Ce chapitre décrit les étapes qui ont conduit à la conception d’un système de mesure adapté au suivi dynamique d’un doigt en 2D, à faible distance et sans contact. Le cahier des charges du système a été défini à partir d’une simulation unidimensionnelle de son fonctionnement. Une courte revue des technologies de capteurs permettant de mesurer à distance à la peau avec un taux de rafraîchissement élevé (supérieur à 300 Hz), un champ de vision court (0 − 10 mm), sans contact, sans marqueur et pour un encombrement réduit, a permis de sélectionner une solution
Chapitre 3. Conception d’un effecteur de robot pour le contact intermittent 62
Emplacements capteurs Attache effecteur
FIGURE3.19: Vue éclatée d’une conception d’effecteur indicative pour le suivi d’un doigt dans
toutes les directions de l’espace.
4 1,1 4 4 4 5 5 5 1 1 1 1 ,5 0 1 2 1 APPR. VERIF.
interieur_capsule2
MASSE: A4 FEUILLE 1 SUR 1 ECHELLE:2:1 No. DE PLAN TITRE: REVISION NE PAS CHANGER L'ECHELLEMATERIAU: DATE SIGNATURE FAB. CASSER LES ANGLES VIFS NOM QUAL. ANGULAIRES: FINITION: SAUF INDICATION CONTRAIRE: LES COTES SONT EN MILLIMETRES ETAT DE SURFACE: TOLERANCES: LINEAIRES: AUTEUR
FIGURE3.20: Plan de la garniture interne de l’effecteur 3D indicatif. Neuf capteurs sont inté-
Chapitre 3. Conception d’un effecteur de robot pour le contact intermittent 63
basée sur des capteurs de proximité infrarouges. Une instrumentation 2D complète capable de mesurer précisément le contour local d’une vue en coupe d’un doigt a été élaborée. Ce dispositif utilise 16 capteurs identiques dont l’un a été entièrement caractérisé en portant une attention par- ticulière à la facilité d’utilisation du dispositif et notamment à sa calibration, de façon à ce que les performances soient indépendantes de l’utilisateur. L’effecteur complet a ensuite été calibré en utilisant un réflecteur sphérique rigide de Motion Capture, dont la réflectance à la longueur d’onde d’émission des capteurs est proche de celle d’un doigt moyen. Une procédure de calibra- tion simple est établie pour que tout utilisateur puisse utiliser l’effecteur. À partir des résultats obtenus, des décalages sont calculés et propagés aux autres capteurs de façon à ce que chacun mesure précisément la distance le séparant du doigt. La validation des performances de l’inter- face est effectuée par une comparaison des contours des doigts de six utilisateurs, reconstruits de deux manières différentes (par l’anneau et par un appareil photo), tout d’abord près du centre de l’anneau, puis à travers son espace de mesure. Finalement, l’apport d’une modélisation du doigt et d’un filtrage des mesures en termes de précision et filtrage du bruit est examiné en fonction du nombre de capteurs actifs au sein du dispositif, aboutissant à des performances égales quel que soit le nombre de capteurs utilisés. Il en résulte une instrumentation facile d’utilisation, permet- tant le suivi d’un doigt dans un plan avec une fréquence d’échantillonnage variant entre 333 à 1000 Hz et une précision du positionnement du centre du doigt de 0,3 ± 0,2 mm dans un espace de travail de 24 mm de diamètre. Entre quatre et seize mesures donnent accès à la géométrie du doigt dans un plan de coupe avec une précision variant en fonction du modèle utilisé.
Les résultats obtenus permettent d’envisager plusieurs perspectives aux travaux réalisés. Tout d’abord, le paragraphe 3.6 montre qu’un faible nombre de capteurs peut être utilisé pour re- construire la position du centre du doigt et sa géométrie dans le plan de l’anneau, moyennant quelques précautions à prendre quant à la sécurité du système. Cela laisse penser que les résul- tats doivent être transposables à un effecteur adapté à trois dimensions. Par ailleurs, comme la géométrie du doigt est peu changeante au cours de l’utilisation du dispositif, les mesures cap- teurs co-varient. En effet, elles sont plus nombreuses que le nombre de paramètres qui causent leur variation. En modélisant le contour du doigt (ce qui permet de relier les mesures capteurs les unes aux autres), une autocalibration de l’anneau est a priori possible. Cependant, comme le modèle de Phong utilisé pour traduire les sorties capteurs en une distance est non linéaire, la résolution du système d’équations qui en résulte nécessite de prendre en compte de nom- breux instants précédents. Des méthodes itératives peuvent a priori être utilisées (BERTSEKAS
1999 ; KELLEY1999) mais elles présentent l’inconvénient d’être coûteuses en temps de calcul. Il semble plus indiqué de mener l’optimisation dynamiquement – le choix de la méthode reste cependant ouvert.
Chapitre 4
Commande d’un dispositif à contacts
intermittents
4.1
Introduction
Une interface haptique à contacts intermittents doit présenter une mécanique et une électronique adaptées. Elle doit également être commandée par une loi qui lui permette d’assurer sa fonction dans toutes les phases de son fonctionnement. En espace libre, elle doit suivre le doigt de l’uti- lisateur à distance. Au contact, elle doit lui restituer des efforts en accord avec les interactions de l’avatar du doigt avec l’environnement. Ces deux modes de fonctionnement doivent être as- surés en garantissant que la transition entre les deux préserve le réalisme de l’interaction avec l’environnement virtuel.
Ce chapitre analyse ces différentes phases de fonctionnement et examine plusieurs solutions pour réaliser la transition entre espace libre et contact. L’infrastructure expérimentale est d’abord présentée. Les lois de commande du robot sont ensuite implémentées expérimentalement et les performances de la meilleure solution sont détaillées. Finalement, nous comparons la capacité de dix utilisateurs à détecter un contact avec l’interface à contacts intermittents et avec une interface classique en contact permanent avec le doigt.
Chapitre 4. Commande d’un dispositif à contacts intermittents 66
FIGURE 4.1: Vue générale de l’interface haptique à contacts intermittents 2D utilisée pendant
les expérimentations. Le monde virtuel 2D apparaît à l’arrière-plan : l’avatar du doigt est re- présenté par un disque blanc, l’espace libre apparaît en noir et les murs virtuels en vert.