Ce premier chapitre introduit la loi de commande que nous allons utiliser pendant toute la thèse, c’est-à-dire la commande en force indirecte. Il s’agit d’un point fondamental du projet, tout aussi important que la réalisation de l’interface anthropomorphe elle-même, car seul un algorithme de commande viable peut permettre à l’interface de reproduire correctement les mouvements qui lui sont demandés et de bien transmettre la sensation haptique.
Nous avons, dans un premier temps, introduit la commande par impédance. Un sys- tème de télé-opération contrôlé en impédance a alors été développé et testé. La séance expérimentale fut plutôt brève, se limitant au réglage de certains coefficients de la loi de commande. Une application plus intéressante de ce même système sera présentée au chapitre 4.
Dans un second temps, la commande par admittance a été à son tour présentée et un système de télé-opération contrôlé en admittance fut développé et testé. Ce système a été validé expérimentalement en comparant ses performances à celles du système de télé-opération avec une commande par impédance. Les résultats furent très positifs.
L’utilisation d’un mécanisme aussi simple que le bras de levier nous a permis de concen- trer notre attention uniquement sur les contrôleurs employés. L’introduction des cap- teurs de force n’était pas nécessaire pour ce mécanisme, mais cela nous a permis de travailler sur certains paramètres de la commande afin que celle-ci fonctionne convena- blement. En utilisant des interfaces haptiques plus complexes, l’emploi des capteurs de force devient nécessaire et la commande par admittance est le seul moyen de garantir une bonne interaction entre l’humain et le robot.
0 2 4 6 8 0 0.5 1 1.5 Temps (s) Angle (rad)
Commande en position simple
Pos desirée Pos réelle (a) Essai 1,f ' 0,125Hz, Ψ = 7,2◦ 0 2 4 6 8 0 0.5 1 1.5 Temps (s) Angle (rad)
Commande par admittance
Pos desirée Pos réelle (b) Essai 1, f ' 0,125Hz, Ψ = 3,6◦ 0 1 2 3 4 0 0.5 1 1.5 Temps (s) Angle (rad)
Commande en position simple
Pos desirée Pos réelle (c) Essai 2, f ' 0,25Hz, Ψ = 10,2◦ 0 1 2 3 4 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Temps (s) Angle (rad)
Commande par admittance
Pos desirée Pos réelle (d) Essai 2, f ' 0,25Hz, Ψ = 6,68◦ 0 0.5 1 1.5 2 0 0.5 1 1.5 Temps (s) Angle (rad)
Commande en position simple
Pos desirée Pos réelle (e) Essai 3,f ' 0,5Hz, Ψ = 18◦ 0 0.5 1 1.5 2 0.5 1 1.5 Temps (s) Angle (rad)
Commande par admittance
Pos desirée Pos réelle
(f) Essai 3, f ' 0,5Hz, Ψ = 12,8◦
Figure 1.12 – Comparaison entre le suivi de trajectoire effectué avec la loi de com- mande en position simple, à gauche, et le suivi de trajectoire effectué avec la commande par admittance, à droite.
Chapitre 2
HARRI : l’interface haptique
anthropomorphe pour une poignée de
main robotique
Ce second chapitre présente une interface haptique capable de reproduire une poignée de main robotique intuitive et sécuritaire avec l’utilisateur humain. Les deux problèmes principaux liés à ce sujet sont illustrés et considérés au cours du chapitre : il s’agira tout d’abord de concevoir le dispositif en tenant compte de certaines conditions nécessaires au fonctionnement de celui-ci, tandis que, par la suite, notre attention se portera essen- tiellement sur l’ajustement de la commande permettant d’exécuter la tâche demandée.
Le but final de la thèse est de réaliser un système de télé-opération avec deux interfaces afin de mettre en communication deux personnes lointaines l’une de l’autre, en leur per- mettant de se serrer la main à distance. Toutefois, avant d’implémenter cette interaction humain-humain, l’interface elle-même doit être perfectionnée et validée, aussi bien du point de vue de la mécanique que de celui du contrôle. Pour ce faire, une interaction humain-robot sera étudiée dans ce chapitre.
2.1
Introduction à l’interaction humain-robot
L’interaction physique humain-robot — physical Human-Robot Interaction (pHRI) en anglais — commence à se définir comme domaine multidisciplinaire au milieu des années quatre-vingt-dix et au début du vingt-et-unième siècle. Nous pouvons cependant retrou- ver, dans une littérature encore antérieure à cette époque, de nombreuses recherches qui ont étudié l’interaction physique humain-robot. En général, la pHRI fait référence aux problèmes de compréhension et de gestion des interactions entre les robots et leurs utilisateurs humains. Une étude complète du problème a été présentée par [Goodrich and Schultz, 2007]. Dans le domaine de la pHRI, la technologie haptique concernant le sens du toucher joue un rôle très important. D’un point de vue physiologique, le sens du toucher peut être divisé en deux sous-systèmes : le sous-système cutané, ou tactile, et le sous-système kinesthésique. Une perception haptique est définie comme telle lorsque aussi bien le sous-système tactile que le sous-système kinesthésique sont impliqués [Loomis and Lederman, 1986], [Lederman and Klatzky, 2009].
L’interaction physique humain-robot proposée ici est une interaction de niveau supé- rieur, l’objectif étant celui de reproduire la forme la plus commune de salut entre les individus, c’est-à-dire la poignée de main. La littérature comporte peu de recherches sur la poignée de main entre un robot et une personne. En outre, les publications exis- tantes à ce sujet se concentrent souvent sur le mouvement et le comportement du bras robotique. Dans [Yamato et al., 2008], un modèle de référence sur le secouement du bras est proposé et testé sur un système robotique pour le serrage des mains. Dans [Kasuga
and Hashimoto, 2005], des oscillateurs neuraux sont utilisés afin de contrôler la poignée de main. Dans [Wang et al., 2009], une méthode exploitant le modèle de Markov caché — Hidden Markov Model, HMM, en anglais — est proposée afin de gérer l’interaction physique humain-robot. D’autres recherches sur la poignée de main humain-robot ont été présentées dans les dernières années par [Kawarazaki et al., 2010], [Zeng et al., 2012], [Vanello et al., 2010], [Xie et al., 2011], [Jindai and Watanabe, 2011]. En ce qui concerne l’interaction humain-humain, d’autres travaux présentant une poignée de main entre deux utilisateurs existent, mais ceux-ci emploient des interfaces très élé- mentaires [Kunii and Hashimoto, 1995], [Hashimoto and Manoratkul, 1996], [Alhalabi and Horiguchi, 2001]. Nous voulons nous concentrer ici sur l’interface elle-même : afin d’avoir le meilleur ressenti haptique possible, cette interface doit être anthropomorphe. Elle doit dès lors ressembler à une main robotique à plusieurs doigts.
Lorsque l’on conçoit une main robotique à plusieurs doigts, nous considérons en premier lieu l’objectif à poursuivre et l’application finale du dispositif. À partir de cela, certains aspects doivent être pris en considération tels que l’anthropomorphisme, le nombre et la configuration des doigts, les moteurs et leur actionnement et l’utilisation des capteurs. Tel que mentionné auparavant, l’aspect anthropomorphe est fondamental dans cette application. Dans la littérature, cette caractéristique devient de plus en plus importante notamment en ce qui concerne le développement de mains prothétiques [Schulz et al., 2001], [Pons et al., 2004], [Zollo et al., 2007] ou la réalisation d’outils de recherche avancés pour des manipulations robotiques complexes [Kawasaki et al., 2002], [Butterfaß et al., 2001], [Lovchik and Diftler, 1999]. Un autre aspect intéressant du design concerne le nombre de moteurs à utiliser. En ce qui concerne les doigts, afin d’obtenir un dispositif simple et léger, nous prendrons en considération le principe du sous-actionnement, qui sera analysé au cours de ce chapitre.
Celui-ci est organisé comme suit : dans un premier temps le problème du design de l’interface sera illustré, en soulignant les conditions à respecter afin d’obtenir un méca- nisme fort, raide et rapide. Dans un second temps, la loi de commande nécessaire pour garantir un comportement intuitif et réaliste de l’interface sera développée. Ensuite, nous présenterons une séance expérimentale où la nouvelle interface haptique sera tes- tée par quelques personnes. En conclusion, nous étudierons et illustrerons en détail les résultats de cette séance de test.