Clavier de synthétiseur à dynamique ajustable

Clavier de synthétiseur à dynamique ajustable
Laboratoires : Laboratoire de Mécanique des Solides (École polytechnique, Palaiseau) et Laboratoire
des interfaces sensorielles et ambiantes (CEA-LIST, Palaiseau).
Encadrement : Xavier BOUTILLON, Laurent ECK et Moustapha HAFEZ.
Contexte
Le retour d’effort lors de l’actionnement d’une touche de clavier musical est une information
sensorielle essentielle pour le contrôle de la nuance de jeu et le phrasé. Les claviers des synthétiseurs actuels
n’offrent pas un toucher qui satisfasse les pianistes de bon niveau. Pour imiter le toucher d’une mécanique
traditionnelle de piano, notre approche 1 a consisté à coupler un frein commandé à une touche la plus légère
possible (exigence de « transparence » haptique). Ce dispositif à base de fluide magnéto-rhéologique (FMR) 2
peut être représenté par le schéma suivant :
Les travaux que nous avons menés ont élucidé la dynamique complexe (6 DDL, nombreuses nonlinéarités, présence de boucles mécaniques) du mécanisme de l’ensemble {touche, étouffoir, chevalet,
rouleau, levier, marteau}. Le modèle, comportant plusieurs éléments de mécanique non-régulière, a été
simulé dans l’environnement XDE créé par le CEA pour la robotique, et validé par comparaison entre
simulation et mesures 3. Un premier prototype de touche a été construit en 2007. La rhéologie du FMR a été
caractérisée sur la gamme dynamique où opère l’interface 4 et les lois de commande d’une interface haptique
générique utilisant un actionneur rotatif à base de FMR (AR-FMR) ont été établies et validées sur des
interfaces construites au LISA 5.
Objectifs et programme de travail
Deux objectifs principaux sont assignés à la thèse :
-
compléter les connaissances acquises récemment pour réaliser un prototype de touche puis un
clavier réduit,
-
à l’aide du prototype, progresser dans la compréhension de ce qui favorise la précision du contrôle
des interfaces haptiques homme-machine.
À partir de l’expérience du LISA en matière de construction d’interfaces de type AR-FMR, un ARFMR sera dimensionné selon les exigences mécaniques et dynamiques (maintenant bien établies) de la
touche de piano. D’autre part, le modèle dynamique de la touche de piano (élaboré récemment et implémenté
sous solveur générique XDE) sera codé directement et éventuellement simplifié, afin d’atteindre une
simulation du modèle en temps réel. Un prototype de touche de synthétiseur sera dimensionné, réalisé (avec
l’équipement de capteurs de mouvement, conditionneurs et de l’électronique de puissance nécessaire pour
1
Thèse de J. Lozada (2007).
2
Les caractéristiques mécaniques d’un FMR sont fonction du champ magnétique qui y règne. Le temps de réponse d’un FMR (≈ 1 ms)
est adapté aux exigences d’une mécanique de piano (la frappe en jeu forte dure environ 20 ms).
3
Thèse d’A. THORIN (2013).
4
La thèse de W. NASSAR (2012) a permis de caractériser le FMR (fluide de Bingham) au- dessous du seuil d’écoulement (régimes pseudo
élastique puis pseudo-plastique) en fonction des paramètres du fluide et de son environnement.
5
Thèsede C.ROSSA (2013).
LMS / LISA
ClaSynDa
alimenter l’AR-FMR, voir plus loin) puis caractérisé sur le plan dynamique. On pourra alors se concentrer
sur l’algorithme de commande de l’AR-FMR permettant d’émuler une touche de piano en prenant en compte
tous les éléments précédents. On se propose d’utiliser l’approche par les systèmes hamiltoniens à port,
adaptée aux systèmes discrets multi-physiques, non-linéaires et préservant par construction le bilan de
puissance en temps discret.
Les deux étapes suivantes seront menées en parallèle.
Un clavier réduit mais réaliste sur le plan musical (3 octaves, typiquement) sera construit et associé à
un synthétiseur sonore performant du commerce afin de le proposer aux instrumentistes. Les questions de
construction mécanique et d’implémentation électronique, déjà largement traitées lors des travaux
précédents, seront traitées en interne avec la participation éventuelle de stagiaires-ingénieurs en
mécatronique, mais sans grever le temps de travail du doctorant.
Par la précision du contrôle qu’il requiert, le clavier de piano représente un excellent paradigme
d’interface haptique. La fonction mécanique du prototype de touche sera ajustable dans une large gamme
dynamique. Cette propriété permettra donc de définir un protocole et de réaliser les expériences visant à
comprendre quelles fonctions mécaniques d’une interface homme-machine de type haptique favorisent la
précision de son contrôle par l’utilisateur.
Modalités
Les candidatures sont à adresser à X. Boutillon ([email protected]) : lettre de
motivation, CV, liste des cours suivis et des notes obtenues en master (1 et 2), au moins deux noms de
référents scientifiques.
Le contrat offert par le Labex LaSIPS de l’Université Paris-Saclay pourra éventuellement être
complété par un monitorat effectué à l’École Polytechnique.
Compétences souhaitées : mécatronique.
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