Spécifications et applications des interfaces à retour d’effort : réalité virtuelle et assistance au geste et au mouvement

Les interfaces à retour d’effort ont été inventées dans l’industrie nucléaire pour manipuler, à faible distance et de manière sécurisée, des matières radioactives disposées dans des enceintes sécurisées blindées aux radiations. Elles étaient, dans un premier temps, intégrées à des télémanipulateurs mécaniques dans lesquels l’interface de commande (appelée « bras maître ») et le robot (appelé « bras esclave ») sont reliés par un ensemble de tringles, de bielles et de câbles. Ces moyens de transmissions permettent au robot de reproduire fidèlement les mouvements de l’opérateur, qui en retour ressent les efforts appliqués sur le robot. De tels dispositifs, qui sont toujours utilisés dans l’industrie nucléaire, sont très efficaces, mais pas toujours ergonomiques, puisque l’opérateur doit effectuer des mouvements similaires à ceux du bras esclave, parfois de grande amplitude et/ou nécessitant des efforts importants. Pour pallier cette difficulté, les bras maître et esclave ont été séparés et motorisés dès que les progrès techniques l’ont permis, et chacun de ces sous-systèmes a été optimisé de façon séparée, les bras maîtres pour autoriser une manipulation naturelle et ergonomique, les bras esclaves pour réaliser les tâches cibles. Ces évolutions ont permis à ces systèmes de trouver de très nombreuses applications en téléopération [S 7 742]. Ils sont aujourd’hui utilisés partout où l’être humain ne peut pas intervenir directement car le milieu est hostile ou inaccessible, et où des robots autonomes ne peuvent pas se substituer à lui car les tâches et les missions à réaliser sont trop complexes et/ou nécessitent un niveau de fiabilité et de sécurité que ces robots, dans l’état actuel de la technique, ne sont toujours pas capables d’atteindre.

Les interfaces maître de ces dispositifs sont aussi très utiles en réalité virtuelle où, pour interagir avec des environnements synthétiques générés par un ordinateur et dont il est physiquement exclu, l’être humain doit recourir à des avatars pilotés « à distance ». Dans ce contexte, les interfaces à retour d’effort, appelées ici interfaces haptiques, sont particulièrement intéressantes. Elles permettent de contrôler de façon très intuitive 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.

La fonction principale du retour d’effort est de faire ressentir à l’opérateur les efforts exercés sur un robot distant ou sur un avatar, mais il peut aussi servir à générer des efforts synthétiques destinés par exemple à l’empêcher d’atteindre...