Spécifications et applications des interfaces à retour d’effort : problématique générale et téléopération

Il existe des environnements dans lesquels l’être humain ne peut pas intervenir directement parce que le milieu est hostile, distant, ou inaccessible à son échelle. Pour travailler dans ces conditions, on doit utiliser des robots. Cependant, malgré les progrès continus de la technologie en mécatronique, en commande et en intelligence artificielle, leurs capacités ne sont toujours pas suffisantes pour mener à bien, de manière autonome et avec un niveau satisfaisant de fiabilité et de sécurité, des missions complexes laissant une large place à l’imprévu. C’est particulièrement vrai dans des environnements où les erreurs peuvent avoir des conséquences dramatiques (e.g. nucléaire, chirurgie) ou un impact financier majeur compte tenu des coûts et de l’importance stratégique des structures sur lesquelles les robots interviennent (e.g. spatial, off-shore profond). Dans ces conditions, on préfère garder l’homme dans la boucle, afin qu’il conserve, en pilotant ces robots à distance, le contrôle et le pouvoir de décision en dernier recours. On parle de téléopération. Dans la pratique, on peut utiliser des interfaces de commande relativement simples (par exemple des joysticks, des systèmes de capture de mouvement ou même des interfaces vocales) pour piloter de tels robots en position, par exemple pour déplacer une caméra, mais elles ne suffisent plus dès lors qu’il faut réguler les efforts d’interaction avec l’environnement. Dans ce cas, on doit utiliser des interfaces à retour d’effort appelées bras maîtres, les robots qu’ils permettent de piloter étant qualifiés d’esclaves.

On retrouve la même problématique en réalité virtuelle. Ainsi, pour interagir avec des environnements virtuels générés par un ordinateur et dont il est physiquement exclu, l’être humain doit recourir à des avatars pilotés « à distance », ce qui requiert l’usage de périphériques adaptés. Dans ce contexte, les interfaces à retour d’effort, appelées ici interfaces haptiques, sont particulièrement intéressantes. Elles permettent de contrôler les mouvements de certains objets de la scène virtuelle tout en ressentant, comme dans le monde réel, les efforts qui s’appliquent sur ces objets quand ils entrent en contact avec leur environnement. La sensation d’immersion est alors renforcée et les interactions sont plus naturelles et plus efficaces qu’avec des systèmes de capture de mouvement par exemple.

Dans les deux cas, le rôle principal du retour d’effort est de faire ressentir à l’opérateur, de la façon la plus réaliste possible, les efforts appliqués sur le robot esclave ou l’avatar, mais il peut aussi être utilisé pour générer des efforts synthétiques destinés par exemple à l’empêcher d’atteindre des zones sensibles à protéger, ou encore à accompagner ses mouvements en le guidant le long d’une trajectoire de référence ou en l’aidant à porter une charge lourde. Tout naturellement, ces fonctions d’assistance ont suscité un vif intérêt qui va bien au-delà des applications de téléopération et de réalité virtuelle, et les interfaces à retour d’effort trouvent aussi des applications dans le domaine de l’assistance au geste ou au mouvement, que ce soit au travail ou à domicile.

La variété des situations rencontrées a conduit au développement d’interfaces à retour d’effort très variées, utilisées dans de nombreux domaines applicatifs. Dans cet article, nous commencerons par rappeler brièvement les critères qu’elles doivent respecter pour qu'un opérateur puisse les utiliser pour contrôler les mouvements d’un robot ou d’un avatar de façon naturelle, efficace et intuitive. Nous dresserons ensuite un panorama de leurs applications en téléopération, les autres usages étant couverts par l'article [S 7 743].