Robots humanoïdes : bientôt une réalité dans les entreprises
Tesla travaille sur un robot humanoïde de deuxième génération. Optimus Gen 2 2 est une machine polyvalente capable de fournir une assistance ...
retour de force
Enfin, il est nécessaire d’améliorer les capacités de traitement (pour répondre aux questions et précisément à un obstacle non prévu par exemple), le <anchor>retour de force</anchor> et les capteurs de communication.
Conception et optimisation des interfaces à retour d’effort : Dossier complet | Techniques de l’Ingénieur
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- Sommaire
- Sommaire détaillé
- Picto sommaire

- 1.1 - Téléopération à retour d’effort

Figure 1 - Système maître-esclave de téléopération à retour d’effort

- 1.2 - Interfaces haptiques pour la réalité virtuelle

Figure 2 - Interface haptique pour la réalité virtuelle

- 1.3 - Importance du retour d’effort

- 2.1 - Sécurité des opérateurs

Figure 3 - Couplage bilatéral en position dans l’espace cartésien ( q M et q E désignent les positions articulaires du maître et de l’esclave, MGD est le modèle géométrique direct de ces robots, X M et X E leur configuration cartésienne, F M et F E sont les consignes d’efforts côté maître et côté esclave, J M et J E sont les matrices jacobiennes permettant de calculer les couples articulaires τ M et τ E)

- 2.2 - Critères de performances

- 2.3 - Détermination des valeurs à atteindre

Figure 4 - Illustration de mouvements effectués autour de l’axe de la poignée et perpendiculairement à celle-ci (exemples d’une prise de puissance de type «  medium wrap  » à gauche, et d’une prise de précision de type «  tip pinch  » à droite)Figure 5 - Gauche : zones de la main sollicitées lors de certaines interactions d’un conducteur avec les commandes d’un véhicule (vert : zones d’appui - rouge : zones d’interaction ; source : rapport interne CEA). Droite : interface à retour d’effort sur trois doigts pour la simulation des interactions avec une planche de bord automobileFigure 6 - Gauche : plate-forme de mesure utilisée pour caractériser les performances nécessaires à la simulation de tâches de fraisage osseux (capture des mouvements de l’outil, du bras et de la tête, mesure des efforts sur l’outil, enregistrement visuel et sonore ; source : rapport interne CEA). Droite : plate-forme multimodale de formation à la chirurgie maxillo-faciale (vignettes : retour visuel et interfaces haptiques)Tableau 1 - Cahier des charges générique d’un bras maître pour la téléchirurgie [...]Tableau 2 - Cahier des charges générique d’une interface haptique utilisée pour [...]

- 2.4 - Paramètres d’optimisation

Figure 7 - Principaux composants d’une interface à retour d’effortFigure 8 - Sélection d’interfaces à retour d’effort pour la téléopération et la réalité virtuelle (y compris la rééducation en RV) proposées par les principaux fabricants du domaine (sources : Haption, Force Dimension, 3D Systems, MPB Technologies, Quanser, Moog, Butterfly Haptics, Foldaway Haptics-Alain Herzog/EPFL, Haptikfabriken, Nissho Electronics-Hiroo Hiwata/Univ. Tsukuba, Cybernet Systems Corp, Mimic Technologies Inc, Kraft Telerobotics, CEA, Dexta Robotics, HaptX, SenseGlove, Wearable Robotics srl)Figure 9 - Principales architectures des interfaces à retour d’effortFigure 10 - Quelques exemples de réducteurs à haut rendement utilisés sur les interfaces à retour d’effortFigure 11 - Modélisation simplifiée du réducteur d’un robot à 1 ddl sous la forme d’un bras de levier, et calcul de la fréquence de résonance pour un réducteur intégré au niveau du moteur (gauche) ou de l’articulation (droite) (image inspirée de [28], x m : position du moteur, x c : position du corps mobile, R  : rapport de réduction, k trans : raideur de la transmission, M c : masse du corps mobile, BP  : bande passante)Tableau 3 - Espace de travail en translation (profondeur × largeur × hauteur, [...]Tableau 4 - Espace de travail en translation (profondeur × largeur × hauteur, [...]Tableau 5 - Espace de travail en translation (profondeur × largeur × hauteur, [...]Tableau 6 - Espace de travail en translation (profondeur × largeur × hauteur, [...]

- 2.5 - Outils de modélisation et de dimensionnement

Figure 12 - Gauche : prototype d’interface à retour d’effort Virtuose 3D [165]. Droite : domaine de stabilité des moteurs sur les trois axes du robot (sur chaque axe, le choix de gains moteurs K mot et B mot se trouvant sous les courbes garantit la stabilité du robot)Figure 13 - Raideur apparente globale d’une interface à retour d’effort

- 2.6 - Procédure d’optimisation

Figure 14 - Résumé des principaux critères et paramètres d’optimisationFigure 15 - Procédure proposée pour le dimensionnement et l’optimisation des interfaces à retour d’effort (EDT : espace de travail)Figure 16 - Espace de travail utile en orientation (EUO) de plusieurs architectures candidates pour la conception d’une interface haptique pour la formation au geste chirurgicalFigure 17 - Procédure d’optimisation d’une interface haptique pour la formation au geste chirurgical (gauche) et dimensions obtenues après conception (droite, haut) et espace de travail (droite, bas) de cette interfaceFigure 18 - Procédure d’optimisation d’une interface haptique dextre (gauche) et dimensions du robot associé à chacun des doigts obtenues après conception (en bas à droite) et espace de travail de ces robots (droite, exemple de l’index, vert : espace de travail du doigt, rose : espace de travail du robot)Tableau 7 - Cahier des charges d’une interface haptique pour la formation des [...]Tableau 8 - Cahier des charges des robots associés à chacun des doigts d’une [...]

Article de référence|Réf : S7739 v1

# Conception et optimisation des interfaces à retour d’effort

Auteur(s) :
Florian GOSSELIN

Date de publication : 10 mars 2021

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Sommaire

Présentation

### RÉSUMÉ

Les interfaces à retour d’effort sont des périphériques permettant de commander un robot à distance ou un avatar dans un environnement virtuel en ressentant les forces et les moments auxquels ils sont soumis. Pour que l’immersion de l’utilisateur soit naturelle et qu’il puisse commander ces dispositifs de façon efficace et intuitive, il faut que ces interfaces respectent un certain nombre de critères. Ces spécifications sont différentes de celles des robots industriels, de même que les technologies mises en œuvre pour y répondre. Dans cet article, nous présentons tous ces éléments, puis nous introduisons des outils de modélisation et de dimensionnement robotiques permettant de concevoir des interfaces répondant à ce cahier des charges. Leur application est illustrée sur deux exemples.

Lire cet article issu d'une ressource documentaire complète, actualisée et validée par des comités scientifiques.

### ABSTRACT

Design and optimization of force feedback interfaces

Force feedback interfaces are input devices used to control robots in a remote environment or avatars in a virtual reality simulation with the vivid feeling of the forces and torques applied on them. For a natural immersion and an efficient and intuitive control, these devices must respect specific criteria. Their specifications differ from those of industrial robots, and they make use of different technological solutions. All these aspects are presented in this article. Then we introduce modeling and dimensioning methods allowing to design interfaces meeting these requirements. Two examples are given as an illustration.

### Auteur(s)

- Florian GOSSELIN
  : Responsable scientifique - Département Intelligence Ambiante et Systèmes Interactifs - Université Paris-Saclay, CEA, List, F-91120, Palaiseau, France

### INTRODUCTION

Il existe de nombreux domaines dans lesquels l’humain ne peut pas intervenir directement parce que l’environnement est hostile ou inaccessible à son échelle. Pour intervenir dans de tels environnements, on doit utiliser des robots avantageusement pilotés à distance. La solution la plus efficace pour les commander est d’utiliser des bras maîtres à retour d’effort.

Des dispositifs similaires sont utilisés pour interagir avec des environnements simulés en réalité virtuelle. La maquette numérique, qui remplace de plus en plus les prototypes physiques lors de la conception de nouveaux produits et systèmes, permet de simuler le montage d’un système complexe, de détecter et de corriger les erreurs très en amont du cycle de conception, ou encore de concevoir une véritable usine virtuelle visant à optimiser l’ergonomie et la productivité des postes de travail. Son utilisation efficace requiert cependant des méthodes et des périphériques adaptés. Dans ce contexte, les interfaces à retour d’effort sont particulièrement intéressantes. Elles peuvent être utilisées pour contrôler les mouvements de certains objets de la scène virtuelle et permettent à l’utilisateur de ressentir les efforts qui s’appliquent sur ces objets quand ils entrent en collision avec leur environnement, comme dans le monde réel. On parlera ici d’« interfaces haptiques » plutôt que de bras maîtres.

Dans les deux cas, on a affaire à des structures mécaniques polyarticulées plus ou moins complexes munies de capteurs et d’actionneurs, c’est-à-dire à de véritables robots. Les interfaces à retour d’effort sont cependant très différentes des robots industriels, qui sont en général commandés en position pour suivre des trajectoires de façon répétitive indépendamment des perturbations extérieures, dans un environnement contrôlé dont l’humain est exclu. Au contraire, les interfaces à retour d’effort sont manipulées par un utilisateur, et doivent donc présenter un haut niveau de sûreté et de sécurité. Elles doivent également avoir une grande sensibilité en effort et une grande dynamique pour être capables de suivre tous les gestes de l’opérateur et de restituer le moindre effort appliqué sur le robot distant ou l’avatar de l’utilisateur en réalité virtuelle, que ces interfaces soient munies d’une simple poignée ou qu’elles aient une architecture plus complexe, comme sur les exosquelettes de bras ou de main.

Ces contraintes de performance et de sécurité requièrent le respect d’un certain nombre de critères et la mise en œuvre de solutions technologiques adaptées. Cet article présente ces critères et leurs valeurs usuelles, puis il introduit des outils de modélisation et de dimensionnement robotiques permettant de concevoir des interfaces répondant à ces besoins. Leur application sera illustrée par plusieurs exemples.

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### MOTS-CLÉS

### KEYWORDS

virtual reality
|
Robotics
|
design
|
optimization
|
teleoperation
|
Force feedback
|
Dimensioning

### DOI (Digital Object Identifier)

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### BIBLIOGRAPHIE

- (1) -
  JOLY (L.) -

Commande hybride position/force pour la téléopération : une approche basée sur des analogies mécaniques,
-
Thèse de doctorat de l’université Paris 6, Paris, France (octobre 1997).

- (2) -
  ALIAGA (I.), RUBIO (A.), SANCHEZ (E.) -

Experimental quantitative comparison of different control architectures for master-slave teleoperation,
-
IEEE Trans. on Control Systems Technology, Volume 12, issue 1, pp. 2-11 (janvier 2004).

- (3) -
  VERTUT (J.), COIFFET (P.) -

Les robots-Tome 3A : téléopération, évolution des technologies,
-
Hermes Publishing, Paris, France (1984).

- (4) -
  KÖHLER (G.W.) -

Typenbuch der Manipulatoren – Manipulator type book,
-
Thiemig Taschenbücher – Verlag Karl Thiemig, München, Germany (1981).

- (5) -
  SCHENKER (P.) -

NASA research and development for space telerobotics,
-
IEEE Trans. on Aerospace and Electronic Systems, Volume 24, Issue 5, pp. 523-534 (septembre 1998).

- ...

### DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES

### NORMES

- ## Postures et dimensions pour l’homme au travail sur machines et appareils [annulée le20 mai 2003]

  ## NF X35-104

  Avril 1983

- ## Modèles anthropométriques de la population masculine et feminine [annulée le 5 juillet 2019]

  ## X35-002

  Juillet 1982

### ANNEXES

1 Sites Internet

Haption

(page de presentation des interfaces à retour d’effort, consultée en octobre 2020)

CyberGlove Systems, CyberGrasp

(consulté en août 2020)

CyberGlove Systems, CyberForce

(consulté en août 2020)

Dexta Robotics

(consulté en août 2020)

HaptX

(consulté en août 2020)

Senseglove

(consulté en août 2020)

KineteK Wearable Robotics

(consulté en août 2020)

HAUT DE PAGE

2 Annuaire

University of Tsukuba, VR Lab

(consulté...

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