1 Les Interfaces Haptiques 2 pdf de ces transparents disponibles sur : http://dpt-info.u-strasbg.fr/~essert rubrique Enseignement>Matières>ISI Caroline Essert – LSIIT/UdS – Cours Master2 ISI 2012 3 1. Définition, différentes interfaces 2. Concepts mis en jeu 3. Libs, développement haptique 4. Les applications 5. La recherche 6. démo En bref… Caroline Essert – LSIIT/UdS – Cours Master2 ISI 2012 4 Interfaces haptiques • Définition (wikipedia) : L’haptique désigne la science du toucher, par analogie avec acoustique ou optique (provient du grec "haptomai" qui signifie "je touche"). Au sens strict, l’haptique englobe : • les phénomènes kinesthésiques , i.e. la perception du corps dans l’environnement • le toucher Caroline Essert – LSIIT/UdS – Cours Master2 ISI 2012 5 Interfaces haptiques • 2 grandes familles d'interfaces haptiques : les interfaces à retour d’effort (ou interfaces kinesthésiques) : permettent de ressentir la position et les mouvements, les forces exercées (collisions, poids, viscosité) à l’aide de capteurs proprioceptifs situés dans les muscles et les tendons les interfaces tactiles : permettent de ressentir la forme, la texture ou la température des objets à l’aide de différents types de capteurs situés au niveau de la peau Caroline Essert – LSIIT/UdS – Cours Master2 ISI 2012 6 Interfaces tactiles Dans la suite du cours, on parlera principalement des interfaces à retour d'effort Tactile mouse (NISE, Japon) Band-aid size tactile display (Univ. Of Nevada) Tactile display (Forschungzentrum Karlsruhe) Caroline Essert – LSIIT/UdS – Cours Master2 ISI 2012
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Les Interfaces Haptiques
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pdf de ces transparents disponibles sur :
http://dpt-info.u-strasbg.fr/~essert
rubrique Enseignement>Matières>ISI
Caroline Essert – LSIIT/UdS – Cours Master2 ISI 2012
3
1. Définition, différentes interfaces
2. Concepts mis en jeu
3. Libs, développement haptique
4. Les applications
5. La recherche
6. démo
En bref…
Caroline Essert – LSIIT/UdS – Cours Master2 ISI 2012 4
Interfaces haptiques
• Définition (wikipedia) :
Ø L’haptique désigne la science du toucher, par analogie avec acoustique ou optique (provient du grec "haptomai" qui signifie "je touche"). Au sens strict, l’haptique englobe :
• les phénomènes kinesthésiques, i.e. la perception du corps dans l’environnement
• le toucher
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Interfaces haptiques
• 2 grandes familles d'interfaces haptiques :
Ø les interfaces à retour d’effort (ou interfaces kinesthésiques) : permettent de ressentir la position et les mouvements, les forces exercées (collisions, poids, viscosité) à l’aide de capteurs proprioceptifs situés dans les muscles et les tendons
Ø les interfaces tactiles : permettent de ressentir la forme, la texture ou la température des objets à l’aide de différents types de capteurs situés au niveau de la peau
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Interfaces tactiles
Ø Dans la suite du cours, on parlera principalement des interfaces à retour d'effort
Tactile mouse (NISE, Japon)
Band-aid size tactile display (Univ. Of Nevada)
Tactile display (Forschungzentrum Karlsruhe)
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Interfaces à retour d'effort • Bras articulés
Ø 1 ou 3 bras partent du support
Ø Au bout : un effecteur (objet manipulé : stylet, ou autre)
Ø Des moteurs contrôlent les articulations
Ø Différentes tailles, degrés de liberté
Virtuose (Haption)
Phantom (Sensable)
Falcon (Novint)
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Interfaces à retour d'effort • Fils motorisés
Ø L'effecteur est relié en un ou plusieurs points à des fils (jusqu'à 4 fils par point)
Ø Les fils se dirigent vers des poulies situés aux coins du cube extérieur
Ø Les fils sont reliés à des moteurs d'enroulement
Ø Différentes tailles, degrés de liberté
Inca (Haption)
Spidar (Sato-Koike group, Tokyo Institute of Technology)
• En 1999, Miller et Zeleznik identifient 4 utilisations possibles du retour haptique pour l'interaction : Ø Anticipation : indication de l'imminence d'un événement
Ø Suivi : indication qu'une action est en cours
Ø Accomplissement : indication qu'un événement d'est produit
Ø Guidage : contrainte du geste de l'utilisateur
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Principales utilisations de l'haptique
• Toujours en 1999, Bowman distingue 4 tâches possibles en environnement virtuel Ø Contrôle d'application
Ø Sélection d'objet
Ø Manipulation d'objet
Ø Navigation
• Ces 4 tâches peuvent également bénéficier de l'haptique
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Principales utilisations de l'haptique • En pratique, utilisation de l'haptique pour :
• Simulations de sensations réalistes Ø Interactions avec des objets, des milieux (sculpture, découpage,
palpation, etc.)
• Autres tâches en RV Ø Contrôle d'applications
Ø Navigation
Ø Désignation
Ø Manipulation
Ø Visualisation
Ø Communication
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Simulation de sensations réalistes : Que veut-on sentir ?
• Un objet Ø Un peu comme pour la visualisation : différents
niveaux • La forme d'un objet
– Découverte par tâtonnement, aide à la représentation mentale globale de l'objet
• Les aspérités, la texture – Rainures, bosses
• Le matériau – Rugosité, viscosité, élasticité
Ø Eventuellement le poids
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Sentir un objet
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Simulation de sensations réalistes : Que veut-on sentir ?
• Un milieu, un effet Ø Mouvement réaliste dans un liquide, un gaz
Ø Mouvement dans un champ magnétique, attraction
Ø Gravité
Ø Inertie
Ø Etc.
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Simulation de sensations réalistes : Que veut-on sentir ?
• Des réactions Ø Collisions d'objets, contacts
Ø Déformations
Ø Interactions entre objets : glissements, mouvements contraints (ex: coulissement)
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Problèmes à résoudre • Contacts avec un objet :
Ø Détection des collisions
Ø Réponse à la collision • Contact, répulsion, glissement,
frottement, déformation, etc.
• Mouvement d'un pointeur ou objet dans un milieu : Ø Réponse du milieu
• Viscosité, attractions, force ambiante constante, etc.
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Développement haptique
• Librairies haut niveau Ø Utilisent par exemple une duplication des appels
opengl, et des propriétés d'objets
Ø Ex. Ghost ou Openhaptics (Sensable), ReachInAPI (ReachIn)
• Librairies bas niveau Ø Calcul des forces et couples (torques), envoi des
forces au matériel
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Développement haptique • Notion de "boucle haptique"
Ø Les forces sont mises à jour en fonction des mouvements
• Contrainte : Ø Fréquence de rafraîchissement ≥ 1 kHz
• (alors que le rafraîchissement écran n'est que ≈ 60Hz max)
• Les forces peuvent simuler : Ø Contact,
Ø Rugosité (friction),
Ø Viscosité,
Ø etc.
Ø à Soit par modification des paramètres (librairies haut niveau) soit par calcul des forces et des positions d'affichage, et envoi au matériel (librairies bas niveau)
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La recherche en haptique
• Les techniques d'interaction haptique ont déjà été assez bien établies pour Ø les milieux
Ø les objets polyédriques
Ø les surfaces implicites
• Beaucoup d'applications ont déjà été développées
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La recherche en haptique
• Types d'objets Ø Par ex., peu de résultats sur le rendu haptique 6dof des
surfaces nurbs et des surfaces de subdivision
• Utilisations Ø Pour l'instant, surtout rendu haptique réaliste (simulations)
Ø Moins de résultats sur l'utilisation à des fins d'aide haptique, de contrôle d'applications, sans objectif réaliste
• ex: menus haptiques, aide à la sélection en environnement dense, matérialisation de propriétés ou de valeurs par l'haptique, etc.
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La recherche en haptique • Menus haptiques
Ø Souvent 2D transposée • Komerska et Ware, 2004
Ø Menu 3D haptique • Essert et Capobianco, 2009
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Outrepasser les limites du matériel • Exploitation des illusions haptiques :
Ø Faire sentir des dof qui n'existent pas • Blocage visuel fait "ressentir" un blocage haptique qui n'existe
pas
Ø Modifier artificiellement les propriétés d'un objet • Altération du ratio C/D (Control/Display)
• Exemples : – friction/glissement à le pointeur se déplace moins (/plus) vite sur
la surface à l'écran que l'effecteur – rigidité (stiffness), souplesse à déformation moins (/plus)
importante de l'objet visuel par rapport au mouvement de l'effecteur
– masse à objet paraît plus lourd (/léger) si son mouvement visuel en direction du haut est ralenti (/accéléré) par rapport au mouvement de l'effecteur
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Outrepasser les limites du matériel
• Moteurs : limites techniques des forces Ø Instabilité si résistance limite (oscillations, vibrations)
Ø Objets "durs" difficiles à simuler
• Introduction d'amortissement dans les contacts "durs" Ø Limiter les instabilités
Ø Améliorer la sensation de rigidité
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Outrepasser les limites du matériel
• Pallier la petite taille de l'espace de travail Ø Éviter que des objets soient hors d'atteinte
• Artifices logiciels de focalisation
• Effecteur "ramené" en position centrale de façon imperceptible
• Etc.
• Pallier le faible débattement des effecteurs Ø Éviter de devoir "ramer" avec l'effecteur
Ø Trouver des métaphores d'interaction qui compensent
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Outrepasser les limites du matériel
• Exemples de métaphores d'interaction : Ø Haptic hybrid rotations (L. Dominjon et al. 2006)
Ø Technique "Bubble" • (L. Dominjon et al. 2005) : video à
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Applications • CAO
Ø Simulation d'emboîtements, coulissements de pièces, entraînements de mécanismes, faisabilité de conception
• Ergonomie Ø Simulation d'ergonomie par modélisation d'environnement de
travail, avec poids des objets simulé
• Interaction avec des écoulements, simulations physiques, biomécaniques Ø Mécanique des fluides, FEM, …
• Docking moléculaire
• Contrôle distant Ø Contrôle d'applications distantes, travail collaboratif,
manipulation de robots
• Simulateurs Ø Aéronautique, automobile, sous-marin, chirurgie, etc.