L’état de l’art du paragraphe 2.4 montre que les interfaces haptiques dextres permettent à un utilisateur d’interagir plus naturellement avec un environnement virtuel, mais que leur encom- brement et leur poids nuit à leur transparence. Par ailleurs, l’état de l’art du paragraphe 2.5 montre que les interfaces à contacts intermittents sont une solution prometteuse pour augmen- ter la transparence en espace libre, mais qu’elles ne permettent pas d’interagir naturellement avec un environnement virtuel car elles ne sont soit pas adaptées à une manipulation à plusieurs doigts, soit pas totalement transparentes. Cette thèse tente de combiner ces deux approches par l’étude de l’impact du contact intermittent sur la transparence en espace libre, et des zones de contact de la main sur lesquelles son application permettrait une interaction plus naturelle et réaliste.
Pour répondre à cette problématique, nous concevons dans un premier temps un effecteur d’in- terface à contacts intermittents. Il est ensuite installé à l’extrémité d’une interface haptique. Une loi de commande adaptée est élaborée et l’apport de ce principe sur la transparence de l’inter- face est évalué. Enfin, une méthodologie de choix des zones de contact à prendre en compte dans la conception d’une interface haptique à plusieurs doigts est proposée. Ces contributions sont détaillés séparément dans la suite.
Conception d’un effecteur pour le contact intermittent
La première contribution de ce travail porte sur le dimensionnement et la conception d’un ef- fecteur pour interface à contact intermittent. Ainsi, dans un premier temps, nous concevons un effecteur d’interface à contacts intermittents de type “encounter-type”. Celui-ci doit a priori es- timer précisément la géométrie du doigt pour que l’interface puisse venir à son contact au bon
Chapitre 2. État de l’art et contributions 27
endroit. Dans ce but, il est nécessaire de localiser le doigt par rapport à l’interface. Ces localisa- tions sont accessibles de trois manières différentes :
– Les positions du doigt et de l’effecteur du robot peuvent être déterminées au moyen d’un système de mesure externe. Les coordonnées de l’interface sont alors directement exprimées dans le même repère. Il est cependant nécessaire de reconstruire précisément l’ensemble en 3D tout en gérant les occlusions, avec une fréquence d’échantillonnage élevée, ce qui est actuellement coûteux.
– Le doigt peut être localisé par un système externe de capture de mouvement, et le robot peut être reconstruit par ses capteurs internes. Cette solution ne résout pas les problèmes d’occlusions pour le doigt. De plus, les mesures sont exprimées dans deux repères différents. Il est donc nécessaire de calibrer précisément l’ensemble pour obtenir le positionnement du doigt par rapport au robot.
– Le robot peut être localisé par ses capteurs internes, et la position du doigt par rapport au robot peut être déduite à partir de la mesure de capteurs directement installés au niveau de son effecteur. Cette solution élimine le risque d’occlusion. Elle fournit une mesure directe de la position relative du doigt par rapport à l’effecteur, qui représente l’information critique pour le contact intermittent. La position absolue du doigt est obtenue par combinaison de sa position relative par rapport au robot et de la position du robot par rapport à sa base.
Nous choisissons donc la troisième solution. On note que la précision de la modélisation du doigt nécessaire à un rendu réaliste du contact sur celui-ci ne peut pas être anticipée, de même que le nombre de capteurs nécessaires. Nous étudions donc le problème en deux dimensions, dans la perspective d’étendre les résultats obtenus dans l’espace. Ainsi, pour que le contact puisse avoir lieu en n’importe quel point de la périphérie du doigt tout en limitant la complexité mécanique, nous envisageons l’effecteur sous la forme d’un anneau qui l’entoure. Il devra respecter les principes indicatifs suivant :
– suivi sans marqueur du doigt ;
– fréquence de rafraîchissement élevée (supérieure à 200 Hz) ; – précision de positionnement sous le millimètre ;
– encombrement réduit.
Élaboration d’une loi de commande pour interface à contacts intermittents
La seconde contribution de cette thèse est un nouvelle loi de commande pour les interfaces à contacts intermittents. Pour la mettre en place, nous montons cet effecteur au bout d’un robot 2D et nous élaborons une loi de commande adaptée aux modes de fonctionnement du contact intermittent :
– suivi de position à faible distance en espace libre ; – restitution d’un effort au contact ;
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– transition entre les deux modes de commande qui ne dégrade pas le réalisme du rendu. Afin de valider l’approche proposée, nous comparons les performances de dix sujets pendant une tâche de détection de contact d’une part avec une interface 2D classique, d’autre part avec l’interface 2D à contacts intermittents.
Choix des zones de contact à prendre en compte dans la conception d’une interface haptique
Enfin, cette thèse propose une étude de l’augmentation du réalisme de l’interaction sous l’angle des zones de contact de la main impliquées dans les tâches de manipulation du quotidien. Une méthodologie de choix des zones de contact à prendre en compte dans la conception d’une interface haptique est proposée. Elle est utilisée pour élaborer des indices de performance des interfaces existantes et un retour sur les interfaces de la littérature est proposée à travers ce prisme.
Cette thèse contribue ainsi au développement d’une interface haptique à contacts intermittents permettant une interaction plus réaliste en environnement virtuel. Cela est obtenu par la concep- tion d’un effecteur adapté et l’élaboration d’une loi de commande robuste minimisant le nombre de capteurs à intégrer pour le suivi d’un membre. Elle propose aussi une méthodologie de choix des zones de contact à prendre en compte dans la conception d’une interface dextre offrant une interaction plus naturelle avec l’environnement.
Chapitre 3
Conception d’un effecteur de robot
pour le contact intermittent
3.1
Introduction
Une interface haptique à contacts intermittents doit être équipée d’un effecteur adapté. Ce der- nier doit lui permettre de suivre à distance et sans contact le doigt utilisé par l’opérateur pour interagir avec l’environnement virtuel ou distant. Il doit aussi servir de lieu du contact lorsqu’un retour d’effort doit être appliqué.
Dans ce chapitre, on s’intéresse à la conception d’un tel effecteur adapté à des interactions di- gitales, et plus particulièrement à des interactions avec l’index, effectuées en 2D. Un cahier des charges est d’abord constitué à partir des performances humaines à adresser pour que l’inter- face puisse mesurer la position de l’index dans le plan et le suivre sans collision involontaire. Un capteur adapté est ensuite sélectionné et intégré dans la conception d’un effecteur 2D en forme d’anneau. Il est caractérisé puis calibré. Ces mesures sont ensuite utilisées en parallèle d’une modélisation du doigt puis filtrées, afin de fournir une estimation fiable de la position du centre du doigt et de sa géométrie. Les travaux réalisés sont finalement utilisés pour définir des pistes pour la conception d’un effecteur adapté au suivi sans contact d’un doigt dans toutes les directions de l’espace.
Chapitre 3. Conception d’un effecteur de robot pour le contact intermittent 30