
  while ( !Serial ) yield();
#endif
  
  Serial.println("Bluefruit52 BLEUART Example");
  Serial.println("---------------------------\n");

  // Setup the BLE LED to be enabled on CONNECT
  // Note: This is actually the default behavior, but provided
  // here in case you want to control this LED manually via PIN 19
  Bluefruit.autoConnLed(true);

  // Config the peripheral connection with maximum bandwidth 
  // more SRAM required by SoftDevice
  // Note: All config***() function must be called before begin()
  Bluefruit.configPrphBandwidth(BANDWIDTH_MAX);

  Bluefruit.begin();
  Bluefruit.setTxPower(4);    // Check bluefruit.h for supported values
  //Bluefruit.setName(getMcuUniqueID()); // useful testing with multiple central connections
  Bluefruit.Periph.setConnectCallback(connect_callback);
  Bluefruit.Periph.setDisconnectCallback(disconnect_callback);

  // To be consistent OTA DFU should be added first if it exists
  bledfu.begin();

  // Configure and Start Device Information Service
  bledis.setManufacturer("Adafruit Industries");
  bledis.setModel("Bluefruit Feather52");
  bledis.begin();

  // Configure and Start BLE Uart Service
  bleuart.begin();

  // Start BLE Battery Service
  blebas.begin();
  blebas.write(100);

  // Set up and start advertising
  startAdv();

  Serial.println("Please use Adafruit's Bluefruit LE app to connect in UART mode");
  Serial.println("Once connected, enter character(s) that you wish to send");
}

void startAdv(void)
{
  // Advertising packet
  Bluefruit.Advertising.addFlags(BLE_GAP_ADV_FLAGS_LE_ONLY_GENERAL_DISC_MODE);
  Bluefruit.Advertising.addTxPower();

  // Include bleuart 128-bit uuid
  Bluefruit.Advertising.addService(bleuart);

  // Secondary Scan Response packet (optional)
  // Since there is no room for 'Name' in Advertising packet
  Bluefruit.ScanResponse.addName();
  
  /* Start Advertising
   * - Enable auto advertising if disconnected
   * - Interval:  fast mode = 20 ms, slow mode = 152.5 ms
   * - Timeout for fast mode is 30 seconds
   * - Start(timeout) with timeout = 0 will advertise forever (until connected)
   * 
   * For recommended advertising interval
   * https://developer.apple.com/library/content/qa/qa1931/_index.html   
   */
  Bluefruit.Advertising.restartOnDisconnect(true);
  Bluefruit.Advertising.setInterval(32, 244);    // in unit of 0.625 ms
  Bluefruit.Advertising.setFastTimeout(30);      // number of seconds in fast mode
  Bluefruit.Advertising.start(0);                // 0 = Don't stop advertising after n seconds  
}

void loop()
{
  pollbleuart();
  updatePeltier();
}

void pollbleuart() {
  static byte ndx = 0;
  char endMarker = '\n';
  char rc;
  
  while (bleuart.available() > 0 && newData == false) {
    rc = bleuart.read();

    if (rc != endMarker) {
      receivedChars[ndx] = rc;
      ndx++;
      if (ndx >= numChars) {
        ndx = numChars - 1;
      }
    }
    else {
      receivedChars[ndx] = '\0'; // terminate the string
      ndx = 0;
      newData = true;
    }
  }
}

void updatePeltier() {
  if (newData == true) {
    uint16_t intensity = uint16_t(receivedChars[0]-48); //Temps où le Peltier est allumé en millisecondes
    if ((intensity < 1) || (intensity > 8)) intensity = 0; //protection de calculs bizarres
    analogWrite(peltierpin, 4095 * intensity);
    delay(2000); //Le pulse dure 2 secondes
    analogWrite(peltierpin, 0);    
    newData = false;
  }
}

// callback invoked when central connects
void connect_callback(uint16_t conn_handle)
{
  // Get the reference to current connection
  BLEConnection* connection = Bluefruit.Connection(conn_handle);

  char central_name[32] = { 0 };
  connection->getPeerName(central_name, sizeof(central_name));

  Serial.print("Connected to ");
  Serial.println(central_name);
}

/**
 * Callback invoked when a connection is dropped
 * @param conn_handle connection where this event happens
 * @param reason is a BLE_HCI_STATUS_CODE which can be found in ble_hci.h
 */
void disconnect_callback(uint16_t conn_handle, uint8_t reason)
{
  (void) conn_handle;
  (void) reason;

  Serial.println();
  Serial.print("Disconnected, reason = 0x"); Serial.println(reason, HEX);
}

En bref, après avoir connecté avec le PC ou tout autre contrôleur, il attend une string composée d’un chiffre de 1 à 8, qui correspond à l’intensité du PWM. La durée du pulse de froid est prédéfinie à 2 secondes. La fréquence du PWM est fixée à 125Hz en prenant la résolution la plus élevée disponible (15 bits) et en la divisant par 4096 pour obtenir seulement 3 bits. (La fréquence de la clock du PWM est de 16Mhz). Dans mes expériences, la résolution sur la sensibilité au gradient de température n’est pas beaucoup plus grande que des entiers entre 0 à 10, d’où le 8 bits. Une fréquence aussi basse permet au Mosfet de suivre facilement avec un courant à sa gate limité à 1mA.

Le code python est tout aussi facile d’utilisation grâce à l’excellent travail d’Adafruit :

from adafruit_ble import BLERadio
from adafruit_ble.advertising.standard import ProvideServicesAdvertisement
from adafruit_ble.services.nordic import UARTService

ble = BLERadio()

uart_connection = None

while True:
    if not uart_connection:
        print("Trying to connect...")
        for adv in ble.start_scan(ProvideServicesAdvertisement):
            if UARTService in adv.services:
                uart_connection = ble.connect(adv)
                print("Connected")
                break
        ble.stop_scan()

    if uart_connection and uart_connection.connected:
        uart_service = uart_connection[UARTService]
        while uart_connection.connected:
            s = input("Delay in s : ")
            uart_service.write(s.encode("utf-8"))
            uart_service.write(b'\n')

J’attends la connexion, puis j’ai mis un input qui envoie la string au microcontrôleur. Dans le code, c’est encore écrit délai, parce qu’au départ, c’était le temps en secondes que j’envoyais dans mes premiers tests.

Plage d’opération

Comme je l’ai dit, il y a 8 intensités de PWM. Il y a plusieurs non linéarités dans l’histoire, mais grosso-modo, il s’agit des plages de 0 à 4W de transfert thermique, avec une résolution de 0,5W (seuil de sensibilité déterminé subjectivement). La non linéarité vient du peltier et aussi peut-être des capteurs de température dans la peau. Toujours est-il que la différence entre 1 et 2 est beaucoup plus marquée qu’entre 7 et 8, cela pourrait être ajusté ultérieurement.

Pour ce qui est de la durée de 2 secondes, elle aussi a été établie empiriquement. La constante de temps du système thermique a été évaluée à environ 2-3 secondes (elle dépend un peu du courant entrée). Cela veut dire que pour une impulsion initale avec une pente infinie, la température (c’était la variable que je mesurais) prenait entre 2 et 3 secondes à atteindre sa valeur. Utiliser une durée de temps plus petite ne produit donc pas une distinction entre les pulses (c’était ce que je voulais évaluer au départ). Et utiliser une durée plus grande ne produit pas vraiment plus de sensation, puisque les transferts thermiques se stabilisent et que la peau s’habitue au contact d’un objet plus froid. Pour cette construction précise, j’ai donc optimisé la durée du pulse à 2s. En utilisant un rapport cyclique de 50%, cela veut dire que la période maximale de l’information qui peut être transmise est de 4s, ou 15bpm. Cela est très lent et empêche son utilisation pour transmettre le rythme cardiaque comme je le souhaitais au départ. Pour la respiration, c’est aussi très limite.

CAD et bracelet

Le code openSCAD pour le bracelet est le suivant :

$fn=50;
difference(){
    translate([0,-(40-23)/2,0]) cube([50,40,2]);
    translate([15,7]) cube([10,15,2]);
    translate([(50-30)/2,-6,0]) cube([30,3,2]);
    translate([(50-30)/2,23+3,0]) cube([30,3,2]);
}

translate([5/2,5/2,-13]) difference() {
    cylinder(d=5,h=13);
    cylinder(d=1.9,h=13);
}
translate([50-5/2,5/2,-13]) difference() {
    cylinder(d=5,h=13);
    cylinder(d=1.9,h=13);
}
translate([50-5/2,23-5/2,-13]) difference() {
    cylinder(d=5,h=13);
    cylinder(d=1.9,h=13);
}
translate([5/2,23-5/2,-13]) difference() {
    cylinder(d=5,h=13);
    cylinder(d=1.9,h=13);
}

La fente principale sert à mettre le peltier en contact direct avec la peau. Les deux fentes sur le côté servent à attacher le bracelet avec une bande de tissu cousue avec du velcro.

Perspectives futures

La miniaturisation va être difficile. C’est déjà un exploit d’avoir trouvé des pièces disponibles commercialement pour assembler ce premier prototype. Puisque le dispositif est à faible régime cyclique, l’utilisation d’un supercondensateur d’une couple de farads pourrait être envisagé, afin de réduire la masse de la batterie. Un heatsink plus compact et l’utilisation d’un micro-ventilateur pourrait aussi aider à réduire le volume. Mais la réalité est que pour avoir un effet convainquant, on doit se situer dans le régime thermique de l’ordre de 1W. Cela demande un peltier d’une taille conséquente (environ 1cm^2) ainsi qu’une alimentation pouvant fournir suffisamment de courant (~1A). De plus, l’utilisation du blutooth pour être complètement sans fil est un requis dans une applcation portative, ce qui demande un certain espace supplémentaire.

Vient ensuite le cas d’utilisation. Offrirait-il un avantage dans le cas d’une manette de jeu vidéo par rapport aux dispositifs haptiques déjà existants? L’intégration de « pixels » de froid est-elle une avenue? (Google donne quelques projets de recherche intéressants, qui sont tous plutôt loin de la commercialisation).

Pour ce qui est du transfert d’émotions par le toucher, puisque la constante de temps est assez longue, ce serait limité à des événements très ponctuels. On pourrait penser le corréler avec une métrique plus aboutie que le rythme cardiaque ou la respiration. Par exemple, le niveau d’arousal ou de plaisir, etc. Les limites à cet effet sont plutôt du côté des capteurs et des algorithmes de mesure. Ce qui est intéressant avec une haptique basée sur la température, c’est qu’il serait plus facile d’intégrer un stimuli proche de la limite du conscient, c’est-à-dire qu’on s’en rendrait compte seulement en y portant attention. Cela pourrait offrir un intermédiaire intéressant dans le cas où un système numérique comme un ordi ou un cellulaire cherche à attirer l’attention de manière non-urgente et douce. À voir si le besoin existe et s’il s’agit d’une piste intéressante.

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