Soutenance mémoire
Caractéristiques du mouvement des mains et doigts
Une interface haptique manuelle doit avoir des capacités et une dynamique compatibles avec le mouvement des mains et doigts d’un opérateur, pour lui permettre d’interagir naturellement avec un environnement virtuel . La littérature sur ce sujet est abondante dans les domaines de la robotique et de la psychologie (BROOKS 1990 ; GOSSELIN 2000, 2012 ; JAKOBSON et GOODALE 1991 ; JONES 1997 ; JONES et LEDERMAN 2006 ; KUNESCH, BINKOFSKI et FREUND 1989 ; NAGASAKI 1989 ; SAMUR 2012 ; SHIMOGA 1993a,b). Elle est cependant moins documentée pour les vitesses et accélérations des membres les uns par rapport aux autres. Nous avons donc également analysé la littérature s’intéressant à l’étude des gestes sportifs et techniques pour en extraire d’abord les vitesses et accélérations moyennes et maximales de la main par rapport au sol, puis des doigts par rapport à la main, dans un cas le plus général possible (BAKER et al. 2007 ; COLE et ABBS 1986 ; DUN et al. 2007 ; ELGENDI, PICON et MAGNENAT-THALMANN 2012 ; FLEISIG et al. 1999 ; FURUYA, FLANDERS et SOECHTING 2011 ; GRINYAGIN, BIRYUKOVA et MAIER 2005 ; HIRASHIMA et al. 2008 ; JAKOBSON et GOODALE 1991 ; NAGASAKI 1989 ; NETO et al. 2012 ; SANCHO BRU et al. 2001 ; SOMMERICH, MARRAS et PARNIANPOUR 1996 ; WELCH et al. 1995 ; ZAREMSKI et KRABAK 2012).
État de l’art des interfaces haptiques manuelles dextres
La plupart des interfaces haptiques permettent une interaction avec une simulation par l’intermédiaire d’une poignée (GRANGE et al. 2001 ; MARTIN et HILLIER 2009; MASSIE et SALISBURY 1994 ; VAN DER LINDE et al. 2002). Celle-ci n’a lieu qu’à travers un unique corps mobile. Cette caractéristique permet un usage assez général (SAMUR 2012). Cependant, elles ne permettent une manipulation naturelle, c’est-à-dire conforme aux mouvements que l’utilisateur effectuerait dans la réalité pour exécuter la même tâche, qu’à travers un outil. L’expérience utilisateur n’est plus immersive (SHERIDAN 1992) lorsque l’on souhaite manipuler librement tout type d’objet, ce qui est habituellement effectué avec les mains (GOSSELIN et al. 2005). Au contraire, les interfaces manuelles dextres permettent une interaction naturelle avec la main et les doigts.
Nous présentons ci-dessous un état de l’art des interfaces haptiques dextres. Plusieurs classifications sont possibles :
– (FOUMASHI, TRONCOSSI et PARENTI CASTELLI 2011) proposent une classification des interfaces dextres à partir de leur application : exosquelettes pour la rééducation, systèmes d’assistance au geste et interfaces pour l’interaction en environnement virtuel et téléopération ;
– (FONTANA et al. 2009) proposent une classification des interfaces de type exosquelette en fonction du nombre de phalanges sur lesquelles un retour d’effort est proposé, et sur leur similarité morphologique avec la cinématique des doigts ;
– (GOSSELIN 2012) propose plusieurs classifications possibles des interfaces manuelles :
– en fonction de leur point d’attache, sur une base (fixe ou mobile) ou directement portée par l’utilisateur ;
– en fonction du retour d’effort qu’elles permettent, sur plusieurs phalanges ou uniquement la phalange distale (également proposé par (SUN, MIAO et LI 2009)) ;
– en fonction du nombre de doigts considérés dans la conception ;
– en fonction de leur cinématique, couplée ou non ;
– en fonction du nombre de degrés de liberté contrôlés par doigt ;
– selon que les actionneurs sont à proximité ou déportés ;
– selon que le retour d’effort est seulement kinesthésique, ou kinesthésique et tactile.
Nous nous intéressons ici uniquement aux interfaces conçues pour la manipulation d’objets virtuels mais nous prenons aussi en compte dans cet état de l’art les interfaces pour la téléopération qui sont technologiquement très semblables. Nous distinguons les interfaces permettant un retour d’effort sur l’ensemble des phalanges des interfaces uniquement liées mécaniquement aux phalanges distales, puis nous les classifions en fonction du nombre de doigts pris en compte.
Exosquelettes haptiques
Le développement des exosquelettes haptiques a débuté avec celui des interfaces dextres de télémanipulation. Ces dernières ont été imaginées pour commander des mains robotiques de manière plus naturelle (BURDEA et SPEETER 1989 ; BURDEA et ZHUANG 1991 ; TURKI et COIFFET 1995). Dans le contexte de la manipulation fine, elles doivent être les plus transparentes possible. Cela représente un défi technologique (GOSSELIN 2012 ; KOYAMA et al. 2002). Le poids, l’encombrement et l’espace de travail sont également des facteurs critiques pour la conception de tels dispositifs, afin que l’utilisateur puisse faire abstraction du robot pour se concentrer sur la tâche à effectuer.
– L’étude A de l’université de Delft en vue de la conception d’un exosquelette à cinq doigts se présente comme un robot à trois modules fixés séparément sur les phalanges, qui glissent les uns par rapport aux autres (LELIEVELD, MAENO et TOMIYAMA 2006). Un moteur par module contrôle la tension du câble qui lui est attaché. Le retour d’effort est donc bidirectionnel sur chaque phalange, dans la direction normale à son attache, de manière couplée. Il est géré par le câble en flexion, et par des ressorts de rappel aux raideurs suffisantes en extension. L’utilisation d’un étage de réduction permet une résolution articulaire de 0,02◦ au niveau de chaque liaison. La cinématique de l’interface la rend sensible aux frottements (force de friction : jusqu’à 3,87 N). Les actionneurs sont déportés à proximité de la main.
– L’étude B de l’université de Delft en vue de la conception d’un exosquelette à cinq doigts se présente comme un robot à trois modules fixés séparément sur les phalanges, qui glissent les uns par rapport aux autres (LELIEVELD, MAENO et TOMIYAMA 2006) . Un moteur par module est relié à un câble contrôlant un système de freinage passif. Il permet d’appliquer un effort jusqu’à 2 N sur chaque phalange de l’utilisateur. Grâce à l’utilisation d’un étage de réduction, la résolution articulaire est de 0,12◦ au niveau de chaque liaison. Cet exosquelette pèse 60 g. Les actionneurs sont déportés à proximité de la main.
– L’exosquelette SKK Hand master II est un exosquelette haptique à deux doigts (pouce-index) (CHOI et CHOI 1999). La structure adaptée à l’index comporte quatre degrés de liberté, tandis que celle pour le pouce en a trois. Chaque liaison est pilotée par un moteur ultrasonique placé directement au niveau de celle-ci. Cela permet un encombrement réduit, une structure mécanique simple et un retour d’effort bidirectionnel, pour un poids contenu.
– L’exosquelette SARCOS est un bras maître pouvant appliquer des efforts à la fois sur le pouce, l’index et le bras d’un utilisateur. Il est basé sur une architecture série et doit être fixé sur une base. Son poids important est compensé par ses actionneurs hydrauliques ; cependant, il reste encombrant.
– L’exosquelette de l’université de Keio est un exosquelette à trois doigts (pouce index-majeur) (KOYAMA et al. 2002). Il est composé de trois robots indépendants à trois degrés de liberté, dont deux sont équipés de systèmes pour le retour d’effort basés sur des éléments élastiques passifs . Il permet de ressentir des raideurs jusqu’à au moins 200 N/m.
– L’exosquelette Sensor Glove 2.1 est un exosquelette à cinq doigts et vingt degrés de liberté (NISHINO, KUNII et HASHIMONO 1997). Il est basé sur une architecture sérielle pour chaque doigt et capte l’effort appliqué par l’utilisateur sur l’interface au moyen de jauges de contrainte placées sur sa structure. Bien que sa structure permette un espace de travail similaire à celui de la main, la quantité d’éléments mécaniques et moteurs placés sur le dos de la main le rend encombrant. L’effort maximal pouvant être appliqué aux doigts est de 1,5 N.
– L’exosquelette du LRP est un exosquelette à cinq doigts permettant d’appliquer un effort bidirectionnel dans la direction normale au dessus de chaque phalange. Il comporte quatorze degrés de liberté (deux pour le pouce et trois par doigt). Il est composé de trois paires de mécanismes parallèles reliant les phalanges au dos de la main, actionnés par un réseau de tendons. Les moteurs sont déportés à proximité de la main.
– Le gant Cybergrasp (AIPLE et SCHIELE 2013) est une interface haptique liée aux cinq doigts de la main . Ce semi-exosquelette offre un retour d’effort couplé sur les phalanges médiane et distale de chaque doigt. Du fait d’une transmission des efforts par câbles simples, le retour d’effort n’est disponible que selon la normale à la zone de contact. Comme la liaison mécanique aux doigts de l’utilisateur est assurée par un gant, ceux-ci peuvent évoluer librement dans la totalité de leur espace atteignable. Sa capacité en effort avoisine 12 N et sa raideur peut atteindre 50000 N/m sous certaines conditions.
– L’exosquelette ExoHand de FESTO (FESTO 2014) est un exosquelette à cinq doigts. Il permet un retour d’effort bidirectionnel selon un degré de liberté par doigt, couplé sur l’ensemble des phalanges . Il est actionné par des vérins pneumatiques.
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Table des matières
1 Introduction générale
2 État de l’art et contributions
2.1 Introduction
2.2 Contexte
2.3 Caractéristiques du mouvement des mains et doigts
2.4 État de l’art des interfaces haptiques manuelles dextres
2.4.1 Exosquelettes haptiques
2.4.2 Interfaces dextres permettant un retour haptique sur les phalanges distales uniquement
2.4.3 Bilan de la revue des interfaces manuelles dextres
2.5 Le contact intermittent
2.5.1 Interfaces Encountered-type
2.5.2 Interfaces Encounter-type
2.5.3 Bilan de la revue des interfaces à contacts intermittents
2.6 Problématique et contributions de la thèse
3 Conception d’un effecteur de robot pour le contact intermittent
3.1 Introduction
3.2 Dimensionnement de l’anneau
3.2.1 Modélisation de la cible
3.2.2 Modèle de l’interface
3.2.3 Simulation du suivi d’un doigt
3.3 Conception de l’effecteur
3.3.1 Sélection d’une technologie pour la mesure de distance entre le doigt et l’anneau
3.3.2 Conception mécanique
3.3.3 Conception de l’électronique et des communications
3.4 Caractérisation expérimentale
3.4.1 Modélisation du fonctionnement d’un capteur
3.4.2 Réflectance de la cible
3.5 Calibration et validation de l’anneau
3.5.1 Calibration de l’anneau
3.5.2 Validation de l’instrumentation
3.5.3 Bilan et performances de l’anneau
3.6 Utilisation de l’effecteur pour le contact intermittent
3.6.1 Modélisation du contour d’un doigt
3.6.2 Filtrage dynamique
3.6.3 Communication avec le contrôleur
3.6.4 Influence du nombre de capteurs sur l’estimation de la géométrie du doigt
3.6.5 Transposition des résultats à trois dimensions
3.7 Conclusion et perspectives
4 Commande d’un dispositif à contacts intermittents
4.1 Introduction
4.2 Infrastructure expérimentale
4.2.1 Description du robot et estimation de la position du doigt
4.2.2 Tâche de réalité virtuelle
4.3 Analyse des principaux modes de fonctionnement
4.3.1 Suivi de position en espace libre
4.3.2 Restitution d’effort au contact
4.4 Gestion de la transition entre espace libre et contact
4.4.1 État de l’art : transition par bascule simple
4.4.2 Loi de commande sans bascule
4.4.3 Loi de commande avec transition continue
4.4.4 Conclusion
4.5 Tests utilisateurs
4.5.1 Protocole
4.5.2 Résultats et discussion
4.5.3 Conclusion
4.6 Conclusion
5 Conclusion générale
