P3 Chaise vibrante pour enfant sourd

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Contexte du sujet

Depuis maintenant de nombreuses années, avec la démocratisation de l’électronique, de l'informatique et des systèmes embarqués, il est très courant de voir des problématiques complexes résolues avec des outils simples. En effet, de plus en plus d'objets de la vie courante embarquent une grande puissance de calcul (cf smartphone) à moindre coût. C'est dans cette logique que le CAMSP a décidé de contacter Polytech'Lille pour répondre à une de leur problématique : Concevoir un outils capable par le biais de vibrations, retranscrire la voix ou un son émis par une personne. Cet outils sera utilisé pour permettre à des enfants sourds ou dans des cas plus sérieux ne possédant plus de nerf auditif, de retrouver une sensation proche de l'ouïe.

Objectif du projet

Dans le but d'améliorer le développement et le suivi des enfants au seins du CAMPS, nous pouvons donner les objectifs suivants :

-Réaliser un outil répondant aux problématiques du CAMSP

-Proposer un outil innovant

-Améliorer la visibilité et personnaliser les tests ou protocoles par le biais d'une application

-Améliorer le suivi et l'évolution de l'enfant en enregistrant et traitant les données

Recherches Bibliographiques et approche technologique

C'est une série de vidéos ou de documents montrant les technologie alternatives existantes pour aider les personnes atteintes de surdité.

Vidéos

Les étonnants pouvoirs De Transformation Du Cerveau [1], vidéo Youtube en français.

Can we create new senses for humans? | David Eagleman [2], vidéo Youtube en anglais.

The Emoti-Chair [3], vidéo Youtube en anglais.

Sites Web

NeoSensery, [4], Site en anglais.

"Feeling the beat", [5], Site en anglais.

Vibeat, [6], site en anglais.

Beyond Vibrations, [7], site en anglais.

Helping deaf ppl to hear & see sounds, [8], site en anglais.

Internet facilite le quotidien des sourds et malentendants, [9], site en français;

Entendre avec sa langue, [10], site en français.

Planning et Réunions

Réunions

-Le Vendredi 7 Octobre, 13h30 au Fablab, Réunion de présentation des technologies existantes.

-Le Mardi 18 Octobre, 16h30 au CAMSP, Réunion avec l'équipe du CAMSP, définition d'un premier cahier des charges.

-Prochaine réunion sur le choix des vibreurs, du choix des matériaux, de la partie électronique embarquée et de la stratégie globale du projet.

-Le 11 janvier, Réunion du midi à Polytech pour préparer la réunion du 17

-Le Mardi 17 janvier, 15h au CAMSP, Retours sur le premier prototype, redéfinition du cahier des charges, prochain prototype.

Planning

-Choix définitif du PFE le 20 septembre 2016

-Premier mail envoyé le 26 septembre

-RDV fixé le 3 octobre pour le 18 octobre

-Réunion du 18 octobre

-Remise du prototype au CAMSP le 25 Novembre

-Premier retours le 28 novembre

-Réception des premiers résultats du 29, 1 ,2 décembre

-Prochain RDV le 17 janvier

-Assister une séance au CAMSP le 1 Février 2017 11h45-12H30

Compte-rendu de réunion

-Première réunion du 18 Octobre [[11]]

-Réunion de midi du 11 janvier : Préparation de la prochaine réunion avec le CAMSP

Nous avons évoqué plusieurs points lors de cette réunion :

-Conception du prochain prototype (quels matériaux, possibilité de préparer une maquette et un démonstrateur => photo )

-Conception du circuit électronique (autour d'un AT328, PCB, quelles fonctions? , quelles interfaces?)

-Idées pour améliorer les fiches de tests

-Idées pour la possible future application androïd

-Communication entre modules

-Ouverture du projet à des personnes extérieurs

-Réunion au CAMSP du 17 janvier 2017 [[12]]


Résultats

Ces résultats sont issues des différents tests effectués au CAMPS sur plusieurs enfants. Ces résultats seront utilisés pour améliorer les prochains prototypes, certains points faibles de nos réalisations.

Résultats du premier prototype :


Résultats couvrant la période du 29 novembre au 2 décembre : Fichier:Resultat premier proto.xls


Présentations et Pdf

Présentation préliminaire du 7 Octobre : État de l'art des différentes technologies mises à disposition pour les sourds et malentendants [[13]].


Présentation préliminaire Projet de Fin d’Étude : [[14]]

Présentation finale PFE : [[15]]

Matériel

-2 vibreurs Lilypad [donnés en E306]

-1 vibreur de téléphone [Alexandre Boé]

-1 tablette androïd

-Recherche préliminaire de vibreurs Fichier:Composants-vibreur.txt


Matériel Fournisseur Quantité Prix à l'unité (€) Prix Total (€) URL
Atmega328p Mouser Electronics 10 2.89 € 28.90 € http://www.mouser.fr/ProductDetail/Atmel/ATMEGA328P-AU/?qs=sGAEpiMZZMvqv2n3s2xjscfa4zIkTHJIJIWLupw%252bFlg%3d
Quartz 16MHz Mouser Electronics 10 0.32 € 3.20 € http://www.mouser.fr/ProductDetail/ECS/ECS-160-20-3X-EN-TR/?qs=sGAEpiMZZMukHu%252bjC5l7YRyTpMCZmzZvsAKDGQs4r3w%3d
Transceiver Modules Mouser Electronics 5 8.63 € 43.15 € http://www.mouser.fr/ProductDetail/Microchip-Technology/MRF89XAM8A-I-RM/?qs=sGAEpiMZZMuIes%252bYBRf57WqUpc%252bwMvG0364bi14H5w8%3d
Vibreur plat Amazon https://www.amazon.fr/Pinzhi-Remplacement-Vibreur-T%C3%A9l%C3%A9phone-Dia-10mm/dp/B00H4PM1WO/ref=sr_1_18?ie=UTF8&qid=1477056373&sr=8-18&keywords=moteur+vibreur
Vibreur iphone Amazon https://www.amazon.fr/iPhone-Module-Vibreur-vibration-r%C3%A9paration/dp/B00AAZMAEO/ref=sr_1_3?ie=UTF8&qid=1477056893&sr=8-3&keywords=moteur+vibreur
Vibreur Manette Amazon https://www.amazon.fr/Vibration-Vibreur-Jouets-%C3%A9lectriques-5200rpm/dp/B01F0T54A6/ref=sr_1_62?ie=UTF8&qid=1477059300&sr=8-62&keywords=moteur+vibreurkeywords=moteur+vibreur
Batteries rechargeables Farnell 5(idéal 3 mini) 13.06 € 39 € ou 65 http://fr.farnell.com/bak/18650ca-1s-3j/batterie-lithium-ion-3-7v-2250/dp/2401852
Microphone electret Mouser 2 3.28 € 6.56 € http://www.mouser.fr/ProductDetail/CUI/CMI-4537-SN69/?qs=sGAEpiMZZMs%2fTM%252bNyf4ziPS8PWYhl5PIgnl4JIK7ByhgIDhXpRJWsQ%3d%3d
Résistance 1kOhms Mouser 10 0.094€ 0.94 € http://www.mouser.fr/ProductDetail/ROHM-Semiconductor/ESR03EZPF1001/?qs=sGAEpiMZZMtG0KNrPCHnjfgxrTtCmcjjp3upVDTrU3w%3d
Résistance 2KOmhs Mouser 10 0.065 € 0.65 € http://www.mouser.fr/ProductDetail/ROHM-Semiconductor/ESR10EZPJ202/?qs=sGAEpiMZZMtG0KNrPCHnjfgxrTtCmcjj72gORyNWlx4%3d
Résistance 15KOhms Mouser 10 0.094 € 0.94 € http://www.mouser.fr/ProductDetail/ROHM-Semiconductor/ESR03EZPF1502/?qs=sGAEpiMZZMtG0KNrPCHnjfgxrTtCmcjj5roGr736lO0%3d
Résistance 22KOhms Mouser 10 0.065 € 0.65 € http://www.mouser.fr/ProductDetail/ROHM-Semiconductor/ESR03EZPJ223/?qs=sGAEpiMZZMtG0KNrPCHnjfgxrTtCmcjjnrgFf%252bCIuXs%3d
Résistance 150KOhms Mouser 10 0.094 € 0.94 € http://www.mouser.fr/ProductDetail/ROHM-Semiconductor/ESR03EZPF1503/?qs=sGAEpiMZZMtG0KNrPCHnjfgxrTtCmcjjeQp%2fdczAYkA%3d
AOP TS972 Mouser 5 0.842 € 4.21 €
Capa 100pF Mouser 5 0.29 € 1.45 € http://www.mouser.fr/ProductDetail/Kemet/C1206C101K5RACTU/?qs=sGAEpiMZZMsh%252b1woXyUXj1qIEIazkU7FUqnS5cGrehs%3d
Capa 220 pF Mouser 5 0.091 € 0.455 € http://www.mouser.fr/ProductDetail/Murata-Electronics/GCM1885C1H221JA16D/?qs=sGAEpiMZZMsh%252b1woXyUXj8r6kqWYBxcAXuh%2fSjGRhQI%3d
Capa 1 uF Mouser 3 0.229 € 1.145 € http://www.mouser.fr/ProductDetail/AVX/04026C105KAT2A/?qs=sGAEpiMZZMsh%252b1woXyUXj26PLa8gJ3St63K3QVpewHo%3d
Capa 10 uF Mouser 10 0.063 € 0.63 € http://www.mouser.fr/ProductDetail/Murata-Electronics/GRM155C80J106ME11D/?qs=sGAEpiMZZMsh%252b1woXyUXjxHEpf2Q6q57xRAXrIPXzeM%3d
Capa 33nF Mouser 5 0.128 € 0.64 € http://www.mouser.fr/ProductDetail/Yageo/CC0402MRX7R7BB333/?qs=sGAEpiMZZMsh%252b1woXyUXjzfuHVctiE89uQs3MdyvI7w%3d
Capa 100nF Mouser 5 0.091 € 0.455 € http://www.mouser.fr/ProductDetail/AVX/02016D104KAT2A/?qs=sGAEpiMZZMsh%252b1woXyUXj8fuA0pr8zQHqqgj0865Yco%3d
Capa 330nF Mouser 5 0.137 € 0.685 € http://www.mouser.fr/ProductDetail/Yageo/CC1206ZRY5V8BB334/?qs=sGAEpiMZZMsh%252b1woXyUXj80UPPYatVW%252bymn3pq%2fLQ8A%3d
Potentiomètre 100kOhms Mouser 1 0.739 € http://www.mouser.fr/ProductDetail/Bourns/PTV09A-4020S-B104/?qs=sGAEpiMZZMtC25l1F4XBUyZdyM1XBpRKOUQofFTtuZJ1sXS%2fFASqYg%3d%3d
Total 134.56 ou 160 €

Cahier des charges

-Cahier des charges préliminaire (2eme prototype): « Réalise un prototype capable de transmettre à partir d'un microphone, des vibrations issues d'un traitement analogique. L'appareil produira des vibrations lorsque quelqu'un parlera dans le microphone et rien dans le cas contraire. »

-Cahier des charges après identification des besoins : [[16]]

Prototypes

Premier prototype

Pour ce premier prototype, nous nous sommes inspirés des différentes technologies en développement. L'idée est d'utiliser un microcontrôleur pour générer à partir d'un fichier son, des combinaisons de leds ou de vibrations pour représenter un son, une note, un bruit.


Montage arduino + haut-parleur + Led + vibreur
Vibreur de téléphone


Vidéo illustrant le fonctionnement du prototype [[17]] :

Fichier:Video-demo-premier-proto.mp4

Deuxième Prototype

L'idée ici serait de réaliser une "boîte" contenant tout l’électronique nécessaire permettant à une personne de produire des son dans un microphone, et retranscrire ces sons en vibrations par le biais d'un vibreur placé sur le bras à l'aide d'un brassard.

Schéma du dispositif

Partie électronique

Cette partie se décomposera en deux étapes :

   -Une partie pour réaliser le circuit amplificateur nécessaire pour utiliser un microphone electret
   -Une partie programmation du microcontrôleur pour traiter les informations envoyées par le microphone


Circuit Amplificateur :

Pour réaliser le circuit amplificateur, nous nous sommes basé sur le schéma ci-dessous :

Schéma du circuit amplificateur

Nous avons modifié la tension d'alimentation du circuit à 5v et modifié en conséquence la valeur de certain composant électrique. Nous avons ensuite réaliser ce montage sur une plaque à essais (Breadbord Arduino):

Circuit amplificateur test

Voici la réponse du circuit, lorsqu'un son est émis dans le microphone, analysée sur un oscilloscope :


Réponse du circuit visualisée sur l'oscilloscope

Le microphone est un microphone directif. Il se chargera de capturer essentiellement la voix de son utilisateur, puis un traitement via un microcontrôleur se chargera de "découper" la voix en plusieurs niveau sonore et de les retranscrire en vibrations. Pour ressentir ces vibrations, il suffira de porter le brassard avec vibreur.

Dans un premier temps, le traitement de la voix sera très sommaire ( son ou pas de son).


Partie programmation

Le code a été réalisé sur Arduino. Les fichiers sources sont disponible ici : [[18]]

Un support au cas où les vibrations deviennent continues [[19]]: (suivre les différentes étapes )

Partie conception du boitier

Pour réaliser ce boîtier, nous avons utilisé l'impression 3D pour concevoir des pièces "sur-mesure". Nous avons réaliser ces pièces sur ordinateur avec l'aide d'un logiciel de CAO :

Haut du boîtier
Bas du boîtier
Tube pour micro
Support pour microphone

Puis nous les avons imprimé avec les paramètres suivants:

Plastique : PLA
Température : 210°C
Vitesse : Moyenne 50mm/s
Plaque chauffante : 50°C
temps : 2h20
Haut du boîtier avec potentiomètre
Support pour Microphone
Ensemble du prototype
Intérieur du boitier avec circuit amplificateur+microcontrôleur+batterie

Fichier source des différentes pièces : [[20]]



Rendu final du premier prototype :

Premier prototype

Troisième prototype

Ce dernier prototype est donc l'aboutissement pour cette année du travail effectué en collaboration avec le Centre Montfort. Cette solution proposée essaie de répondre au maximum aux directives du cahier des charges. Nous décomposerons ce dernier prototype en deux grandes parties, une partie électronique reprenant la majorité des fonctions développées sur les précédents prototypes, une partie application avec le développement de l'application android pour le CAMSP.


Partie électronique

Nous avons donc ici réutilisé la majorité des fonctions que nous avions précédemment développer. Nous avons rajouté des fonctions pour la communication sans fils, et quelques composants pour améliorer le côté visuel du prototype. Nous allons maintenant développer le cheminement de la conception de la carte.


Développement de la solution sur breadboard

Nous avons simuler le fonctionnement de notre prototype via deux arduinos. Dans un premier temps la liaison sans fil a été simulée avec deux câbles (A51 → A52, A41 → A42, les masses reliées entre elles) comme liaison série. Nous utiliserons l'interface I2C de l'arduino. Cette interface fonctionne sur le modèle Maître-Esclave. Dans ce type de montage il n'y a qu'un Maître (notre base) mais il peut y avoir plusieurs esclaves (nos différents modules). Cette interface nécessite 2 fils le SDA (Broche Analog A4) et SCL (Broche Analog A5) comme le montre le schéma ci-dessus :

schéma arduinos I2C

Nous allons maintenant réaliser à partir de ce schéma notre montage Maître-Esclave. Le Maître représente donc notre "base". C'est lui qui sera chargé de récupérer les commandes provenant de notre appareil embarquant notre future application android. Il met en place une carte achetée dans le commerce mettant en place un microphone électret, montage relativement similaire à celui que nous avions précédemment développé.

Notre esclave représente nos modules. Il embarque un vibreur et une Led RGB. Le vibreur est typiquement alimenté en 3V mais le courant débité par cette broche n'est pas suffisant pour faire vibrer correctement notre composant. Pour cela, nous avons mis en place un montage autour d'un transistor NPN, alimenté en 5V permettant de contrôler la vibration à partir de la base du NPN. Nous pourrons alors contrôler la fréquence de rotation du vibreur à partir d'une PWM générée par l'arduino.

Nous obtenons le montage suivant :

Montage sur breadboard

Pour simuler les commandes provenant de notre application, nous envoyons au Maître des commandes en série permettant d’allumer ou notre Led RGB, et contrôler l'intensité vibratoire de notre montage (faible, moyenne, forte). La Led s'adapte à l'intensité de la vibration en changeant de couleur.

Les codes de ce montage sont disponibles ici : [[21]]

Une vidéo illustrant le fonctionnement de ce montage est également disponible ici : [[22]]


Prototype :


Nous avons donc réaliser cette carte à partir du logiciel Eagle. Cette carte se base comme les autres sur un processeur AT328p, ce qui va faciliter sa conception. On y retrouve plusieurs fonctionnalités que nous développerons dans la partie suivante.


Schéma électrique de la carte :

schéma électrique Eagle


Réalisation du PCB avant gravure :

Design PCB Eagle

Nous avons réalisé cette carte dans le laboratoire d'électronique de Polytech'Lille à l'aide d'une graveuse et d'un four pour souder nos composants de surface :

Graveuse
Four

Nous obtenons une carte double face embarquant notre électronique :

Carte côté bottom
Carte côté top


Fonctions :


Nous allons lister les différentes fonctionnalités de la carte :

  • Nous réutilisons la fonction précédemment développer pour mettre en place le vibreur
  • Nous avons mis pour plus d'information visuelle, une diode 3 couleurs pour donner une information supplémentaire quand le vibreur fonctionne, et possiblement une information sur la « hauteur » du son.
  • Nous avons une carte pour la communication sans fils (carte microship MRF89XA)
  • Nous retrouvons un bloc ISCP pour la programmation de la carte et pour mettre en place la communication sans fils
  • Un montage de type « diviseur de tension » pour avoir une information sur la batterie
  • Enfin nous laissons l'accès aux autres pins du processeur pour deux raisons :
    • Le possible débogage de la carte
    • L'ajout futur du microphone sur les entrées analogiques

Voici le schéma électrique du montage et la visualisation de la carte avant gravure :


Objectifs :


Ce nouveau prototype aura pour objectif de répondre aux problématiques du CAMSP. Nous avons tenté de réduire la taille de la carte afin de la placer soit dans des objets du quotidien (Un jouet, un doudou) afin d'éveiller l'imagination de l'enfant, soit dans un matériau pour pouvoir le placer sur une partie du corps (épaules, dos, torse). Nous voulions surtout proposer une carte assez polyvalente, facile d'utilisation et ne plus la placer dans une coque imprimée en plastique PLA, pour des raisons d'hygiène (Pièces imprimées impossible à désinfecter dû aux petites rainures dans la structure). De plus une carte de ce type, en possédant les fichiers originaux, est facilement réalisable auprès d'un organisme possédant des machines pour réaliser ces cartes. Nous pouvons utiliser cette carte à la fois pour nos modules indépendants et à la fois pour la base émettrice, branchée à notre mobile ou tablette sous android. Nous allons maintenant passer au développement de l'application.

Partie Application

Nous avons développer notre application sous android studio (IDE de développement d'application android). Cette application reprend les consignes du CAMSP, à savoir :

  • Un menu principal donnant le choix à l'utilisateur d'aller au « Centre de contrôle » de la carte ou vers un « Menu des fiches »
  • Une partie « Centre de controle » afin d'agir sur différents paramètres de notre carte, à savoir :
    • Contrôle de notre LED (allumée ou non)
    • Contrôle de l'intensité vibratoire
    • Information sur la batterie du module
    • Information sur les modules connectés
  • Une partie « Menu des fiches » donnant le choix à l'utilisateur de créer une nouvelle fiche ou de consulter une fiche déjà existante

Nous allons maintenant illustrer avec des figures chaque rubrique de notre application :

Accès à l'application depuis une icône personnalisée
Menu de l'application
Centre de contrôle
Menu des fiches
Créer une nouvelle fiche
Consulter une fiche existante

et détailler chaque layout :

  • Le menu de l'application nous permet d'accéder au centre de contrôle des modules ou au menu des fiches
  • Le centre de contrôle nous permet d'avoir des informations sur le module connecté, le niveau de batterie, le contrôle d'intensité vibratoire par deux boutons et le contrôle de la LED
  • Le menu des fiches nous permet de créer une nouvelle fiche ou de consulter les fiches existantes
  • Le layout "créer une fiche" nous demande de remplir un certain nombre de champs avant de pouvoir l'enregistrer. Pour l'instant, les fiches s'enregistre en fonction du nom de l'enfant et de la date
  • Pour consulter les fiches existantes, une barre déroulante liste les fiches contenu dans un répertoire et la sélection permet d'utiliser un des lecteurs de fichier disponible nativement dans android

Les fiches sont enregistrées dans répertoire interne du mobile ou de la tablette comme illustré ci-dessous (le stockage dans un périphérique de stockage externe n'est pas encore disponible) :

Accès aux fiches depuis le dossier fiche_CAMSP
Les fiches sont disponibles et enregistrées au format .txt

Une vidéo illustrant le fonctionnement de l'application est disponible ici : [[23]]


Nous sommes encore dans les premières versions de développement de l'application mais elle possède les outils minimum demandé par le CAMSP. L'application est compatible pour plus de 97% des appareils fonctionnant sous android. Elle est néanmoins non-optimisée pour avoir un rendu graphique adapté à chaque taille d'écran.

Elle a pour objectif de simplifier le contrôle de notre prototype et proposer un nouvel outils pour la gestion personnalisée des fiches de fin de test. Elles permettront d'avoir un suivi tout au long de la période de l'enfant au seins du CAMSP. L'application sera prochainement disponible sur le google play. Le lien sera bientôt ajouté ici-même.

Dossier rapport de PFE

Dossier de mi-parcours complet contenant :

 -La présentation du 14 décembre (pdf)
 -Le rapport de mi-parcours (pdf)
 -Le Cr de réunion (pdf)
 -La documentation pour le prototype (pdf)
 -Le code arduino (.ino)
 -Les fichiers .STL des différentes pièces plastiques
Fichier:Pre-soutenance-pfe-geoffrey-piekacz.zip lien : [[24]]

Dossier de fin de PFE contenant :

 -Le rapport final (pdf)
 -Un dossier comprenant les images du projet
 -Un dossier annexe comprenant :
      -Le cahier des charges
      -La documentation des prototypes
      -La fiche des prototypes
      -Un dossier contenant les précédentes présentations
      -Un dossier réunion
      -Un dossier vidéo

Le fichier est téléchargeable ici :[[25]]