Panos Stergiopoulos
Conception et développement d’une interface à retour d’effort sur les doigts
Application à la simulation des interactions manuelles en réalité virtuelle
Résumé
La réalité virtuelle est fondée sur l’interaction avec un monde virtuel à travers des interfaces comportementales. Les interfaces à retour d’effort en particulier permettent d’interagir avec un monde virtuel en exploitant la proprioception humaine. On peut ainsi percevoir (principalement avec les mains) les caractéristiques des objets virtuels et agir sur eux en percevant des efforts d’interaction. Les simulations à retour d’effort trouvent plusieurs applications, une des principales étant le prototypage virtuel des produits. Mais certains aspects d’un produit sont difficiles à valider en simulation, comme les caractéristiques ergonomiques d’un nouveau véhicule : par exemple, pour la validation de boutons de commande d’une planche de bord, le testeur doit pouvoir sentir les efforts sur ses doigts d’une façon réaliste lors des manipulations. L’exploitation d’une interface à retour d’effort sur les doigts est donc indispensable.
Les interfaces actuelles étant peu adaptées à cette tâche, nous avons conçu et réalisé dans le cadre de cette thèse un nouveau type d’interface, appliquant des efforts bidirectionnels sur plusieurs doigts de la main. La conception de cette interface permet d’obtenir plusieurs avantages dans les applications de réalité virtuelle avec retour d’effort : la minimisation de la structure et de la masse du mécanisme; la bidirectionnalité des retours d’effort (flexion et extension de chaque doigt contrôlé) ; l’adaptation du mécanisme pour chaque utilisateur afin de conserver une performance optimale. Ces caractéristiques ont été obtenues grâce à la minimisation du nombre des actionneurs utilisés, à l’intégration des capteurs de position sur le mécanisme et au réglage des dimensions du mécanisme pour l’adaptation à la morphologie de la main de chaque utilisateur.
Pour l’exploitation de ce nouveau type d’interface, nous avons conçu et développé des algorithmes de simulation de contacts entre la main et les objets virtuels rigides. Ces algorithmes font une approximation de la main soit par un ensemble des points soit par des primitives géométriques simples (sphères et cylindres). On exploite des méthodes existantes d’accélération de la détection de collision, comme les structures hiérarchiques de volumes englobants. On détecte ensuite les collisions avec précision pour les paires de primitives en contact (point/triangle, sphère/triangle, cylindre/triangle) et le calcul des forces est basé sur la (faible) pénétration de la main dans un objet. Les algorithmes calculent en temps réel des forces stables sur la main de l'utilisateur, même pour plusieurs zones de contact.
Une première version de l’interface employant le pouce et l’index a été réalisée par le Centre de Robotique de l’Ecole des Mines de Paris. L’interface a été utilisée et évaluée avec le CEA LIST. Les résultats des tests ont montré un niveau satisfaisant de perception des forces et des formes par l’utilisateur. Cette interface a été également couplée au bras à retour d’effort Virtuose 6D de Haption pour des simulations de réalité virtuelle, permettant une meilleure perception des efforts sur les doigts et sur la main.
Mots clefs :
Réalité virtuelle, interface à retour d’effort, exosquelette.