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Article

1 - INTERFACES À RETOUR D’EFFORT POUR LA TÉLÉOPÉRATION ET LA RÉALITÉ VIRTUELLE

2 - CONCEPTION ET OPTIMISATION DES INTERFACES À RETOUR D’EFFORT

3 - CONCLUSION

4 - GLOSSAIRE

5 - SIGLES

Article de référence | Réf : S7739 v1

Interfaces à retour d’effort pour la téléopération et la réalité virtuelle
Conception et optimisation des interfaces à retour d’effort

Auteur(s) : Florian GOSSELIN

Date de publication : 10 mars 2021

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RÉSUMÉ

Les interfaces à retour d’effort sont des périphériques permettant de commander un robot à distance ou un avatar dans un environnement virtuel en ressentant les forces et les moments auxquels ils sont soumis. Pour que l’immersion de l’utilisateur soit naturelle et qu’il puisse commander ces dispositifs de façon efficace et intuitive, il faut que ces interfaces respectent un certain nombre de critères. Ces spécifications sont différentes de celles des robots industriels, de même que les technologies mises en œuvre pour y répondre. Dans cet article, nous présentons tous ces éléments, puis nous introduisons des outils de modélisation et de dimensionnement robotiques permettant de concevoir des interfaces répondant à ce cahier des charges. Leur application est illustrée sur deux exemples.

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ABSTRACT

Design and optimization of force feedback interfaces

Force feedback interfaces are input devices used to control robots in a remote environment or avatars in a virtual reality simulation with the vivid feeling of the forces and torques applied on them. For a natural immersion and an efficient and intuitive control, these devices must respect specific criteria. Their specifications differ from those of industrial robots, and they make use of different technological solutions. All these aspects are presented in this article. Then we introduce modeling and dimensioning methods allowing to design interfaces meeting these requirements. Two examples are given as an illustration.

Auteur(s)

  • Florian GOSSELIN : Responsable scientifique - Département Intelligence Ambiante et Systèmes Interactifs - Université Paris-Saclay, CEA, List, F-91120, Palaiseau, France

INTRODUCTION

Il existe de nombreux domaines dans lesquels l’humain ne peut pas intervenir directement parce que l’environnement est hostile ou inaccessible à son échelle. Pour intervenir dans de tels environnements, on doit utiliser des robots avantageusement pilotés à distance. La solution la plus efficace pour les commander est d’utiliser des bras maîtres à retour d’effort.

Des dispositifs similaires sont utilisés pour interagir avec des environnements simulés en réalité virtuelle. La maquette numérique, qui remplace de plus en plus les prototypes physiques lors de la conception de nouveaux produits et systèmes, permet de simuler le montage d’un système complexe, de détecter et de corriger les erreurs très en amont du cycle de conception, ou encore de concevoir une véritable usine virtuelle visant à optimiser l’ergonomie et la productivité des postes de travail. Son utilisation efficace requiert cependant des méthodes et des périphériques adaptés. Dans ce contexte, les interfaces à retour d’effort sont particulièrement intéressantes. Elles peuvent être utilisées pour contrôler les mouvements de certains objets de la scène virtuelle et permettent à l’utilisateur de ressentir les efforts qui s’appliquent sur ces objets quand ils entrent en collision avec leur environnement, comme dans le monde réel. On parlera ici d’« interfaces haptiques » plutôt que de bras maîtres.

Dans les deux cas, on a affaire à des structures mécaniques polyarticulées plus ou moins complexes munies de capteurs et d’actionneurs, c’est-à-dire à de véritables robots. Les interfaces à retour d’effort sont cependant très différentes des robots industriels, qui sont en général commandés en position pour suivre des trajectoires de façon répétitive indépendamment des perturbations extérieures, dans un environnement contrôlé dont l’humain est exclu. Au contraire, les interfaces à retour d’effort sont manipulées par un utilisateur, et doivent donc présenter un haut niveau de sûreté et de sécurité. Elles doivent également avoir une grande sensibilité en effort et une grande dynamique pour être capables de suivre tous les gestes de l’opérateur et de restituer le moindre effort appliqué sur le robot distant ou l’avatar de l’utilisateur en réalité virtuelle, que ces interfaces soient munies d’une simple poignée ou qu’elles aient une architecture plus complexe, comme sur les exosquelettes de bras ou de main.

Ces contraintes de performance et de sécurité requièrent le respect d’un certain nombre de critères et la mise en œuvre de solutions technologiques adaptées. Cet article présente ces critères et leurs valeurs usuelles, puis il introduit des outils de modélisation et de dimensionnement robotiques permettant de concevoir des interfaces répondant à ces besoins. Leur application sera illustrée par plusieurs exemples.

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KEYWORDS

virtual reality   |   Robotics   |   design   |   optimization   |   teleoperation   |   Force feedback   |   Dimensioning

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-s7739


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1. Interfaces à retour d’effort pour la téléopération et la réalité virtuelle

1.1 Téléopération à retour d’effort

L’être humain ne peut pas intervenir directement dans des milieux hostiles (industrie nucléaire, espace, off-shore profond, etc.). L’usage d’équipements de protection dédiés (e.g. scaphandres) peut être une solution partielle, mais elle ne résout pas tous les problèmes. Pour réaliser certaines interventions, on doit utiliser des robots. C’est également le cas quand l’humain souhaite réaliser des tâches dans des environnements inaccessibles à son échelle (chirurgie mini-invasive, microchirurgie, manipulation de micro et de nano-objets, etc.). Or, ces robots n’ont pas, à l’heure actuelle et malgré les progrès récents de l’intelligence artificielle, les capacités suffisantes pour s’adapter de façon autonome à la diversité des situations rencontrées et à la variété des tâches à réaliser. Il est donc nécessaire de disposer de solutions permettant de les piloter à distance de façon interactive, en laissant l’humain dans la boucle. La solution la plus efficace pour cela est d’utiliser des bras maîtres à retour d’effort. Ces périphériques sont en général équipés d’une poignée dont les mouvements sont utilisés pour commander la position et l’orientation du préhenseur du robot esclave. Ils sont également pourvus de moteurs utilisés pour reproduire sur la poignée du bras maître les efforts appliqués sur le robot esclave. On parle de téléopération à retour d’effort.

Comme le montre la figure 1, un tel système, qui permet d’associer les capacités d’analyse, de décision et d’adaptation de l’opérateur, et les capacités de projection dans l’environnement distant et de travail du robot, est constitué dans sa configuration la plus simple d’un bras maître équipé d’un organe de saisie (qui prend généralement la forme d’une poignée ou d’un stylo) et d’un robot esclave muni d’un préhenseur. Des capteurs de position disposés au niveau des moteurs et/ou des articulations sont utilisés pour mesurer leur position et leur orientation dans l’espace. Les deux robots sont le plus souvent commandés pour que le bras esclave reproduise les mouvements du bras maître, et vice-versa. On parle de couplage bilatéral en position.

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - JOLY (L.) -   Commande hybride position/force pour la téléopération : une approche basée sur des analogies mécaniques,  -  Thèse de doctorat de l’université Paris 6, Paris, France (octobre 1997).

  • (2) - ALIAGA (I.), RUBIO (A.), SANCHEZ (E.) -   Experimental quantitative comparison of different control architectures for master-slave teleoperation,  -  IEEE Trans. on Control Systems Technology, Volume 12, issue 1, pp. 2-11 (janvier 2004).

  • (3) - VERTUT (J.), COIFFET (P.) -   Les robots-Tome 3A : téléopération, évolution des technologies,  -  Hermes Publishing, Paris, France (1984).

  • (4) - KÖHLER (G.W.) -   Typenbuch der Manipulatoren – Manipulator type book,  -  Thiemig Taschenbücher – Verlag Karl Thiemig, München, Germany (1981).

  • (5) - SCHENKER (P.) -   NASA research and development for space telerobotics,  -  IEEE Trans. on Aerospace and Electronic Systems, Volume 24, Issue 5, pp. 523-534 (septembre 1998).

  • ...

NORMES

  • Postures et dimensions pour l’homme au travail sur machines et appareils [annulée le20 mai 2003] - NF X35-104 - Avril 1983

  • Modèles anthropométriques de la population masculine et feminine [annulée le 5 juillet 2019] - X35-002 - Juillet 1982

1 Sites Internet

Haption

https://www.haption.com/fr/products-fr.html

(page de presentation des interfaces à retour d’effort, consultée en octobre 2020)

CyberGlove Systems, CyberGrasp

http://www.cyberglovesystems.com/cybergrasp

(consulté en août 2020)

CyberGlove Systems, CyberForce

http://www.cyberglovesystems.com/cyberforce

(consulté en août 2020)

Dexta Robotics

https://www.dextarobotics.com/en-us/#specifications

(consulté en août 2020)

HaptX

https://haptx.com/

(consulté en août 2020)

Senseglove

https://www.senseglove.com/

(consulté en août 2020)

KineteK Wearable Robotics

http://www.wearable-robotics.com/kinetek/products/alex/features/

(consulté en août 2020)

HAUT DE PAGE

2 Annuaire

University of Tsukuba, VR Lab

http://eva.vrlab.esys.tsukuba.ac.jp/

(consulté...

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