Comme une solution au caractère encombrant souvent observé au niveau de nombreuses interfaces haptiques, nous proposons un dispositif de conception simple fonctionnant sur le principe de régulation du coefficient de frottement. Cette structure est constituée d'une plaque en cuivre-berryllium de dimension 64x38x3 mm sur laquelle sont collées à l'époxy des céramiques piézoélectriques PZT convenablement agencées. Cette plaque tient sur quatre pieds chacun à l'extrémité sphérique ou plane. Ainsi, une alimentation électrique adéquate du dispositif autour de sa fréquence de résonance crée une onde stationnaire dont on a choisi deux ventres pour positionner les pieds. Dès lors une force de frottement variable entre les pieds et un substrat en acier par exemple est obtenue par le contrôle de l'amplitude vibratoire en harmonie avec le principe de la lubrification électroactive. Comme résultat, un usager perçoit un effort en tenant la plaque avec les doigts de la main et en déplaçant cette plaque sur le substrat plan comme il le ferait avec une souris d'ordinateur. Une première évaluation psychophysique tend à valider le dispositif pour une application en retour d'effort pouvant consister à identifier les limites ou les changements de forme d'objets d'un environnement virtuel. / As a solution to the lack of compactness and simplicity often encountered in haptic interfaces, we propose a device based on friction coefficient control principle. This device includes polarised piezoceramics well adjusted and glued to a 64x38x3 mm copper-beryllium plate supported by four legs. Then, properly energised around a resonant frequency, with legs at antinodes, a stationary wave is created in the plate. Variable friction forces between the legs and the plane substrate are created by the control of the wave amplitude, according to electro-active lubrication. So the user obtains force feedback by holding the plate, and moving it on a plane substrate, as he couId do with a mouse interface. Preliminary psychophysical evaluation trends to assess the validity of the device as a force feedback interface able to sense limits or shape changes of objects from virtual environment in the future.

Le manque de retour tactile est un problème important pour les écrans tactiles actuels. Sans retour tactile, les utilisateurs doivent compter sur leur sens visuel pour interagir avec les écrans. En conséquence, les performances en interaction des utilisateurs sont détériorées et la charge de travail visuel est très importante. Cette thèse présente la conception et l’évaluation d’un dispositif à retours de force et tactile pour améliorer l’interaction avec les écrans. Le dispositif est composé d’un retour d’effort à câbles et d’un retour tactile basé sur l’effet « squeeze film ». Le système à câbles comporte 4 câbles pour appliquer des efforts sur un ou deux doigts, grâce au contrôle de la tension des câbles. Il peut fournir du retour d’effort à l’utilisateur lorsque celui-ci attrape un objet virtuel et interagit avec d’autres objets. Le système à retour tactile est basé sur la réduction contrôlée du frottement d’une surface par effet « squeeze film ». Nous en proposons une modélisation analytique pour estimer la consommation énergétique ; nous avons utilisé ce modèle pour concevoir un stimulateur tactile large (198mm x 138mm) équipé de peu de piézo-céramiques pour sa mise en vibration, afin de diminuer la consommation. Ces deux systèmes peuvent être utilisés séparément et aussi de façon couplée pour fournir les deux retours simultanément lorsque l’utilisateur touche une surface. Le système haptique complet a été évalué sur la simulation d’une frontière. Par comparaison avec la configuration habituelle (retour d’effort seul), le dispositif haptique complet permet une amélioration de la stimulation en laissant percevoir la frontière de façon plus raide et plus nette. / The lack of haptic feedback is a significant problem of current touch screens. Without haptic feedback, users have to rely almost entirely on visual feedback to operate on a touch screen. As a result, users’ performance is deteriorated and users’ visual workload is increased. Adding tactile feedback to touch screens has shown to be a promising solution to address this problem. However, the force feedback in interactions with virtual objects on touch screens is not provided. This thesis presents the design and evaluation of an integrated haptic device for enhancing interactions on touch screens. The device consists of a cable-driven force feedback device and a squeeze film based tactile device. The cable-driven force feedback device uses four cables to provide force feedback to one finger or dual fingers through controlling the cable tensions. It can provide force feedback when the user clicks a button, grasps an object and interacts with other objects. The tactile device is based on the squeeze film effect to reduce the friction coefficient on the touch surface. We propose an accurate model to analyze the power consumption of the device and use the model to develop a large area (198 mm × 138mm) tactile device with very few piezoceramics and low power consumption. Each of these two devices can be used individually and the integrated device is able to provide simultaneous force feedback and tactile feedback on a touch surface. The coupled haptic feedback has been evaluated through simulating a boundary. As compared with a single type of haptic feedback (e.g. force feedback), the coupled haptic feedback enhances the simulation by making the boundary stiffer and crisper.

Ce travail de recherche s'intéresse à l'utilisation d'actionneur piézoélectrique à onde progressive dans le cadre d'un contexte de retour d'effort comme un choix alternatif par rapport à l'actionneur électromagnétique utilisé très souvent dans le domaine haptique. Ainsi, à partir d'une étude sur les caractéristiques dynamiques et mécaniques du moteur USR30, on a proposé un modèle global en GIC qui prend en compte les phénomènes non linéaires intrinsèques dans le moteur. En inversant ce modèle de GIC, on arrive à valider deux types de commande à retour d'effort, enfin, en présentant les résultats expérimentaux à base de la plateforme de 1ddl de digitracker, la réalisation d'un environnement virtuel qui comprend un ressort et un mur virtuels devient possible. / This research work is interested in the use of travelling wave ultrasonic motor within the framework of a context of force feedback as an alternative choice with regard to the electromagnetic motor which is often used in the haptic domain. So, from a study on the dynamic and mechanical characteristics of the motor USR30, we proposed a global model in GIC who takes into account the intrinsic not linear phenomena in the motor. By inverting this model of GIC, we manage to validate two types of control in force feedback; finally, by presenting the experimental results based of the platform of 1ddl of digitracker, the realization of a virtual environment which includes a virtual spring and a virtual wall becomes possible.

L'objectif de cette thèse est d'évaluer l'intérêt d'une nouvelle interface de commande pour fauteuil roulant électrique, un joystick à retour d'effort, destinée à des personnes handicapés moteurs ayant des difficultés à contrôler classiquement leur fauteuil. Ce joystick devra être implémenté sur un fauteuil « intelligent » muni de capteurs télémétriques. Le retour d'effort est calculé en fonction de la proximité des obstacles et aide l'utilisateur sans le contraindre à se diriger vers la direction libre. Le premier chapitre du mémoire est une étude bibliographique portant sur les fauteuils « intelligents », sur les modes de commande en téléopération, sur les interfaces haptiques en robotique et sur la modélisation des tâches de pilotage. Le second chapitre décrit la conception d'un simulateur de pilotage de fauteuil destiné à tester des fonctionnalités nouvelles. Le troisième et dernier chapitre porte sur un ensemble de résultats expérimentaux visant à conclure sur l'intérêt du retour d'effort pour le pilotage de fauteuils électriques et sur le choix de son algorithme de calcul. Les paramètres testés sont notamment la configuration de l'environnement (couloir, passage de porte, espace libre, …) et la cinématique du fauteuil (traction avant, traction arrière) / The objective of this thesis is to evaluate the interest of a new control interface for powered wheelchairs, a force feedback joystick, intended for people with severe motor disabilities which have difficulties to pilot their wheelchair in an usual way. This joystick will have to be implemented on a "smart" wheelchair provided with telemetric sensors. The force feedback is calculated according to the proximity of the obstacles and assists the user, without forcing him, to move towards the free direction. The first chapter of the report is a state of the art on the smart wheelchairs, on the control modes in teleoperation, on the haptic interfaces in robotics and on the modelling of piloting tasks. The second chapter describes the design of a simulator of wheelchair piloting intended to test new functionalities. The third and final chapter relates to a set of experimental results aiming at concluding on the interest of the force feedback for wheelchair piloting and on the choice of its calculation algorithm. The parameters tested are in particular the configuration of the environment (corridor, doors passages, free space …) and the kinematics of the wheelchair (front-wheel drive, rear-wheel drive)

Le développement de interaction homme-machine aide les utilisateurs à travailler de manière plus efficace. Les technologies traditionnelles ne peuvent plus satisfaire les nouveaux besoins des applications variées. Enenvironnement 2D WIMP, les périphériques d'entrée isotonique combinés avec un contrôle en position tels que les souris ou touch-pad, souffrent de débrayages qui prennent du temps et rendent l'interaction moins lisse. C'est pire encore lors de l'utilisation d'un petit périphérique avec un grand écran. Les interactions 3D attirent l'attention de nombreux chercheurs. Toutefois, les techniques existantes qui permettent à la fois la navigation et de manipuler les objets ne sont pas naturelles ni suffisamment efficaces pour être totalement acceptées par les utilisateurs. De nouveaux périphériques d'entrée et des techniques d'interaction doivent être proposées afin d'améliorer la qualité de l'interaction. Dans cette thèse, nous proposons deux périphériques d'entrée composés d'une zone isotonique avec un contrôle en position et une zone élastique avec un contrôle en vitesse; La première méthode RubberEdge est une méthode en 2D pour réduire le débrayage et la seconde méthode Haptic Boundary est une méthode 3D qui rend plus efficace les manipulations d'objets et l'exploration de l'environnement virtuel. Pour RubberEdge, nous avons adopté la simulation de rotation d'un disque et un traitement mathématique dans sa fonction de transfert pour garantir un passage lisse du contrôle en position au contrôle en vitesse. Une évaluation d'une tache de sélection en 2D a été réalisée. Le résultat a montré que RubberEdge est 20% plus performant que le contrôle en position. Nous avons ensuite proposé deux modèles prédictifs pour le temps de sélection pour le contrôle en position ainsi que le contrôle hybride de RubberEdge. Nous avons présenté également une mise en oeuvre de RubberEdge pour ordinateur portable. Haptic Boundary permet des manipulations d'objets précises dans sa zone isotonique et la manipulation de la caméra sur sa paroi. Deux types de retour d'effort ont été adoptés pour fournir des mouvements de caméra plus riches et pour éviter un passage de mode explicite qui pourrait augmenter la charge mentale des utilisateurs. La taille et la forme de la zone isotonique ont été choisies avec soin afin de maximiser les avantages du contrôle en vitesse de deux types de retour d'effort. Une évaluation de la tache du montage d'une voiture virtuelle est réalisée. L'expérience a montré que Haptic Boundary est 50% plus performant que l'interface uni-manuelle avec un changement du mode explicite. Après analyse des résultats, un mode d'inspection en orbite est mis en place pour améliorer l'usage de l'Haptic Boundary. / The development of human-computer interaction technologies help people to work more efficiently. Meanwhile, traditional technologies could not fulfill the new born requirements in diverse situations. ln 2D WIMP environment the popular isotonic position control device, such as mouse, touch pad, suffers from clutching which is time-consuming and makes the interaction less smooth. lt is getting worse when using a small input device to interact with a larger screen. 3D interactions attract attentions of many researchers. However, the existing techniques allowing both object and view manipulations are not natural or efficient enough to be totally accepted by users. New input devices and corresponding interaction techniques should be proposed to improve the interaction quality. ln this thesis, we propose two techniques based on isotonic-position and elastic-rate control spaces: 2D RubberEdge for reducing the clutching and 3D Haptic Boundary for efficient object manipulations and exploration in VE. For RubberEdge, we adopted a simulation of the ration of a disc, and a mathematical treatment in its mapping function to guarantee a smooth switch between position and rate control. An evaluation of a 2D selecting task was performed. The result showed that RubberEdge outperforms position-only control by 20%. We then proposed two predictive models for selection time with position-only control and with the hybrid control of RubberEdge. We also presented the first RubberEdge prototype for laptop touchpad. Haptic Boundary allows precise object manipulations inside its isotonic zone and camera manipulation on its boundary. Two kinds of force feedbacks were adopted to provide richer camera motions and to avoid the explicit mode switch which greatly increases user's mentalload. The shape and size of isotonic zone is carefully chosen to maximize the benefit of the rate control with both two force feedbacks. An evaluation of car assembling task was performed. The result showed that Haptic Boundary outperformed the unimanual interface with explicit switch by 50%. After analyze the experiment result, the orbiting inspection is combined to enhance the applicability of Haptic Boundary.

Au cours des dernières décennies, les environnements virtuels se sont de plus en plus répandus et sont largement utilisés dans de nombreux domaines comme, par exemple, le prototypage, la formation à l’utilisation de différents outils/appareils, l’aide à la réalisation de tâches difficiles, etc. L’interaction avec la réalité virtuelle, ainsi que le retour d’effort, sont assurés par des interfaces haptiques. En général, ces systèmes sont affectés par des retards de communication et de traitement, entraînant une détérioration des performances. Dans cette thèse, une étude complète des méthodes existantes, les outils théoriques et de nouvelles solutions sont proposés dans le cadre de l’haptique. Dans un premier temps, une étude comparative, fondée sur des résultats expérimentaux obtenus sur un système haptique à un degré de liberté, met en évidence les avantages et les inconvénients des algorithmes de commande les plus classiques, transposés du domaine de la téléopération à l’haptique. Sont ensuite examinés les outils théoriques nécessaires à l’analyse de la stabilité des systèmes à retard selon différentes situations, tenant compte des limites physiques des plates-formes expérimentales considérées. En plus du cas classique du retard constant, des incertitudes sont également considérées et modélisées par plusieurs types de distributions (distribution uniforme, normale et gamma avec gap). Finalement, pour surmonter les inconvénients liés aux retards, deux nouvelles approches sont proposées. Tout d’abord, la commande de type prédicteur de Smith est reprise et une solution spécifique pour les systèmes haptiques est mise en oeuvre. L’idée principale consiste à introduire dans le prédicteur de Smith les forces liées à l’environnement en utilisant les informations complémentaires issues de la réalité virtuelle, en ce qui concerne les distances entre l’objet virtuel piloté et d’autres objets présents dans la scène. Pour surmonter la perte de performances induite par l’utilisation d’un gain fixe dans les correcteurs, commun à toutes les situations (mouvements libres ou restreints), la seconde approche propose un correcteur Proportionnel Dérivé incluant une stratégie de séquencement de gain en fonction de la distance jusqu’à une éventuelle collision. Les deux approches sont validées expérimentalement sur une plateforme haptique à trois degrés de liberté, pour différents scénarios de complexité progressive, partant de situations avec des mouvements simples - libre et restreints, des contacts avec des objets en mouvement, pour arriver à des situations plus complexes - boîte virtuelle avec des murs fixes ou mobiles. / During the last decades, virtual environments have become very popular and are largely used in many domains as, for example, prototyping, trainings for different devices, assistance in completing difficult tasks, etc. The interaction with the virtual reality, as well as the feedback force, is assured by haptic interfaces. Generally, such systems are affected by communication and processing time-delays, resulting in a deterioration of performances. In this thesis, a complete study of the existing methods, as well as theoretical tools and new solutions, are proposed for the haptic framework. First, a comparative study, based on the experimental results obtained on a 1-dof haptic system, highlights the advantages and drawbacks of the most common control algorithms ported from teleoperation to haptics. Next, the theoretical tools needed in analyzing the stability of the delayed systems in different situations, as well as the physical limitations of the experimental platforms considered, are examined. Besides the standard case of constant time-delays, uncertainties are also considered and modeled by different types of distributions (uniform, normal and gamma distribution with gap). In the sequel, for overcoming the drawback of time-delays, two new approaches are proposed. First, the use of Smith predictor-based control is addressed and a specific solution for haptic systems is developed and discussed. The main idea is to introduce into the Smith predictor the environmental forces by using the additional information from the virtual reality regarding the distances between the controlled virtual object and other objects in the scene. To overcome the loss of performances induced by using a fixed gain in the controllers for all situations (free or restricted motions), the second approach proposes a gain-scheduling Proportional Derivative control strategy depending on the distance until a possible collision. Both approaches are experimentally validated on a 3-dof haptic platform, under different scenarios elaborated gradually from simple situations - free and restricted motion, contacts with moving objects, to more complex situations - virtual box with fixed or moving sides.

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.

Les interactions physiques comportent divers gestes dextres et sont sources d’échanges d’informations très variées. Différentes interfaces haptiques ont été développées pour reproduire ces mouvements dextres et ces interactions. Cependant il est impossible actuellement de concevoir une interface simulant tous les types d’interactions avec un retour haptique réaliste. Je propose d’identifier les interactions les plus importantes et les zones de la main les plus intéressantes à stimuler, et ensuite d’étudier comment associer certains dispositifs pour améliorer le ressenti de l’utilisateur. Il semble intéressant de développer une interface se concentrant sur : la transition entre les mouvements de l’utilisateur en espace libre et au contact d’un objet, le retour d’effort, et enfin la déformation locale et globale de la pulpe, et ce sur 4 zones : les phalanges distales du pouce, de l’index et de l’annulaire, et le côté extérieur de l’index. Afin de rendre cela réalisable dans le cadre d’une thèse, j’ai entrepris de développer une interface à retour d’effort à contacts intermittents sur le pouce et l’index, tout en prenant en compte l’ajout futur d’un retour plus complet. Pour cela, j’ai tout d’abord élaboré un effecteur instrumenté permettant d’acquérir, sans contact, la position de la dernière phalange d’un doigt en 6D. Puis j’ai dimensionné une interface de type gant à deux doigts, capable de déplacer, en 6D, ces effecteurs dans l’ensemble de l’espace de travail des doigts et de générer un retour d’effort quand cela est nécessaire. Enfin j’ai étudié la commande de ce système lors de ses différentes phases de fonctionnement et ses performances ont été évaluées. / Physical interactions involve highly dexterous movements and exchanges of diverse information. Numerous haptic interfaces were developed with the aim to reproduce these dexterous gestures and each of these interactions. However, it is technically impossible to date to design an interface simulating all of them with a realistic haptic feedback.I propose to identify the most important interactions and the hand areas the most interesting to stimulate, and then to study how associate different devices to improve the feeling of an operator. I decided to focus on: the transition between user’s movements in free space and in contact with an object, force feedback, and finally local and global deformation of the fingers’ pulp, with an emphasis on the four following areas: distal phalanges of the thumb, index and middle finger, plus the external side of the index finger. To make this possible during a PhD, I finally decided to focus on an intermittent contact force feedback interface for the thumb and index fingers, by taking into account the future integration of more complete feedback. Therefore, I first developed instrumented end-effectors able to remotely measure the 6D configuration of the distal phalanx of the fingers without any contact with them. Then I dimensioned and designed a glove-type haptic interface with two fingers. This device allows controlling the position and orientation of the intermittent contact end-effectors in 6D throughout the whole fingers workspace. It is also able to generated force feedback when necessary. Finally, I studied the control laws of this interface in all its operating phases and its performances were evaluated.

Ce travail propose de nouvelles structures de contrôle pour la téléopération bilatérale à travers des réseaux de communication non dédiés. L'enjeu est donc de concevoir et calculer des structures de commande garantissant la stabilisation et un bon degré de performance en termes de synchronisation (suivi des positions et vitesse) et de transparence (ressenti des forces) sous les retards variables et asymétriques.Nous faisons tout d'abord un tour d'horizon des recherches récentes dans le domaine des systèmes de téléopération et de leurs caractéristiques. Puis, nous considérons des modèles linéaires à plusieurs retards variables pour lesquels nous proposons une approche d'analyse de stabilité par fonctionnelles de Lyapunov-Krasovskii et contrôle robuste H [infinity symbol . Ensuite, trois structures de téléopération seront proposées en temps continu, la comparaison de ces architectures montre que, pour un retard de réseau maximum donné ou calculé, toutes garantissent un suivi de position et vitesse. Les deux dernières, qui utilisent les forces mesurées ou estimées de l'opérateur humain et de l'environnement, garantissent de plus un suivi en force. Au final, la troisième structure (avec proxy) présente la meilleure performance, même si elle demande un peu plus de calcul. Puis, afin d'analyser et d'améliorer les performances de la troisième structure pour des modèles encore plus réalistes, une étude est menée en temps discret, mais aussi sur un modèle non linéaire ou non stationnaire sous perturbations bornées en norme. L'implantation sur la plate-forme est décrite dans un quatrième et dernier chapitre, et puis l'analyse des résultats expérimentaux est alors menée

Pour rendre compte physiquement de la manipulation d'un objet virtuel dans l'espace ou sur un plan, la plupart des dispositifs haptiques actuels font appel à des actionneurs à un seul degré de liberté, dont les actions sont couplées par diverses liaisons mécaniques (type pantographe). La technologie piézoélectrique est une solution avantageuse dans ce domaine d'utilisation, pour son important effort massique, le travail à faible vitesse, et surtout la capacité à motoriser plusieurs degrés de liberté à partir d'un seul actionneur. Pour cette raison, un translateur piézoélectrique plan à onde stationnaire est étudié. Un modèle simplifié est élaboré pour offrir une interprétation globale des phénomènes de contact. Il est établi selon le formalisme du graphe informationnel causal qui met en évidence deux asservissements applicables au domaine haptique : un retour d'effort actif par le contrôle en force, et une solution alternative comparable à un embrayage, qualifié de retour d'effort dissipatif.