2.6  Les applications du retour haptique

La perception via une interface haptique

D’un point de vue général, il s’avère que les dispositifs actuels limiteront les procédures d’exploration haptique. L’utilisateur est en effet obligé d’adopter des stratégies afin d’extraire les propriétés des objets. Et ceci est particulièrement notable sur les dispositifs nécessitant la manipulation d’un activateur comme le manche du joystick ou le stylet du PHANTOM (Jansson et K., 1999). De plus, la technologie même est un facteur limitant : (Wall, 2000) a ainsi montré que les moteurs du PHANTOM étaient inadéquats pour générer des textures très fines nécessitant des hautes fréquences.

En se référant aux procédures d’exploration haptique proposées par (Lederman et al., 1987), (Wall, 2000) a dressé le tableau 2.3, qui montre les possibilités et les impossibilités, lorsque l’on manipule un dispositif de pointage. Finalement, (Lederman et Klatsky, 2004) ont également montré que la rigidité du stylet limitait également la perception (par rapport à un stylet flexible).

Mouvements d’exploration Possibilité avec un dispositif de pointage
Le mouvement latéral (textures) Possible, bien que les caractéristiques des textures varient
  temporellement (vibration) et non pas spatialement
La pression Possible
Le contact statique Possible, bien qu’il n’y ait pas de retour de température,
  ou de forces distribuées pour générer des étirements
Le maintient Possible en attachant l’objet simulé à la place de l’activateur
L’enveloppement Non possible en l’absence de plusieurs points de contact
Le suivi de contours Possible, mais très difficile du fait d’une zone de contact
  réduite à un point

Table 2.3 : Les possibilités des mouvements d’exploration avec un périphérique de pointage

Pour l’anecdote, (Jansson, 2000) a suggéré qu’ obtenir une information par l’intermédiaire d’un affichage haptique tel que le PHANTOM, était semblable à obtenir de l’information d’un écran d’ordinateur en déplaçant sur celui-ci une feuille de papier percée d’un simple petit trou .

Concernant la mémorisation, (Jansson et K., 1999) ont montré qu’une phase, même très courte, d’initiation à l’utilisation d’un dispositif comme le PHANTOM, permettait une nette amélioration des performances.

Comme nous allons maintenant le voir, les applications utilisant de tels dispositifs, malgré leurs défauts, se multiplient dans de nombreux domaines.

L’intégration du mode haptique dans l’interaction avec la machine

Le système haptique humain a un rôle important à jouer dans l’interaction homme-machine. A l’inverse des systèmes visuels et auditifs, le sens haptique est capable à la fois de percevoir et d’agir sur l’environnement et est une partie importante de la plupart des activités humaines. La figure 2.25 illustre la double boucle d’interaction liée au système haptique : l’homme et la machine agissent et perçoivent sur le mode haptique, en même temps. Les schémas de fonctionnement pour l’homme et pour la machine sont très similaires : il y a dans les deux cas une boucle action-réaction entre le monde extérieur, et le système de décision ; c’est à l’intersection des deux boucles que se situe l’interaction.

Figure 2.25 : Interaction haptique entre l’homme et la machine (tiré de (Casiez, 2004))

Dans cette partie, nous allons passer en revue quelques applications concrètes basées sur le mode haptique. On pourra revenir à cette page pour un historique sur les débuts du retour de force. On rappelle qu’initialement, c’est en télé-robotique que les dispositifs à retour de force sont apparus.

Le retour haptique comme technique d’interaction

(Miller et Zeleznik, 1999) ont identifié 4 utilisations possibles du retour haptique :

  1. Anticipation (Anticipation): force résistante annonçant l’imminence d’un événement.
  2. Indication (Suivi) : force donnant l’indication qu’une action est en cours.
  3. Follow-through (Accomplissement): force donnant l’indication à l’utilisateur qu’un événement s’est produit.
  4. Guidance (Guidage): guidage/contrainte du geste de l’utilisateur.

Le retour haptique : aspect logiciel

Afin de manipuler les dispositifs, les fabriquants ont mis à la disposition des programmeurs, des bibliothèques de programmation spécialisées.

Immersion Corporation™, le fabriquant de la souris Wingman Force Feedback Mouse™, propose ainsi l’Immersion Touchsense SDK. Cette bibliothèque permet de piloter tout un ensemble de périphériques (souris, joysticks, volants et manettes de jeux) chez de nombreux constructeurs (Microsoft™, Logitech™, Genius™, ThrustMaster™, Saitek™, Gravis™). De plus, une des particularités de ce SDK (Software Developpment Kit) est qu’il dispose d’un plugin pour les navigateurs Web. Ainsi, il est possible d’augmenter une page Web, avec des retours de force. Les navigateurs supportés sont Microsoft™Internet Explorer et Netscape™. Une version pour les navigateurs basés sur le moteur Gecko (Mozilla™, Firefox) existe, mais est encore en phase de développement.

Sensable™, le concepteur des PHANTOMs, propose plusieurs bibliothèques de programmation : Le Ghost SDK, et les HDAPI et HLAPI. Le Ghost SDK est basé sur un moteur de rendu du toucher, à partir d’une scène 3D. Par exemple, il dispose d’un lecteur de fichiers VRML (Virtual Reality Markup Language : langage de description de scènes 3D), et l’on peut très rapidement toucher les objets de la scène, avec un PHANTOM. Cependant, il peut être intéressant de se passer d’une base tridimensionnelle pour générer des effets. Ainsi, Sensable™a proposé les bibliothèques HDAPI et HLAPI (pour Haptic Device API et Haptic Library API). La bibliothèque HDAPI permet un contrôle direct des paramètres de fonctionnement du périphérique : les positions, orientations et vitesses des différents éléments du dispositif, l’accès aux systèmes de coordonnées internes des moteurs, les températures des moteurs... Comparé au Ghost SDK, le HDAPI autorise beaucoup plus de liberté et de précision lors de la création des effets. Il peut cependant s’avérer fastidieux de créer des effets à partir d’autant de paramètres. C’est pour cette raison que Sensable™a conçu le HLAPI. Il s’agit d’un bibliothèque intermédiaire entre les deux autres. À l’instar du GHOST SDK, on part d’une scène 3D, mais cette fois, la scène est décrite en OpenGL. Ceci permet un contrôle encore très précis.

Nous pouvons également citer le H3D API de SenseGraphics1. C’est une bibliothèque de programmation haptique open-source (licence GPL dans un cadre de recherche), basée sur le format de fichier X3D (il s’agit du format de description de formes 3D, basé sur XML; c’est le successeur du VRML). Pour le moment, cette bibliothèque ne supporte que les PHANTOMs.

Le retour haptique : à quoi cela ressemble ?

Jusqu’ici, nous avons discuté de périphériques à retour de force, mais nous n’avons pas dit en quoi consistait le retour de force. La partie précédente a présenté quelques bibliothèques de programmation qui permettent de concevoir des effets de retour de force, effets dont nous allons maintenant présenter les grandes familles (en notant bien, que les bibliothèques de programmation permettent de combiner ces différents effets).

Le contact ponctuel :
il s’agit de l’effet le plus classique, mais aussi le plus étudié. L’idée est de générer une force dans un dispositif à retour de force, pendant qu’on le manipule, de manière à simuler le contact avec un objet du monde virtuel, comme s’il existait. Par exemple, avec un périphérique type PHANTOM, imaginons que la manipulation du stylet amène le curseur au contact d’une forme virtuelle ; à cet instant, les moteurs du PHANTOM se durcissent afin de limiter les mouvements de l’utilisateur selon certaines directions. On aura alors l’illusion de rentrer en contact avec un objet physique.
Le cloisonnement :
Il s’agit de définir une zone (souvent rectangulaire ou elliptique), qui aura une frontière entièrement paramétrable. Cet effet possède alors une notion d’intérieur et d’extérieur. On peut par exemple donner la possibilité ou non, au pointeur de rentrer ou de sortir de la zone. Il peut s’agir également de définir une zone d’attraction, qui attirera le curseur en son centre lorsqu’il passe à une certaine distance.
Les effets dynamiques :
Ce sont des effets dont les paramètres évoluent dynamiquement selon les propriétés du geste de l’utilisateur. Par exemple, une certaine friction peut être simulée, en fonction de la vitesse instantanée, ou du rayon de courbure. Autre exemple, le périphérique peut empêcher l’utilisateur des changements de direction trop brusques : on simule ainsi l’inertie du déplacement d’un objet lourd.
Les effets de texture :
Ces effets permettent de simuler des textures. Celles-ci peuvent être synthétisées grâce à un certain nombre de paramètres (fréquence, amplitude, directions...), ou bien simulée depuis une image réelle de façon similaire à ce que réalise une bump-map en image de synthèse, c’est à dire une image ou l’intensité d’une nuance (du noir au blanc par exemple) code l’altitude ou la profondeur.

Quelques applications du retour haptique

La médecine et la rééducation

Depuis le début des années 90, la médecine est devenue un champ d’application du retour haptique. Plusieurs pratiques peuvent nécessiter l’utilisation de dispositifs à retour de force.

La palpation des tissus :
Elle correspond à la première étape d’une consultation : le diagnostic. Et la forme la plus traditionnelle de diagnostic est la palpation des organes et des tissus du patient. En 1994, (Langrana et al., 1994) ont pour la première fois utilisé un périphérique à retour haptique, le Rutger Master, pour palper un genou virtuel. Depuis, les outils ont évolués, et les applications de télé-diagnostic se généralisent.
La télé-chirurgie :
La télé-chirurgie est un des grands axes de la recherche sur les périphériques haptiques. Le praticien peut ainsi intervenir au cours d’une opération alors qu’il ne se trouve pas sur place.
La rééducation :
Cette approche de l’utilisation des dispositifs à retour de force est très intéressante. En général, les dispositifs de rééducation utilisent des périphériques sortis de leurs contextes habituels d’utilisation. (Reinkensmeyer et al., 2000) ont par exemple utilisé un joystick à retour de force tel qu’on peut en trouver dans le commerce, pour rééduquer l’acuité motrice d’un patient ayant subit un accident cérébral.

La modélisation d’objets virtuels

Un logiciel de modélisation tridimensionnelle nommé FreeForm2, a été présenté par Sensable Technologies Inc. Ce système se base sur une métaphore du sculpteur : l’utilisateur se sert du PHANTOM pour sculpter une pierre virtuelle présentée à l’écran, et rendue par un retour de force.

De manière similaire, InTouch (Gregory et al., 2000) est un logiciel de modélisation 3D. Il permet également le dessin sur un volume (figure 2.26).

Figure 2.26 : Le logiciel inTouch

Le travail collaboratif

L’utilisation du mode haptique dans une collaboration en environnement virtuel, peut permettre une amélioration, notamment de la conscience que l’on doit avoir de travailler avec quelqu’un (BASDOGAN et al., 2000).

(Sallnäs et Zhai, 2003) ont montré également une diminution du taux d’erreur lors d’une tâche de pointage collaboratif lorsqu’un retour haptique était rendu (pour des temps identiques avec ou sans retour haptique).

On peut noter qu’il s’agit d’une classe d’application qui nécessite des recherches pluridisciplinaires : rendus haptiques, bien sûr, mais aussi réseaux et traitement du signal. Par exemple, lorsque la collaboration se fait via un réseau, il faut anticiper, afin d’atténuer le délai temporel qu’il peut y avoir entre les deux machines. (Belghit, 2002) a ainsi utilisé une forme modifiée du LPC (Linear Prediction Coding) pour améliorer l’ergonomie du télégeste.

L’entraînement

Un des intérêts du retour haptique est qu’il peut simuler l’utilisation d’outils du monde réel. C’est donc tout naturellement que des simulateurs, ou des plate-formes d’entraînement, ont pu être conçues.

(Williams et al., 2004) ont par exemple mis au point un système d’entraînement au diagnostic du mal de dos. Leurs recherches les ont amené à créer un moyen de playback haptique. Le playback haptique consiste à enregistrer les mouvements réalisés par une personnes, puis de les refaire exécuter par le dispositif haptique (dans ce cas, il s’agit du PHANTOM). De cette manière, les étudiants pouvaient suivre les mouvements d’un expert, avant de réaliser leur propre exercice. On peut quasiment parler de retour de geste, de la part de la machine.

Le centre lavalois de ressources technologiques 3 a proposé le système VTT (Virtual Technical Trainer) qui est un simulateur de machine outils. Ce simulateur a comme raison d’être l’actuelle utilisation quasi systématique de machines à commandes numériques. Or ces dernières ont pour particularité d’introduire une distance à la matière telle que l’apprenant perd toute notion des contraintes mécaniques dans les tâches réalisées par les machines d’usinage.

Le domaine artistique

Le retour de force a souvent été utilisé dans les domaines artistiques. Comme dans la partie précédente, cela peut consister en la simulation d’un instrument réel, comme pour le projet dAb (figure 2.27) : le dispositif utilisé est un PHANTOM, et il s’agit d’imiter les sensations que l’on a lors du maniement de pinceaux.

Dans une approche très différente, le projet PHASE (Plate-forme Haptique d’Application Sonore pour l’Eveil Musical (figure 2.28)) propose un moyen de création complètement nouveau. Le retour haptique est utilisé pour faire sentir les éléments d’un monde virtuel que l’on rencontre pendant l’exploration de celui-ci.

Figure 2.27 : Le système dAb (Baxter et al., 2001)

Figure 2.28 : La Plate-forme PHASE (lambert et al., 2005)


1
http://www.sensegraphics.se
2
http://www.sensable.com/products/3ddesign/concept/index.asp
3
CLARTE : http://www.clarte.asso.fr/