2.5  Les périphériques de sortie à retour haptique

Historique

La télé-robotique est le domaine technologique qui a nécessité la création de périphériques à retour de force. Le schéma classique est le couple Maître-esclave . Sheridan (Sheridan, 1992) a défini le système télé-opérateur Maître-esclave comme suit :

Un télé-opérateur Maître-esclave est constitué de 2 sous-parties :

  • Le dispositif maître, généralement un dispositif mécanique plus ou moins anthropomorphique et autorisant de multiples degrés de liberté, actionné directement par l’opérateur humain ;
  • Le dispositif esclave, isomorphique au maître, la plupart du temps équipé d’une main robotisé ou d’un outil spécialisé .

Le retour haptique (uniquement kinesthésique aux débuts ; on voit apparaître de plus en plus l’ajout du retour tactile) permet une immersion beaucoup plus efficace. L’opérateur a de plus en plus l’impression de manipuler directement l’outil que manipule le périphérique esclave distant.

Nous pouvons considérer que le premier périphérique à retour de force vient du monde de la télé-robotique : en 1952, Groetz et Thompson de l’Argonne National Laboratory (Goertz, 1952) créent l’Argonne (voir la figure 2.13), un système de télémanipulation maître-esclave permettant à un humain de diriger un bras robotisé dans un milieu hautement dangereux (centrale nucléaire, espace, fonds sous-marins).

Figure 2.13 : L’argonne

Par la suite, d’autres périphériques ont été conçus pour la télé-robotique, mais il ne s’agit ici que de simuler à distance une interaction physique qui a lieu dans le monde réel. En 1965, sous l’impulsion de Ivan Sutherland, Fred Brooks Jr. et ses collègues de l’université Chapel Hill de Caroline du Nord, se sont lancés dans le projet GROPE, visant à atteindre une simulation en temps réel pour la manipulation tridimensionnelle de molécules virtuelles, en ayant le retour des forces moléculaires. C’est plus de 20 ans plus tard que Brooks et ses collègues ont pu atteindre leur but initial (voir figure 4.4), grâce à la montée en puissance des ordinateurs (Brooks et al., 1990).

Figure 2.14 : Molecular Docking Virtual Interface ou MDVI (University of North Carolina)

Enfin, vers la fin des années 70, est apparu le premier prototype de périphérique effectuant le retour tactile d’une simulation graphique : le Sandpaper system développé au MIT (Minsky, 1995). Il s’agit d’un joystick offrant 2 degrés de liberté et rendant à la fois le retour de force et le retour tactile. Ainsi, il était possible de faire bouger un curseur au-dessus de divers échantillons de papiers virtuels et de sentir leurs textures. Cependant, par rapport aux périphériques de télé-robotique, on note une perte de liberté, puisque l’utilisateur doit garder une main sur le joystick. En retour, les dispositifs pouvaient embarquer des outils et mécaniques lourds, puisqu’ils sont posés sur leur support (en général, le bureau).

Les périphériques à retour haptique

Sans prétendre à l’exhaustivité, nous allons présenter quelques périphériques à retour haptique. Précisons tout d’abord la terminologie employée (tableau 2.2).

Perception Périphérique
Kinesthésique à retour de force / d’effort
Tactile à retour tactile

Table 2.2 : Correspondance terminologique entre la perception et les périphériques

On peut noter une différence fondamentale entre les deux retours haptiques : le retour de force peut s’opposer à un mouvement volontaire de l’utilisateur, jusqu’à l’empêcher (s’il est suffisamment fort); le retour tactile ne le peut pas (Burdea et al., 1992) .

Les périphériques à retour de force

Nous pouvons distinguer deux grandes familles de périphériques à retour de force (Casiez, 2004):

les périphériques à base non fixe
(man based) : ce sont les périphériques portés par l’utilisateur, de type gant ou exosquelette.
les périphériques à base fixe
(ground based ou desk based) : ils regroupent les périphériques de type bras, stylos (probe), manches ou souris

Nous allons maintenant voir les principaux dispositifs utilisés dans la recherche sur l’interaction haptique.

Les gants

Les gants doivent saisir les mouvements complexes de la main. Ils autorisent en général un grand nombre de degrés de liberté. En effet chaque doigt dispose de 4 degrés de liberté, auxquels il faut ajouter les mouvements de la paume et parfois du poignet. Le retour d’effort permet de ressentir la rigidité de l’objet mais ne permet pas de ressentir son poids.

Nous pouvons citer le Rutgers Master II qui est basé sur les travaux de (Burdea et al., 1992), et le CyberGrasp commercialisé par la société Immersion . Ces deux dispositifs se distinguent par l’emplacement de la structure mécanique. Ainsi, la structure est intérieure à la paume de la main pour le Rutgers Master II, ce qui empêche l’utilisateur de fermer totalement la main (figure 2.15).

Figure 2.15 : Les gants Rutgers Master II et CyberGrasp

Les bras maîtres

Les bras maîtres sont principalement utilisés dans les applications de télé-opérations. Sur la figure 2.16 apparaît le Dextrous Arm Master créé par SARCOS, l’une des entreprises pionnières dans le domaine. Ces systèmes, placés soit sur une table ou sur le sol, sont capables de fournir des forces puissantes à l’utilisateur. Ils sont également utilisés dans les applications de réalité virtuelle.

Figure 2.16 : Le SARCOS Dextrous Arm Master

Les stylos à retour de force

Ce sont des périphériques proposant au minimum trois degrés de liberté en entrée (le déplacement du stylet dans l’espace), mais le plus souvent six; et 3 degrés de liberté en sortie (c’est à dire sur le retour de force), et parfois six. La figure 2.17 illustre les différentes possibilités en terme de degrés de liberté.

Figure 2.17 : Les degrés de liberté sur un bras à retour de force

Le périphérique le plus utilisé dans les laboratoires est le PHANTOM (figure 2.18), créé et commercialisé par Sensable Inc.

Figure 2.18 : le PHANTOM, dans sa version omni.

Son maniement s’effectue grâce un stylet situé à l’extrémité du périphérique ou en insérant le bout de son doigt dans un dé. Il est alors possible, grâce à une excellente résolution spatiale de ressentir les sensations que l’on aurait à toucher un mur lisse, un coin pointu, une sphère caoutchouteuse ou encore une surface texturée.

Nous pouvons citer le Virtuose 3D, le Delta Haptic et le Freedom 6S (figure 2.19), également utilisés dans les laboratoires.

Figure 2.19 : Le Virtuose 3D, le Delta Haptic et le Freedom 6S

Précisons que les périphériques de type PHANTOM sont à la 3D ce que la souris à la 2D : des périphériques de pointage : seul un point est déplacé dans l’espace.

Les souris à retour de force

Les souris à retour de force sont des dispositifs à deux degrés de liberté. Nous pouvons citer la Wingman Force Feedback Mouse (figure 2.20), conçue par Immersion, et commercialisée par Logitech.

Figure 2.20 : Wingman Force Feedback Mouse

La souris proprement dite est solidaire de son socle. De fait, la surface de travail de cette souris est très réduite : 1,9 cm par 2,5 cm. Enfin, la souris peut générer des forces pouvant atteindre 1N.

La souris Wingman force Feedback a originalement été conçue pour les jeux vidéos, mais ses possibilités et son faible coût l’ont rendue populaire dans les recherches sur l’accessibilité auprès des personnes non-voyantes (Yu et al., 2001;Gardner et Bulatov, 2001;Tornil et Baptiste-Jessel, 2004)).

Les périphériques à retour tactile

Les dispositifs tactiles sont bien entendu basés sur les perceptions tactiles. Nous pouvons par exemple rappeler, que la perception tactile est le fait de trois classes de récepteurs : les thermorécepteurs, les nocirécepteurs et les mécanorécepteurs. Du côté de la machine, ce sont surtout des dispositifs répondant aux mécanorécepteurs, et donc à nos capacités de discrimination tactile, qui ont été conçus. On peut pourtant citer les travaux du Dr Suichi Ino, de l’université d’Hokkaido, qui cherche à créer un système de rendu de la température. Le Temperature Display, par exemple autorise un intervalle de température allant de 10°C à 60°C à une précision de 0.1°C pour un dispositif ne pesant que 30 grammes.

Pour le reste, donc, les dispositifs sont surtout axés sur la discrimination tactile. Et la principale approche pour rendre un élément tactile est celle visible sur la figure 2.21. On peut y voir une cellule d’affichage tactile. Cette cellule est composée de petits picots capables de monter ou descendre sur leur axe. Il ainsi possible de dessiner des petits motifs en relief.

Figure 2.21 : Une cellule d’afficheur tactile

Les afficheurs brailles (figure 2.22) utilisent ces cellules. Comme un caractère braille est composé de 8 points (pour le braille informatique), une cellule est composée de 8 picots. Il s’agit ensuite d’accoler un certain nombre de cellules (selon les modèles, de 20 à plus de 80 cellules) pour afficher plusieurs caractères brailles, et donc, un mot, une phrase.

Figure 2.22 : Une plage braille

Toujours dans la même approche, les sociétés ABTIM 1 et KGS 2 ont équipé de cellules des surfaces plus grande. Il ont ainsi réalisé des systèmes capables de reproduire des dessins en relief (figure 2.23).

Figure 2.23 : (gauche) : l’ADVANCED DISPLAYS for the BLIND de ABTIM ; (droite) : le DotView de KGS

Pour terminer cette partie, nous pouvons évoquer une autre classe de périphériques, qui exploite les capacités tactiles en sortie (de l’ordinateur vers l’humain), et les capacités kinesthésiques en entrée (de l’humain vers la machine). Il s’agit souvent d’adapter une cellule braille sur un dispositif de pointage (Lecolinet et Mouret, 2005). D’autres exemples sont visibles sur la figure 2.24.

Figure 2.24 : Le couplage des dispositifs de pointage avec le mode tactile


1
http://www.abtim.com
2
http://www.kgs-america.com/dvs.htm