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1 - INTERFACES À RETOUR TACTILE

2 - INTERFACES À RETOUR D’EFFORT

3 - INTERFACES À SIMULATION DE MOUVEMENT

Article de référence | Réf : TE5904 v1

Interfaces à simulation de mouvement
Interfaces à action mécanique

Auteur(s) : Philippe FUCHS

Date de publication : 10 août 2007

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RÉSUMÉ

Pour avoir l’illusion d’être immergé dans un monde virtuel, il est nécessaire que celui-ci soit perçu par le sujet et que ce dernier puisse agir sur ce monde. Si on désire immerger physiquement le corps du sujet, il faut donc être capable au minimum de détecter les mouvements du corps. Mais alors, la personne ne ressent rien en retour et perçoit un monde virtuel impalpable. Pour que l’utilisateur ait des sensations mécaniques en retour de ses actions, il faut exploiter au moins une des catégories des interfaces à action mécanique : les interfaces à retour tactile, les interfaces à simulation de mouvement ou les interfaces à retour d’effort.

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ABSTRACT

In order to have the illusion of being immersed in a virtual world it is necessary that the subject is able perceive the world and to act on it. Should we wish to physically immerse the body of the subject, we must at least be able to detect the body movements. Yet however the person feels nothing in return and is met with an intangible virtual world. In order that the user has mechanical sensations in return for his actions he must use at least one category of mechanical action interface: tactile feedback interfaces, movement simulation interfaces or force feedback interfaces.

Auteur(s)

  • Philippe FUCHS : Professeur de l’École des mines de Paris - Équipe Réalité Virtuelle et Réalité Augmentée, Centre de Robotique

INTRODUCTION

Dans la plupart des tissus du corps humain (les muscles, la peau, les articulations, les tendons, etc.) et dans les oreilles internes, il y a des récepteurs sensoriels pouvant être activés mécaniquement. Leurs stimuli sensoriels sont séparés en trois parties :

  • la sensibilité cutanée ;

  • la proprioception musculaire, due aux récepteurs sensoriels dans les muscles et les tendons ;

  • la kinesthésie, sensibilité à la position et aux mouvements du corps dans l’espace, due aux récepteurs vestibulaires, dans les deux oreilles internes, qui sont sensibles à la pesanteur et aux accélérations que subit le corps.

La proprioception peut être divisée en trois domaines « physiques », dont découlent en pratique différentes interfaces pour la réalité virtuelle. Ce sont : la sensibilité à la position dans l’espace, la sensibilité au mouvement du corps et la sensibilité aux forces exercées sur les muscles. Aux deux premiers domaines (sens kinesthésique) correspondent les interfaces à simulation de mouvement, qui ont pour objectif de modifier l’orientation du corps dans l’espace et de lui faire subir des accélérations. Au dernier domaine correspond les interfaces à retour d’effort qui ont pour objectif d’appliquer des forces contrôlables sur le corps. Pour la sensibilité cutanée, les interfaces employées pour stimuler la peau sont appelées les interfaces à retour tactile. Ces trois types d’interfaces sont présentés dans la suite de ce dossier.

Pour avoir l’illusion d’être immergé dans un monde virtuel, il est nécessaire que celui-ci soit perçu par le sujet et que ce dernier puisse agir sur ce monde. Si on désire immerger physiquement le corps du sujet, totalement ou partiellement, il faut donc être capable au minimum de détecter les mouvements du corps, grâce aux interfaces spécifiques de localisation corporelle (cf. Interfaces de localisation et de commande). Mais avec ces seules interfaces, la personne ne ressent rien en retour et perçoit un monde virtuel impalpable. Pour que l’utilisateur ait des sensations mécaniques en retour de ses actions, il faut exploiter au moins une des catégories des interfaces à action mécanique : les interfaces à retour tactile, les interfaces à simulation de mouvement ou les interfaces à retour d’effort. Les interfaces à sensibilité cutanée et à simulation de mouvement sont des interfaces sensorielles : elles ne transmettent des stimuli que de l’ordinateur vers l’utilisateur. Par contre, les interfaces à retour d’effort ont pour objectif d’appliquer des forces sur le corps mais aussi, toujours en pratique, elles mesurent la position de la partie du corps sur laquelle elles agissent. Cela principalement pour deux raisons :

  • parce que les retours d’effort ne sont en général que la conséquence de l’action (du mouvement) de la main de l’utilisateur. Il faut donc fondamentalement connaître cette action, d’où les mesures de position, faites sur la même interface ;

  • parce que les efforts à appliquer sont fonction, entre autres, de la position de la main, qu’il faut donc connaître.

Les interfaces à retour d’effort sont donc des interfaces sensori-motrices : elles transmettent des stimuli vers l’utilisateur et celui-ci envoie des ordres moteurs vers l’ordinateur. Au niveau du vocabulaire employé, le terme « retour » est utilisé pour les interfaces tactiles et d’effort car elles ont été développées en premier pour la téléopération. Dans ce domaine, les stimuli tactiles et d’effort sont créés par l’ordinateur en retour à une action motrice de l’opérateur qui est au centre du système, d’où le terme « retour ». Cette vision anthropocentrique est aussi à prendre en compte en réalité virtuelle pour obtenir des applications performantes (cf. Réalité virtuelle- Concepts et outils).

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-te5904


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3. Interfaces à simulation de mouvement

3.1 Présentation

Les interfaces à simulation de mouvement ont pour objectif de modifier l’orientation du corps dans l’espace et de lui faire subir des accélérations.

Mais nous devons remarquer que, même si les interfaces à retour d’effort sont exploitées pour imposer des efforts contrôlables sur le corps de l’utilisateur, les interfaces de simulation de mouvement imposent aussi des efforts et des sensations tactiles, mais incontrôlables directement. Techniquement, le déplacement du corps d’une personne, ou de plusieurs, dans les cabines de simulation est théoriquement sans problème technique insurmontable. Il suffit de s’en donner les moyens. Mais en pratique, cela impose des mécanismes très puissants et par conséquent à prix très élevés. C’est donc bien à la base un problème mécanique à résoudre pour tout concepteur de ce type d’interface. Le poids des personnes étant ce qu’il est, nous ne pouvons pas espérer avoir des interfaces de simulation de mouvement à prix très modiques. il faut toujours fournir une énergie relativement importante, imposant des dispositifs techniques conséquents. Vu les investissements qu’elles demandent, ces interfaces ne sont donc fabriquées et commercialisées que pour des applications professionnelles ou pour des salles de jeux et de spectacles. Si elles pouvaient être peu onéreuses, il est bien évident que le marché des jeux vidéo les aurait exploitées. Dans la suite, nous présentons les interfaces à simulation de mouvement commercialisées que nous pouvons classer en deux grands domaines, qui ne sont pas strictement disjoints :

  • les sièges et autres dispositifs mono-utilisateur de simulation, qui changent l’orientation du corps de la personne et qui, parfois, appliquent des accélérations alternatives et limitées en intensité ;

  • les cabines de simulation, multi-utilisateurs en général, modifient l’orientation du corps des personnes et lui imposent de fortes accélérations. Dans ces cabines, le dispositif d’affichage du monde virtuel est inclus dans la cabine fermée.

La vision du monde virtuel est donc liée au mouvement de la cabine, ce qui n’est pas le cas avec les sièges de simulation, sauf quelques cas particuliers. Dans les interfaces mono-utilisateur, la personne n’est pas forcément assise, elle peut être couchée ou debout. Nous verrons aussi que...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - FUCHS (P.), MOREAU (G.), 72 autres auteurs -   Le traité de la réalité virtuelle.  -  Troisième édition, 4 volumes : L’Homme et l’environnement virtuel 410 pages, Interfaçage, immersion et interaction en environnement virtuel 552 pages, Les outils et les modèles informatiques des environnements virtuels  454 pages et Les applications de la réalité virtuelle . Les Presses de l’École des Mines de Paris, 324 pages, ISBN 2-911762-62-2, 63-0, 64-9 et 65-7, http://caor.ensmp.fr/interlivre, fév. 2006.

  • (2) - BENALI KHOUDJA (M.), HAFEZ (M.), ALEXANDRE (J.M.), KHEDDAR (A.), MOREAU (V.) -   VITAL : A New Low-Cost Vibro-TActiLe Display System.  -  Proc. ICRA, International Conference on Robotics and Automation, IEEE Conference, Louisiana USA, April 26-May 1, pp. 721-726 (2004).

  • (3) - HAYWARD (V.) -   Survey of Haptic Interface Research at McGill University.  -  Proc. Workshop in Interactive Multimodal Telepresence Systems, TUM, Munich Germany, March 20-29, pp. 91-98 (2001).

  • (4) - STERGIOPOULOS (P.) -   Les applications de retour d’effort pour les études d’ergonomie de l’industrie automobile.  -  Rapport interne CAOR / École des Mines de Paris, Paris, sept. 2001.

  • ...

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