1 Mécanisme à câbles pour la co-localisation
2.1 Conception de l’interface
ort maximal f max [N] 20 80 100 60 40 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Envergure e [m] (b)
Figure 2.9. Hauteur h disponible entre la face supérieure et le parallélépipède en fonction de l’envergure e (a). L’effort maximal articulaire fmax correspondant est calculé numériquement avec une discrétisation en deçà de 1mm pour le pas de l’espace de travail et de 1˚pour l’orien-tation de Fmax. Les résultats pour la configuration à 5 actionneurs sont tracés sur les courbes rouges. Les résultats pour la configuration à 4 actionneurs sont également tracés en bleues.
L’actionneur supplémentaire pourrait potentiellement être employé pour contraindre un degré de liberté en plus, à savoir une rotation. A cet effet les câbles ne devraient pas tous être dirigés vers un point unique mais légèrement décalés les uns par rapport aux autres de manière à générer des couples. La nature et l’amplitude de ces couples dépendront de la nouvelle configuration et une nouvelle étude devrait alors être menée pour les déterminer.
Pour contraindre complètement les rotations de l’espace, 8 actionneurs seraient nécessaires. Au vu de la forme parallélépipédique de l’espace de travail désiré, un tel mécanisme réduirait proba-blement l’envergure e et l’effort articulaire maximal fmax. Néanmoins, chaque câble supplémen-taire génère des frottements et chaque actionneur ajoute de l’inertie qui détériore la transparence du mécanisme. Leur nombre doit ainsi être limité. Dans le cadre de l’étude menée ici, le 5ème moteur est un compromis nécessaire.
2 Implémentation
2.1 Conception de l’interface
2.1.1 Vue d’ensemble
Le mécanisme à 5 câbles d’envergure e = 80cm est implémenté avec un système d’affichage écran/miroir. Une photo de l’interface finale est disponible sur la Fig.2.10 (a). Elle a été déve-loppée au laboratoire ISIR (Institut des systèmes intelligents et de robotique). Dans la suite les principaux éléments2 sont présentés (Fig.2.10 (b)).
2 Implémentation 49 Liste des principaux éléments
Actionneur Ecran Miroir Poignée Poulie haute Poulie basse Support bas Câble
Figure 2.10. Photo de l’interface composée d’un dispositif haptique à 5 câbles et d’un système d’affichage écran/miroir (a). Les différents éléments qui la constituent sont détaillés (b).
La structure de l’interface est composée de profilés en aluminium qui forment un parallélogramme de (0.82x0.91x0.71)[m]. Le support inférieur est une plaque d’acier pour la stabilité et le support supérieur est une plaque en bois plus légère, dont une partie est découpée pour laisser place au miroir. Ce dernier est une surface semi-réfléchissante 50/503. En d’autres termes, 50% des rayons incidents seulement sont réfléchis donc les éléments placés au dessus et en dessous sont visibles dans les mêmes proportions. L’écran est fixé au dessus, au milieu de la structure. La distance entre le miroir et le centre de l’écran est de 20 cm dans l’axe ~zc et l’angle entre les deux est de 45 ˚autour de ~xc si l’écran est placé initialement dans le plan ( ~xc, ~zc).
2.1.2 Dispositifs à câbles
Le mécanisme à retour d’effort est constitué de 5 câbles dont les points d’ancrage sont répartis dans la structure de manière à former la pyramide inversée d’envergure e = 80 cm.
Les actionneurs sont des moteurs rotatifs sans réducteur, fixés en bas de la structure. Un câble est enroulé sur chacun grâce à une poulie fixée sur l’arbre (Fig. 2.11 (a)). Le rapport entre la taille de l’enrouleur ( 10 cm) est choisi pour que des efforts fmax= 40 N puissent être générés en sortie du système tout en limitant le nombre de tour de câble enroulé afin d’éviter au maximum les frottements.
Le câble est ensuite envoyé vers un système à deux poulies de déviation qui le guident jusqu’au point d’ancrage. La première est localisée sur le support inférieur et possède un degré de liberté en rotation autour de son axe ~zpb(Fig. 2.11(b))). Elle renvoie ainsi le câble vers le haut tout en limitant les frottements.
3. Un autre type de miroir avait été testé (diviseur de faisceaux (beam-splitter)) mais l’image réfléchie n’est pas de bonne qualité (dédoublement des entités virtuelles).
Une seconde poulie est ensuite localisée dans la partie supérieure de la structure (Fig.2.11(c)). Elle tourne autour de son axe ~zphmais également autour de ~xphdécalé du centre de la poulie. La seconde mobilité est employée pour éviter que le câble qui est directement connecté à la poignée derrière (Fig. 2.11(d)) ne s’échappe quand un utilisateur manipule le système.
Le système d’actionnement/transmission, composé de l’enrouleur, de la poulie de déviation in-férieure et de la poulie de déviation supérieure, est démultiplié par 5 (Fig.2.11(e)) sauf pour le point d’ancrage 3 qui est localisé sur la pointe de la pyramide et ne nécessite pas de poulie de déviation supérieure.
Poulie de déviation basse Actionneur et son enrouleur
(a) (b) Enrouleur Moteur rotatif Câble Axe de rotation zM zM zPB Poulie ~1cm ~1cm
Poulie de déviation haute
(c) xPH zPH Butée à billes Poulie ~1cm Organe e✁ecteur (d) Poignée ~5cm
Vue d✂ensemble des actionneurs
(e) 1 2 3 4 5 ~5cm
Figure 2.11. Le câble est enroulé sur une poulie fixée sur l’arbre de l’actionneur (a). Il est ensuite envoyé vers une première poulie de déviation (b) puis une seconde (c) avant d’être accroché à la poignée (d). Le système est démultiplié par 5 (e).
Le système à câbles étant contraint en translation, la poignée est une sphère. Son diamètre a été fixé à 5cm par comparaison avec le dispositif Oméga 3 déja existant. Les câbles y sont insérés par des ouvertures dirigées vers le centre.
Le câble est choisi pour être rigide et limiter l’inertie. Par définition, un câble est constitué de plusieurs fils entrelacés qui lui confèrent une meilleure résistance mécanique qu’un fil unique. Néanmoins, les produits du commerce ne fournissent pas le schéma de tressage et il n’est donc pas possible de définir leurs comportements à partir d’équations mécaniques.
Le choix s’est donc porté sur un matériau synthétique connu pour posséder un des meilleurs ratios résistance/masse mais qui limite la transmission des vibrations : des câbles en polyéthy-lène type Spectra™. Le modèle choisi a un diamètre de 1 mm et est employé sans traitement supplémentaire.
2 Implémentation 51 2.1.3 Système final
Le dispositif à câbles est inclus dans la structure, sous le système d’affichage écran/miroir pour former l’interface co-localisée. Dans les faits, elle est placée sur une table (Fig. 2.12 (a)) pour positionner le miroir au niveau des épaules de l’utilisateur.
La position d’un utilisateur de taille adulte est ergonomique quand il opère au centre de l’espace de travail (Fig. 2.12(b)) ou au point le plus éloigné (Fig.2.12 (c)).
Interface dans son environnement
Position de l✁utilisateur au centre de l EDT
Position de l✂utilisateur au point le plus éloigné de l✄EDT
(a) (b) (c)
Figure 2.12. Pour être employée, l’interface est surélevée (a). Sa taille est adaptée à des opé-rations au centre de l’espace de travail (b) ou au point le plus éloigné (c).