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RÉSUMÉ
Pour avoir l’illusion d’être immergé dans un monde virtuel, il est nécessaire que celui-ci soit perçu par le sujet et que ce dernier puisse agir sur ce monde. Si on désire immerger physiquement le corps du sujet, il faut donc être capable au minimum de détecter les mouvements du corps. Mais alors, la personne ne ressent rien en retour et perçoit un monde virtuel impalpable. Pour que l’utilisateur ait des sensations mécaniques en retour de ses actions, il faut exploiter au moins une des catégories des interfaces à action mécanique : les interfaces à retour tactile, les interfaces à simulation de mouvement ou les interfaces à retour d’effort.
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In order to have the illusion of being immersed in a virtual world it is necessary that the subject is able perceive the world and to act on it. Should we wish to physically immerse the body of the subject, we must at least be able to detect the body movements. Yet however the person feels nothing in return and is met with an intangible virtual world. In order that the user has mechanical sensations in return for his actions he must use at least one category of mechanical action interface: tactile feedback interfaces, movement simulation interfaces or force feedback interfaces.
Auteur(s)
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Philippe FUCHS : Professeur de l’École des mines de Paris - Équipe Réalité Virtuelle et Réalité Augmentée, Centre de Robotique
INTRODUCTION
Dans la plupart des tissus du corps humain (les muscles, la peau, les articulations, les tendons, etc.) et dans les oreilles internes, il y a des récepteurs sensoriels pouvant être activés mécaniquement. Leurs stimuli sensoriels sont séparés en trois parties :
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la sensibilité cutanée ;
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la proprioception musculaire, due aux récepteurs sensoriels dans les muscles et les tendons ;
-
la kinesthésie, sensibilité à la position et aux mouvements du corps dans l’espace, due aux récepteurs vestibulaires, dans les deux oreilles internes, qui sont sensibles à la pesanteur et aux accélérations que subit le corps.
La proprioception peut être divisée en trois domaines « physiques », dont découlent en pratique différentes interfaces pour la réalité virtuelle. Ce sont : la sensibilité à la position dans l’espace, la sensibilité au mouvement du corps et la sensibilité aux forces exercées sur les muscles. Aux deux premiers domaines (sens kinesthésique) correspondent les interfaces à simulation de mouvement, qui ont pour objectif de modifier l’orientation du corps dans l’espace et de lui faire subir des accélérations. Au dernier domaine correspond les interfaces à retour d’effort qui ont pour objectif d’appliquer des forces contrôlables sur le corps. Pour la sensibilité cutanée, les interfaces employées pour stimuler la peau sont appelées les interfaces à retour tactile. Ces trois types d’interfaces sont présentés dans la suite de ce dossier.
Pour avoir l’illusion d’être immergé dans un monde virtuel, il est nécessaire que celui-ci soit perçu par le sujet et que ce dernier puisse agir sur ce monde. Si on désire immerger physiquement le corps du sujet, totalement ou partiellement, il faut donc être capable au minimum de détecter les mouvements du corps, grâce aux interfaces spécifiques de localisation corporelle (cf. Interfaces de localisation et de commande). Mais avec ces seules interfaces, la personne ne ressent rien en retour et perçoit un monde virtuel impalpable. Pour que l’utilisateur ait des sensations mécaniques en retour de ses actions, il faut exploiter au moins une des catégories des interfaces à action mécanique : les interfaces à retour tactile, les interfaces à simulation de mouvement ou les interfaces à retour d’effort. Les interfaces à sensibilité cutanée et à simulation de mouvement sont des interfaces sensorielles : elles ne transmettent des stimuli que de l’ordinateur vers l’utilisateur. Par contre, les interfaces à retour d’effort ont pour objectif d’appliquer des forces sur le corps mais aussi, toujours en pratique, elles mesurent la position de la partie du corps sur laquelle elles agissent. Cela principalement pour deux raisons :
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parce que les retours d’effort ne sont en général que la conséquence de l’action (du mouvement) de la main de l’utilisateur. Il faut donc fondamentalement connaître cette action, d’où les mesures de position, faites sur la même interface ;
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parce que les efforts à appliquer sont fonction, entre autres, de la position de la main, qu’il faut donc connaître.
Les interfaces à retour d’effort sont donc des interfaces sensori-motrices : elles transmettent des stimuli vers l’utilisateur et celui-ci envoie des ordres moteurs vers l’ordinateur. Au niveau du vocabulaire employé, le terme « retour » est utilisé pour les interfaces tactiles et d’effort car elles ont été développées en premier pour la téléopération. Dans ce domaine, les stimuli tactiles et d’effort sont créés par l’ordinateur en retour à une action motrice de l’opérateur qui est au centre du système, d’où le terme « retour ». Cette vision anthropocentrique est aussi à prendre en compte en réalité virtuelle pour obtenir des applications performantes (cf. Réalité virtuelle- Concepts et outils).
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2. Interfaces à retour d’effort
2.1 Niveaux de retour d’effort
Les interfaces à retour d’effort ont pour objectif d’appliquer des forces sur le corps mais aussi, en pratique, de mesurer la position de la partie du corps sur laquelle elles agissent.
Les interfaces à retour d’effort sont donc des interfaces sensori-motrices. La partie du corps concernée par ces interfaces est très souvent la main ou l’ensemble du membre supérieur, à part pour les interfaces à retour d’effort pédestres pour la simulation de pédales de véhicule, de vélo, etc.
L’utilisateur sur un vélo avance en pédalant dans un environnement virtuel et reçoit en retour des efforts sur les pieds par l’intermédiaire du pédalier.
Lorsqu’il s’agit d’appliquer des efforts sur la main par l’intermédiaire d’un outil, les problèmes techniques ne sont pas trop complexes et il existe commercialement des interfaces exploitables. Par ailleurs, quand les retours d’effort doivent être simulés sans l’intermédiaire d’un outil, l’interfaçage est très délicat.
Il n’est pas toujours possible de parvenir à une reproduction exacte de toutes les sensations que l’on peut percevoir en utilisant le sens du toucher et la perception des efforts. Il y a des limitations technologiques et économiques que l’on doit prendre en compte. Avec les appareils existants, on peut arriver aux quatre niveaux différents de la pyramide du retour d’effort (figure 4) appliqué à l’étude de l’ergonomie [4].
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Premier niveau : contact ponctuel
L’appareil nous offre la possibilité d’intégrer dans notre scène virtuelle un point avec lequel on peut toucher et sentir des forces de contact avec les objets virtuels (figure 4a ). C’est le cas le plus simple de retour d’effort et le plus utilisé à cause du faible coût de ces systèmes. Le Virtuose 3D d’Haption et la série des Phantoms 3D de SensAble Technologies font partie de cette catégorie (voir le paragraphe 2.3.1.2). Les trois degrés d’action sont seulement des translations dans l’espace du travail.
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - FUCHS (P.), MOREAU (G.), 72 autres auteurs - Le traité de la réalité virtuelle. - Troisième édition, 4 volumes : L’Homme et l’environnement virtuel 410 pages, Interfaçage, immersion et interaction en environnement virtuel 552 pages, Les outils et les modèles informatiques des environnements virtuels 454 pages et Les applications de la réalité virtuelle . Les Presses de l’École des Mines de Paris, 324 pages, ISBN 2-911762-62-2, 63-0, 64-9 et 65-7, http://caor.ensmp.fr/interlivre, fév. 2006.
-
(2) - BENALI KHOUDJA (M.), HAFEZ (M.), ALEXANDRE (J.M.), KHEDDAR (A.), MOREAU (V.) - VITAL : A New Low-Cost Vibro-TActiLe Display System. - Proc. ICRA, International Conference on Robotics and Automation, IEEE Conference, Louisiana USA, April 26-May 1, pp. 721-726 (2004).
-
(3) - HAYWARD (V.) - Survey of Haptic Interface Research at McGill University. - Proc. Workshop in Interactive Multimodal Telepresence Systems, TUM, Munich Germany, March 20-29, pp. 91-98 (2001).
-
(4) - STERGIOPOULOS (P.) - Les applications de retour d’effort pour les études d’ergonomie de l’industrie automobile. - Rapport interne CAOR / École des Mines de Paris, Paris, sept. 2001.
-
...
ANNEXES
(liste non exhaustive)
Haption http://www.haption.com
Immersion SA http://www.immersion.fr
HAUT DE PAGE2 Entreprises commercialisant des interfaces à retour tactile
(liste non exhaustive)
CEA-LIST http://www-list.cea.fr
Engineering Acoustics, Inc. http://www.eaiinfo.com/
UK’s Robotics Research Center http://www.hitl.washington.edu/scivw/EVE/I.C.ForceTactile.html
Virtual Technologies http://www.virtex.com...
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