Revue de quelques interfaces haptiques dextres

Dans ce paragraphe, quelques interfaces haptiques génériques reprises de l’état de l’art du cha- pitre 2 sont évaluées à la lumière des critères détaillés précédemment. Pour chaque interface, un diagramme radar représente la valeur de chaque critère utilisé dans le calcul de l’efficacité d’interaction globale, qui est affichée en dessous en niveau de gris (figure 5.12) :

(a) l’interface PERCRO PHFE est une interface permettant d’interagir avec les extrémités du pouce et de l’index (FRISOLIet al. 2007). La zone de contact qui lui correspond est donc M3

(donc EImax= 26,1%). Elle est composée de deux robots à six degrés de liberté dont trois

sont motorisés. Cela permet un retour d’effort suivant trois degrés de liberté à l’extrémité de chaque doigt, d’où IDOF = 100%. Les deux robots sont chacun attachés à une base

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portée sur l’avant-bras qui peut donc se déplacer librement. Chaque robot décrit la totalité de l’espace de travail du doigt auquel il est attaché. Cependant, les extrémités des doigts sont attachés aux effecteurs par des systèmes relativement encombrants qui les empêchent d’être rapprochés l’un de l’autre. Cette limite est prise en compte en diminuant l’index d’espace de travail à IW S = 90%. Sa capacité en effort est supérieure à 4 N en continu et 25 N en

crête, et sa raideur est supérieure à 5900 N/m. Ces valeurs sont supérieures à celles requises (IF = IK = 100%). Ainsi, l’efficacité d’interaction de cette interface est égale à 23,5%.

(b) Le gant IHS10 (GOSSELIN2012) est un système lié aux extrémités de trois doigts donnant ainsi accès aux interactions impliquant M4(EImax= 32,6%). Il est composé de trois robots

à cinq degrés de liberté et trois moteurs chacun, permettant de piloter trois degrés de liberté par doigt (IDOF = 100%). De même que pour le PHFE, son espace de travail correspond

à celui des doigts mais les systèmes d’attache les empêchent de mettre les doigts en contact les uns des autres, donc IW S est évalué à 90%. Sa capacité en effort crête et sa raideur

apparente sont supérieures à 10 N et 5000 N/m respectivement, donc IF = IK = 100%.

Son efficacité d’interaction égale 29,3%.

(c) le Rutgers Master II (BOUZITet al. 2002) est une interface haptique à quatre doigts permet- tant d’interagir à travers les surfaces de contact M5 (EImax = 41,6%). Le retour d’effort

est fourni par des pistons à air comprimé logés au niveau de la paume. Il n’est disponible que selon la normale aux surfaces de contact. Cela correspond à IDOF = 50%. Par ailleurs,

cette technologie limite la fermeture de la main à 55% des mouvements de manipulation naturels car les pistons ont une taille minimale approchant la moitié de leur taille maximale, ainsi IW S = 55%. L’effort maximum applicable est supérieur à 16 N et la raideur apparente

approche les 8000 N/m, donc IF = IK = 100%. Dans l’ensemble, l’efficacité d’interaction

de ce système est 11,4%.

(d) Le Cybergrasp est un gant haptique dextre à cinq doigts. Sa structure mécanique est un semi- exosquelette permettant un retour d’effort couplé sur les phalanges médianes et distales des doigts. On considère donc qu’il s’agit d’une interface focalisée sur les extrémités des doigts donnant accès aux interactions correspondant à M6 (EImax = 47.5%). IDOF est limité

à 50% car ses moteurs ne permettent une interaction que selon la normale aux extrémités des doigts. Les doigts peuvent bouger librement (on a donc IW S = 100%), grâce à une

connexion relativement légère avec leurs extrémités. Sa capacité en effort égale 12 N et sa raideur de commande peut être ajustée à 50000 N/m (AIPLE et SCHIELE 2013), donc IF = IK = 100%. On obtient finalement une efficacité d’interaction de 23,8%.

On pourrait argumenter que ce système ne correspond pas vraiment à une interface adap- tée aux extrémités des doigts uniquement puisqu’elle permet des interactions avec les pha- langes médianes, c’est-à-dire une combinaison de M15et M12. Cela augmenterait grande-

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FIGURE 5.12: Démonstration de l’utilisation des zones d’interaction pour le classement d’in-

terfaces haptiques existantes (toutes valeurs en pourcentages). EImax: index d’efficacité maxi- male ; IDOF : index de degrés de liberté pilotés ; IW S: index d’espace de travail ; IF: index de capacité en effort ; IK : index de raideur. les nombres en niveaux de gris sous les diagrammes

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deux car le retour d’effort est couplé entre les phalanges médianes et distales. Finalement, l’efficacité d’interaction obtenue serait similaire, sinon inférieure.

(e) Le bras HIRO III (ENDO et al. 2011 ; HIRO III 2011) est une interface haptique à cinq doigts de type opposé permettant une interaction à travers les surfaces M6 (EImax =

47.5%). Il permet un retour d’effort selon trois degrés de liberté pour chaque extrémité de doigt (IDOF = 100%). Contrairement aux interfaces précédentes, il s’agit d’un ro-

bot à base fixe. En conséquence, même s’il peut décrire l’espace de travail des doigts, les mouvements de la main sont limités à un demi-tore dont les dimensions maximales avoi- sinent 740x370x370 mm, approchant le volume de travail confortable de la main, donc IW S = 100% × 50% = 50%. Sa capacité en effort est de seulement 3,6 N aux extrémités

des doigts tandis que sa raideur maximale de commande excède 5000 N/m. Ainsi IF = 36%

tandis que IK = 100%. D’où une efficacité d’interaction de seulement 8,6%.

La figure 5.13 résume ces résultats. Elle indique les efficacités d’interaction des interfaces et les index d’efficacité maximaux des zones d’interaction associées en fonction du nombre de zones d’interaction simplifiées auxquelles elles sont attachées. Elle met en lumière le fait que des interfaces relativement simples comme le gant IHS10 peuvent être plus efficaces que des inter- faces plus complexes comme le CyberGrasp ou le bras Hiro III, du point de vue des interactions auxquelles elles donnent accès.

Ces résultats sont probablement optimistes cependant. En effet, des critères de performances supplémentaires pourraient être pris en compte, comme le frottement ou l’encombrement, et viendraient diminuer d’autant les performances globales. L’influence de ce dernier peut aussi dépendre de l’infrastructure de réalité virtuelle mise en place (cette influence est par exemple nulle dans le cas de l’utilisation d’un casque de réalité virtuelle) : elle n’a donc pas été prise en compte ici. Pour autant, les dessins des interfaces de la figure 5.12 sont réalisés à la même échelle, afin de fournir un aperçu de leur encombrement.