Soutenance mémoire
Avec les progrès récents en informatique et en robotique, les techniques de réalité virtuelle se sont développées dans différents domaines d’applications. Ces techniques sont basées essentiellement sur l’immersion et l’interaction et leur objectif est de permettre à une ou plusieurs personnes d’agir physiquement avec des objets dans un monde virtuel [Fuchs 06b].
ETAT DE L’ART
Immersion et interaction 3D
La réalité virtuelle regroupe un ensemble de techniques et de technologies ayant pour objectif d’immerger un ou plusieurs utilisateurs dans un environnement synthétique tridimensionnel ou environnement virtuel, avec lequel ils pourront communiquer et interagir via des interfaces d’action et de perception. L’utilisation d’interfaces spécifiques permettant de créer des retours d’effort sur l’utilisateur (interfaces sensori-motrices) permet de fournir une interaction plus réaliste au niveau sensorimoteur, utile dans certains types d’applications.
IMMERSION VISUELLE DANS UN ENVIRONNEMENT A ECHELLE HUMAINE
Un environnement immersif à échelle humaine met en œuvre un environnement virtuel d’une taille semblable à celle d’un homme et donc permet d’immerger tout le corps d’un utilisateur [Dominjon 06]. Selon M. Sato, l’environnement virtuel à échelle humaine est utilisé pour qualifier une interface dont l’espace de travail serait suffisamment grand pour pouvoir contenir l’ensemble des mouvements de l’utilisateur [Choi et al. 02]. Pour Fuchs [Fuchs 06a], une interface visuelle à taille humaine est composée souvent d’un ou plusieurs écrans suffisamment grands, à taille humaine, pour permettre l’immersion dans un grand champ de vision d’un ou de plusieurs observateurs. Parmi ces différents types d’environnements, on peut compter le visiobureau (souvent appelé « workbench »), la salle immersive et le visiocube (souvent appelé « Cave »).
Workbench ou visiobureau
Le premier visiobureau, le Workbench, est une interface visuelle semi immersive, présenté par Krüger en 1994 [Krüger et al. 94] et développé par Drews en 1995 [Drews & Weyrich 97]. Elle permet d’afficher des images stéréoscopiques sur une surface de la taille d’un bureau ou d’une planche à dessin. Ces plans de travail virtuels fonctionnent globalement comme les écrans stéréoscopiques avec séparation par lunettes, excepté le fait que l’image est projetée sur un (ou deux) écran(s) par l’intermédiaire d’un vidéo projecteur et éventuellement via un ou deux miroirs . La séparation des images stéréoscopiques se fait par l’intermédiaire de lunettes soit actives, soit passives. Ce type d’interface visuelle est utilisé dans les applications où il suffit d’immerger juste la main et quand toutes les opérations sont proches et autour d’une table, comme dans la formation aux opérations chirurgicales ou la visualisation de plans [Mokhtari et al. 04].
Salle immersive ou visiosalle
Une salle immersive est caractérisée par sa grande taille et son écran pouvant avoir différentes formes . Le principal avantage de cette configuration tient à sa taille, qui permet d’observer des objets de grandes dimensions. L’autre avantage, est qu’il permet à plusieurs utilisateurs de regarder simultanément une scène en images de synthèse 3D temps réel.
CAVE ou visiocube
Le CAVE™ est un système de visualisation avancé où les projecteurs sont dirigés vers 4, 5 ou 6 faces d’un cube à échelle humaine. Il combine projection stéréoscopique et à haute résolution pour créer l’illusion d’être présent dans un environnement virtuel. Cette configuration procure une excellente sensation d’immersion grâce à la disposition des écrans qui entourent l’utilisateur . Le premier CAVE™ a été développé par Cruz-Neira et al. à l’université d’Illinois en 1993.
Le SASCube™ est un CAVE™ de 3 mètres d’arrête développé par Barco™ à CLARTE. Il est conçu pour être transportable, possède quatre faces écrans (et donc quatre projecteurs) : avant, gauche, droite en rétro projection et sol en projection directe. Le SASCube™ utilise un système de stéréo active qui repose sur la succession dans le temps d’images destinées respectivement à chaque œil. Des lunettes actives sont portées pour masquer alternativement un œil puis l’autre en synchronisation avec les projecteurs. La qualité des écrans conditionne grandement celle de l’image projetée. Une des propriétés fondamentales est l’uniformité de la luminosité sur toute la surface de projection et ce, quel que soit l’angle de vision [Nahon 02]. Dans cette étude, on recherche les moyens de fournir des retours d’effort pour le SASCube et la salle immersive basée à l’Ecole des Mines de Paris.
INTERACTION HAPTIQUE DANS UN ENVIRONNEMENT IMMERSIF
L’interaction haptique regroupe les activités sensori-motrices permettant d’explorer et d’interagir dans les environnements virtuels en percevant des informations par le toucher et par la proprioception musculaire. Différentes études ont montré que l’addition du sens haptique à la vision permettait d’augmenter les performances de l’utilisateur lors de manipulations d’objets et contribue à la sensation d’immersion [Lécuyer 01]. L’interaction haptique repose sur l’utilisation d’interfaces qui appliquent des efforts et (ou) contraignent les mouvements de l’opérateur (retour d’effort) et qui stimulent les récepteurs cutanés (retour tactile) [Mikckevitch 04]. L’interaction haptique repose aussi sur des techniques informatiques d’interaction qui constituent la couche logicielle et désigne la méthode ou le scénario d’utilisation de l’interface motrice utilisée dans l’application.
Interfaces à retour d’effort
DEFINITION
Les interfaces à retour d’effort permettent de transmettre des efforts à l’opérateur. Ce type de dispositif a initialement été employé pour la téléopération dans les milieux hostiles ou inaccessibles pour l’être humain [Lécuyer 01]. Le but est de donner à l’opérateur les moyens de travailler directement au contact de l’environnement distant, faisant de cette interface une extension de son propre corps [Gosselin 05]. Ensuite avec les progrès des technologies de l’informatique, les interfaces à retour d’effort ont été utilisées pour l’interaction dans les environnements virtuels.
CLASSIFICATION DES INTERFACES
Différents critères pour la classification des interfaces à retour d’effort ont été proposés. Hayward a classifié les interfaces selon le nombre de degrés de liberté qu’elles possèdent ; à peu de ddl1 pour 2 à 3 degrés contrôlés, à grand nombres de ddl pour 3 à 6 degrés contrôlés et à très grand nombre de ddl pour plus de 6 degrés contrôlés. Bergamasco et Avizzano ont développé cette classification en fonction de la nature du contact entre l’opérateur et l’interface. Ils ont considéré 5 grandes catégories : interface type manette de jeu, interface à un seul point de contact, interface pour la réplication de tâches, interfaces à plusieurs points de contact et interfaces portables. La classification que l’on utilise est faite par rapport à l’architecture du système à retour d’effort [Burdea 96] [Fuchs 06b]. Cette classification distingue les interfaces en deux grandes familles : fixes ou à réaction externe et portables ou à réaction interne. Pour les interfaces fixes, la chaîne d’efforts se referme sur un socle fixe. Elles donnent donc la possibilité de compenser le poids de l’interface et de contraindre les mouvements de l’utilisateur en interaction avec les objets virtuels, mais leurs espaces de travail sont limités. A l’inverse, pour les interfaces portables la chaîne d’efforts se referme sur l’opérateur. Elles permettent donc une plus grande liberté de mouvement, mais leur poids n’est pas compensable et leurs mécanismes encombrent l’utilisateur. Ces catégories sont présentées ci-dessous avec les exemples de plusieurs interfaces récemment développées.
Les interfaces fixes
Dans cette catégorie, les interfaces possèdent une base fixe ou indépendante de l’utilisateur. Le contact de l’utilisateur avec l’interface se fait par le biais d’un effecteur final. La structure de l’interface est du type série, parallèle ou spéciale. L’effecteur final comprend un préhenseur avec un seul point de contact ou un gant d’exosquelette pour l’utilisateur. Puisque la structure de ces interfaces est fixée sur une base, l’utilisateur pourra sentir une grande rigidité sans être trop gêné par le poids et l’inertie du système.
Caractéristiques des interfaces à retour d’effort
Les interfaces à retour d’effort sont caractérisées par des spécifications techniques de leurs performances qui renseignent sur leur capacité à simuler efficacement l’application souhaitée. Habituellement, ces spécifications sont présentées sous forme de tableaux.
Cette partie concerne la description des caractéristiques déterminantes pour développer une interface à échelle humaine [Gosselin 05].
TRANSPARENCE
Une interface à retour d’effort doit permettre une interaction naturelle avec les objets d’un monde virtuel. C’est-à-dire que, l’utilisateur est censé pouvoir interagir avec ces objets sans être gêné par la présence de l’interface. Il faut noter que cette contrainte de transparence est différente dans les trois cas suivants : la simulation d’un espace libre, l’interaction avec un objet rigide et l’interaction avec un objet flexible. En espace libre, la main de l’utilisateur ne doit pas ressentir le poids de l’interface ni aucune autre force résistante lors des ses mouvements. Ainsi l’interface doit être très légère et, si possible, son poids doit être transféré en partie sur une base fixe. Il faut minimiser l’inertie et les frottements de l’interface ou trouver un moyen pour les compenser. D’un autre côté, le contact avec les objets virtuels doit être simulé sur la main de l’utilisateur. Dans ce but, il faut sélectionner un modèle qui décrit bien les caractéristiques physiques de l’objet virtuel.
PRECISION ET RESOLUTION
Une autre caractéristique importante des interfaces est leur capacité à transmettre avec une bonne précision les coordonnées de la main (et éventuellement des doigts) de l’utilisateur. Aussi elle doit avoir une bonne résolution pour pouvoir détecter les petits mouvements de la main. Ces caractéristiques sont essentielles pour coupler l’interaction haptique avec l’interaction visuelle. Par conséquent, on distinguera, en ce qui concerne la résolution en position : la résolution motrice, qui est le plus petit déplacement que l’utilisateur peut réaliser, limité par ses vibrations, et la résolution sensorielle qui est le plus petit déplacement qu’il peut percevoir.
ESPACE DE TRAVAIL
L’espace de travail d’une interface spécifie la partie de l’environnement immersif où l’interface peut fournir un retour d’effort spécifique sur la main. Cet espace doit évidemment couvrir le volume où l’utilisateur souhaite manipuler les objets virtuels. Gosselin [Gosselin 05] a préconisé un espace de travail chiffré de l’ordre de :
– 5 à 10 cm de côté et ±20º à ±40º poignet posé ;
– 15 à 25 cm de côté et ±45º à ±75º coude posé ;
– 30 à 40 cm de côté et ±60º à ±80º assis ;
– 40 à 60 cm de côté et ±70º à ±90º debout.
Selon lui, ces chiffres correspondent à l’espace de travail dans lequel l’utilisateur peut travailler confortablement. Ces valeurs devront être respectées pendant la conception et la réalisation de l’interface. Il faut donc d’abord sélectionner un mécanisme convenable pour l’interface. Ensuite, il faut vérifier que toutes les contraintes mécaniques permettent d’obtenir les valeurs du volume de travail souhaité.
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Table des matières
Introduction
Abréviation
1 Les aspects de l’interaction haptique a échelle humaine
1.1 Introduction
1.2 Etat de l’art
1.2.1 Immersion et interaction 3D
1.2.1.1 Immersion visuelle dans un environnement à échelle humaine
1.2.1.2 Interaction haptique dans un environnement immersif
1.2.2 Interfaces à retour d’effort
1.2.2.1 Définition
1.2.2.2 Classification des interfaces
1.2.3 Caractéristiques des interfaces à retour d’effort
1.2.3.1 Transparence
1.2.3.2 Précision et résolution
1.2.3.3 Espace de travail
1.2.3.4 Limite d’effort
1.2.3.5 Bande passante
1.2.4 Les usages avec retour d’effort à échelle humaine
1.2.4.1 CAO
1.2.4.2 Usinage virtuel
1.2.4.3 Assemblage virtuel
1.2.5 Conclusion
1.3 Intégration d’une interface au sein d’un environnement à échelle humaine
1.3.1 Les solutions existantes
1.3.1.1 L’interface série à plate-forme mobile
1.3.1.2 L’interface à câbles
1.3.2 Synthèse des avantages et des inconvénients
1.3.3 Proposer une interface à échelle humaine
1.3.3.1 Une base à câbles
1.3.3.2 Un exosquelette pour les doigts
1.3.3.3 Caractéristiques à obtenir
1.4 Conclusion
2 Analyse d’une plate-forme à 8 câbles
2.1 Introduction
2.2 Aspects théoriques des plates-formes à câbles
2.2.1 Degré de liberté et degré de redondance
2.2.2 Le nombre minimum de câbles
2.2.3 Répartition des degrés de liberté sur l’interface
2.2.3.1 Les degrés classiques de liberté
2.2.3.2 Le degré de préhension
2.2.4 Détermination de l’espace de travail
2.2.5 Analyse de singularité
2.3 Modélisation de la plate-forme à retour d’effort
2.3.1 Positionnement de l’effecteur final
2.3.1.1 Modèle géométrique direct
2.3.1.2 Une méthode efficace pour l’interface à câbles
2.3.2 Distribution des tensions dans les câbles
2.3.2.1 Distribution des tensions en 6D
2.3.2.2 Effecteur final en forme d’un exosquelette
2.3.2.3 Distribution des tensions avec la préhension
2.4 Conclusion
3 Conception et validation mécatronique des blocs d’actionnement
3.1 Introduction
3.2 Conception mécanique
3.3 Choix des composants pour les blocs d’actionnement
3.3.1 Dispositifs de motorisation
3.3.2 Choix d’encodeur
3.3.3 Capteur de force
3.3.4 Câble
3.3.5 Composants électroniques
3.4 Conception de la structure mécanique du bloc d’actionnement
3.4.1 Poulie de sortie de moteur
3.4.2 Accessoire du capteur de force
3.4.3 Accessoire de l’encodeur optique
3.4.4 Transmission du câble à l’environnement
3.5 Mis en fonction des éléments de bloc d’actionnement
3.5.1 Evaluation de mesure de la longueur d’un câble
3.5.2 Evaluation de mesure de tension
3.5.3 Etalonnage de la commande des moteurs
3.5.4 Fonctionnement général des composants de l’interface
3.6 Contrôle hybride de système à 2 câbles
3.6.1 Sélection de méthode de contrôle
3.6.1.1 Généralités
3.6.1.2 Les recherches relatives
3.6.1.3 L’approche hybride
3.6.2 Principes de contrôle des interfaces à retour d’effort
3.6.2.1 Modèle dynamique
3.6.2.2 Problèmes de stabilité
3.6.3 Démarches de la simulation
3.6.3.1 La base et les imperfections du système
3.6.3.2 Simulation d’espace libre
3.7 Tests expérimentaux avec deux blocs d’actionnement
3.7.1 Description des tests
3.7.2 Identification et réglage du contrôleur
3.7.2.1 Les régulateurs
3.7.2.2 Amélioration de l’espace libre
3.7.2.3 Amélioration du contact sur un mur
3.7.3 Les résultats subjectifs : réactions des utilisateurs
3.7.3.1 Description des expériences
3.7.3.2 Les résultats
3.7.4 Résultats quantificatifs
3.8 Conclusion
Conclusion
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