Conception mécanique de l’interface haptique

La toute première version de prototype d’interface haptique avait été conçue par Chaker [Chaker 09]. Plus tard, un certain nombre d’améliorations y ont été apportées. Les modifications au niveau de son instrumentation embarquée ont imposé une révision de sa structure et de son aménagement interne.

3.2.1. Présentation de l’ancien dispositif

Ce dispositif à structure libre permet une bonne transparence avec un encombrement et une inertie minimale. Sa structure lui confère un aspect identique à celle d’une sonde d’échographie classique et lui permet d’accueillir les instruments de mesure dédiés à la détection de mouvement : un accéléromètre tri-axes et un gyroscope mono-axe. Un système actif de retour d’effort y est également intégré. Cette interface haptique peut mesurer la force exercée par l’opérateur à l’aide d’un capteur d’effort et accompagner son mouvement en translation ou au contraire s’y opposer grâce à un motoréducteur. Une transmission via un système de vis à billes permet au motoréducteur d’animer une liaison glissière.

Figure 3.1. CAO de l’interface haptique [Chaker 09].

Globalement, ce dispositif est composé de trois parties distinctes. La partie supérieure est un bloc prismatique qui confère à l’ensemble l’aspect d’une sonde d’échographie. Cette pièce permet la fixation du motoréducteur ainsi que le logement des instruments de détection de mouvement. La partie inférieure est la partie mobile de l’ensemble. Cette pièce est mise en mouvement de translation par rapport à la partie supérieur grâce au motoréducteur. Elle accueille le capteur d’effort. La troisième et dernière partie du dispositif est composée de deux petites pièces qui servent de support à l’accéléromètre et au gyroscope. Elles se fixent à l’intérieur de la partie supérieure.

Le système de retour d’effort est irréversible ; c’est-à-dire que la translation au niveau de la liaison glissière de cette interface ne peut s’effectuer que par la mise en mouvement de l’actionneur. La vitesse de cet actionneur est calculée en fonction de la différence entre l’effort appliqué par l’opérateur sur l’interface et l’effort exercé par le robot sur le patient.

Cette vitesse est donc nulle lorsque ces deux efforts sont identiques. Quand l’opérateur Gyroscope

Accéléromètre Motoréducteur Accouplement Vis

Ecrou

Capteur d’effort

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applique un effort sur l’interface haptique, l’erreur entre les efforts maître et esclave augmente. L’actionneur côté maître est activé pour accompagner le mouvement de l’opérateur et lui donner une impression d’enfoncement. Côté esclave, un actionneur est également activé pour réduire l’erreur entre les deux efforts. Cette erreur diminue alors et réduit la vitesse de l’actionneur côté maître. Le système étant irréversible, ce ralentissement oppose à l’opérateur une résistance à son mouvement vertical.

Figure 3.2. Nouveau système de transmission.

Cependant, compte tenu des dimensions internes de l’interface haptique et des performances des motoréducteurs proposés par les différents fournisseurs, aucune solution à jour ne permet l’actionnement de la liaison glissière suivant des dynamiques comparables à celles d’un opérateur humain. Les travaux d’intégration et d’implémentation du système de contrôle et retour d’effort ont été poursuivis afin de pourvoir contrôler l’effort appliqué par le robot distant.

3.2.2. Contributions apportées pour une nouvelle version

Afin de détecter des mouvements d’un objet libre dans l’espace, on utilise une centrale inertielle. Elle combine les informations mesurées par un ensemble d’accéléromètres et de gyroscopes. Chaker avait prévu d’utiliser les mêmes instruments. L’accéléromètre est de type tri-axe ; le gyroscope mono-axe ne fournit que des informations suivant un axe. Pour obtenir une redondance d’informations permettant une meilleure estimation de mouvement, il a été choisi d’y ajouter deux autres gyroscopes sur les deux autres axes du dispositif. Il a donc fallu revoir son aménagement interne en ajoutant deux autres supports pour orienter les deux nouveaux gyroscopes suivant les derniers axes. L’espace disponible à cet effet n’étant pas suffisant, il a été choisi de retourner le support du gyroscope (a), de modifier celui de l’accéléromètre (b) et d’en créer deux autres (c-d) (voir Figure 3.4).

Signal capteur maître

Signal capteur esclave

Robot esclave Capteur maître

Capteur esclave

Vis à billes Motoréducteur

Ecrou

Vitesse

motoréducteur Interface

haptique

Erreur

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Figure 3.3. Aménagement interne des instruments de mesure (en rouge).

Figure 3.4. Supports réutilisé (a), modifié (b) et fabriqués (c-d).

Le capteur d’effort intégré à la partie basse mesure l’effort entre l’interface haptique et le support (bureau, table…). Cependant, ce capteur n’est plus en contact avec le support lorsque le dispositif est incliné. Pour assurer ce contact en inclinaison, un couvercle d’appui a été conçu et fabriqué. Il permet de transférer la pression exercée en n’importe quel point de sa surface vers le capteur. Afin de pouvoir régler la position de ce couvercle, un système à vis a été mis en place. Il permet d’éliminer le jeu présent entre le capteur d’effort et le couvercle.

Figure 3.5. Aménagement du capteur d’effort (en rouge) et du couvercle d’appui (en vert).

Figure 3.6. Couvercle d’appui.

Le système de transmission a été revu. Il avait été prévu d’utiliser un accouplement entre l’arbre du moteur (en noir) et la vis à billes (en vert). Désormais, un manchon (en bleu) assure la transmission entre ces deux éléments. Il est bloqué par une butée à billes (en rouge) pour encaisser les efforts axiaux. L’écrou (en jaune) est fixé à la partie mobile de l’interface haptique et convertit les rotations de la vis à billes en mouvement de translation.

Figure 3.7. Nouveau système de transmission.

(a)

(d) (c)

(b) Gyroscope

Accéléromètre Supports

Gyroscopes

Supports

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3.3. Equipement embarqué et mise en œuvre