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[Cahier Technique] L'haptique met le numérique au bout des doigts

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[Cahier Technique] L'haptique met le numérique au bout des doigts

Les technologies haptiques ont pour but de reproduire le plus fidèlement possible le sens du toucher. Elles enrichissent les interactions humain-machine en rendant tangibles les environnements de réalité virtuelle. De quoi exploiter pleinement le potentiel de la maquette numérique pour la conception de nouveaux produits et services.

Le sens du toucher est extrêmement riche. Lorsque nous interagissons avec notre environnement, nous voyons apparaître différents phénomènes qui contribuent aux sensations ressenties (efforts sur la main, déformations de la peau, vibrations…). Ces stimuli sont mesurés par plusieurs types de capteurs tactilo­kinesthésiques présents en grand nombre dans le derme, l’épiderme, les muscles et les tendons. Ces capteurs sont caractérisés par des aires de mesure et des sensibilités diverses qui les rendent plus ou moins adaptés à la détection de différents types de stimuli (vibrations, efforts statiques, configuration des membres, température…).

Les interfaces haptiques sont des dispositifs électromécaniques ayant pour objectif de générer des stimuli physiques permettant de solliciter ce sens de façon aussi réaliste que possible. Il est cependant impossible, dans l’état actuel de la technique, de développer un dispositif reproduisant l’ensemble des phénomènes mis en jeu lors de nos interactions gestuelles. Il est nécessaire, dans la pratique, de se concentrer sur les phénomènes qui ont l’influence la plus importante sur le succès de la tâche réalisée. Nous nous focaliserons ici sur les interfaces à retour d’effort et sur les interfaces tactiles.

1. Le retour d’effort, technologie pionnière

Les premières interfaces à retour d’effort étaient des télémanipulateurs mécaniques développés à partir de la fin des années 1940 pour des applications de téléopération nucléaire. Ces dispositifs, encore utilisés de nos jours, sont très performants mais peu ergonomiques. Ils ont donc été remplacés, à chaque fois que cela était possible, par des systèmes motorisés autorisant une conception différente des bras maître et esclave, l’esclave étant ainsi dimensionné en fonction des tâches à réaliser, et le maître optimisé pour une prise en main aisée et une manipulation ergonomique. Ces bras ont progressivement été pourvus de diverses fonctionnalités (capacité à faire des mouvements ou à appliquer des efforts d’amplitudes différentes, compensation automatique de leur poids, définition de zones interdites d’accès…). Ces progrès ont multiplié les usages des systèmes de téléopération, que ce soit pour des applications dans d’autres milieux hostiles que le nucléaire (spatial, offshore profond) ou dans le domaine de la santé avec l’arrivée des premiers robots de téléchirurgie dans les années 2000.

Parallèlement à ces applications, il est rapidement venu à l’esprit des chercheurs l’idée d’utiliser des bras maîtres non pas pour commander un robot à distance mais pour interagir avec un environnement virtuel. On parle dans ce cas d’interfaces haptiques. Le premier exemple significatif est le projet Grope de l’université de Caroline du Nord à la fin des années 1960, dans lequel un bras maître de téléopération nucléaire a été couplé à une simulation moléculaire. Avec ce système, l’utilisateur pouvait visualiser les molécules sur un écran 3D, les déplacer, ressentir leurs forces d’interaction et essayer de les amarrer entre elles.

FIG.1

De façon plus générale, la réalité virtuelle est une technologie qui vise à immerger son utilisateur dans un monde artificiel créé par un ordinateur. Pour que cet environnement paraisse réaliste, il doit respecter les lois de la physique, être immersif (l’utilisateur doit avoir l’illusion d’y être présent) et interactif (l’utilisateur doit pouvoir agir dessus). Une bonne immersion demande un retour visuel panoramique haute définition, avec une mise à jour de l’affichage en temps réel en fonction des mouvements, un retour sonore réaliste et si possible spatialisé, mais aussi des moyens de stimuler le sens du toucher.

L’interaction, pour être naturelle, requiert quant à elle la mesure des mouvements, par exemple à l’aide de caméras, pour commander un avatar dans l’environnement virtuel. On utilise ensuite un moteur physique pour identifier les contraintes auxquelles est soumis cet avatar (gravité, collisions…) et mettre à jour sa position en simulant les lois de la physique. Ce type de solution permet d’agir sur l’environnement mais, sans retour haptique, le monde virtuel reste impalpable et l’opérateur ne peut pas ressentir physiquement la présence des objets, ce qui est très limitant. Il suffit pour s’en convaincre de travailler avec des gants. En filtrant les informations haptiques, ils diminuent notre sensibilité tactile et nous rendent moins efficaces.

Des travaux réalisés par l’université d’Umeå en Suède ont été plus loin en comparant les résultats obtenus avant et après anesthésie locale de la pulpe des doigts. Ces travaux ont montré que, privés du sens du toucher, les sujets ont beaucoup de difficultés à effectuer les tâches demandées. Il est donc primordial, si l’on veut pouvoir interagir efficacement dans un environnement virtuel, de restituer à l’opérateur le sens du toucher.

Pour le retour d’effort, on utilise en général un couplage bilatéral en position et vitesse entre le bras maître et l’avatar de l’utilisateur. Ainsi, lorsque l’utilisateur déplace la poignée de l’interface haptique en espace libre, l’avatar suit ses mouvements ; mais quand cet avatar entre en contact avec son environnement, il est bloqué, de même que l’interface haptique, et l’opérateur ressent les contraintes auxquelles il est soumis. On peut aussi introduire des facteurs d’échelle en déplacement et en effort, par exemple pour manipuler des objets virtuels de taille millimétrique. Ce type de couplage a l’avantage d’être très stable si les gains du contrôleur sont choisis correctement.

Dans la pratique, pour permettre des contacts francs avec l’environnement, le contrôleur doit tourner au kilohertz et la scène virtuelle doit être mise à jour à une fréquence de plusieurs centaines de hertz. Cela nécessite une très forte optimisation des codes de calcul du moteur physique utilisé pour simuler l’environnement virtuel (qui peut compter plusieurs dizaines de millions de triangles ou polygones pour les modèles industriels usuels).

D’un point de vue mécanique aussi, le retour d’effort impose certaines contraintes. Ainsi, contrairement aux robots industriels qui sont commandés en position suivant une stratégie généralement prédéfinie, les interfaces haptiques doivent pouvoir être déplacées par l’utilisateur sans lui opposer de résistance quels que soient les mouvements qu’il souhaite effectuer. On parle de réversibilité et de transparence. Elles doivent aussi pouvoir appliquer des forces parfaitement contrôlées. Il faut pour cela que l’on puisse les commander en effort. Leurs frottements et leur inertie, dont une large part vient des actionneurs, doivent être aussi faibles que possible. Ces caractéristiques peuvent être obtenues en intégrant sur le robot des capteurs de couples ou d’effort utilisés pour mesurer, en vue de les compenser, les frottements et l’inertie des actionneurs.

Cette approche présente toutefois des limitations, puisque l’on ne peut pas compenser totalement l’inertie du robot et qu’elle rend le système plus complexe et plus coûteux. On préfère souvent utiliser des solutions d’actionnement nativement réversibles et transparentes (c’est-à-dire peu frottantes et peu inertielles), comme celles utilisant des réducteurs dits à cabestan à câbles, ou bien des réducteurs à vis à billes, associés à des moteurs à courant continu, notamment ceux à balai de type rotor sans fer, ou encore ceux sans balai.

On voit que ce défi nécessite des recherches dans de multiples domaines (étude du système sensorimoteur humain, informatique, robotique). Il a conduit au développement de nombreuses interfaces à retour d’effort. Parmi les systèmes les plus emblématiques, on citera le Phantom, développé au MIT et commercialisé à la fin des années 1990 par la société Sensable Technologies (rachetée par Geomagic, puis 3D Systems), qui, en se concentrant sur le retour de force (les axes de rotation sont passifs), a simplifié radicalement la conception du robot pour obtenir un retour d’effort de très grande qualité à un coût raisonnable. Même si les applications sont moins riches qu’avec un retour d’effort utilisant six dimensions, ce dispositif a permis à de nombreuses équipes de recherche de s’équiper, de travailler sur la simulation haptique et de faire des études du système haptique humain. On citera également le CyberGrasp, l’un des premiers gants à retour d’effort commercialisé par Virtual Technologies dans les années 1990 (technologie rachetée par Immersion Corporation, puis CyberGlove Systems).

Avec[…]

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