Conception et réalisation d'une interface à retour d'effort pour les environnements virtuels à échelle humaine

A haptic interface is developed to provide the force feedback in human-scale virtual environments. The interface is composed of a string-based platform and a grasping exoskeleton. The platform comprises 8 strings which are actuated by 8 actuating units. Each actuating unit contains an electrical motor, a rotary encoder and a force sensor. The motor supply the string's tension, while the encoder measures the string's length and the sensor measures its tension. The actuating units have a novel design to improve the pay load and the precision of the interface. The exoskeleton is connected to and actuated by the strings and permits the 5 fingers of a user's hand to accomplish the grasping gesture. The interface provides totally 7 degrees of force feedback for the user in interaction with virtual objects; 3 degrees of translations, 3 degrees of rotation and 1 degree of grasping. The force feedback interface is modelled to calculate the tension distribution in the strings related to the necessary forces and torques. The actuating units could be moved on a cubic frame around the virtual environment. An optimal arrangement for the blocs' positions is obtained to maximise the workspace of the interface. A hybrid control method is also proposed based on the strings' tensions measured by the force sensors. This method leads to resolve the ordinary problems of the string-based interfaces. The desired application of this interface is in haptic interaction with the simulated internal space of automotives. Therefore a visual scene corresponding to this application is developed and the interface is tested by different force feedback cases. The results of the tests demonstrate the practical performance of the interface to provide the proper forces and the movement transparency for the user.Une interface haptique est développée pour fournir le retour d'effort d'interaction dans un environnement virtuel à échelle humaine. L'interface est composée d'une plate-forme à câbles et d'un exosquelette de préhension. La plate-forme comprend 8 câbles qui sont actionnés par 8 blocs d'actionnement. Chaque bloc contient un moteur électrique, un encodeur rotatif et un capteur de force. Le moteur tire sur le câble, pendant que le capteur de force mesure la tension du câble et l'encodeur détermine sa longueur. Les blocs d'actionnement sont d'une conception novatrice qui augmente la force maximale et la précision de l'interface. L'exosquelette est connecté et actionné par les câbles et permet aux 5 doigts d'une main de l'utilisateur d'accomplir le geste de préhension. L'interface fournit au total 7 degrés d'action pour l'utilisateur en interaction avec les objets virtuels : 3 degrés de translation, 3 degrés de rotation et 1 degré de préhension. L'interface à retour d'effort a été modélisée pour déterminer précisément la distribution des tensions dans les câbles en fonctions des forces et des couples désirés. Les blocs d'actionnement peuvent se déplacer sur un cadre cubique autour de l'environnement virtuel. Une configuration optimale est alors trouvée pour les positions des blocs afin de maximiser l'espace de travail de l'interface. Une méthode de commande hybride basée sur les tensions des câbles, mesurées par les capteurs, est également proposée. Cette méthode mène à résoudre les problèmes classiques des interfaces à câbles. L'application considérée pour cette interface est l'interaction haptique avec l'espace intérieur simulé d'une automobile. Une scène virtuelle correspondante à cette application a été développée et l'interface a été testée dans différents cas de retour d'effort. Les résultats des tests démontrent la performance de l'interface pour fournir des efforts appropriés avec une transparence de mouvement pour l'utilisateur