Introduction à l'haptique

Qu'est-ce que l'haptique ?

L'haptique concerne l'étude du sens du toucher, au sens large. On peut décomposer notre interaction avec des objets par le biais de notre main par exemple, de la façon suivante:

Le sens kinésthésique: c'est la sensation des forces. Notre système moteur nous informe en permanence de la position de notre bras, ainsi que des efforts que nous effectuons pour le mouvoir. Lorsque nous effectuons un effort mais que notre bras ne bouge pas, nous avons une sensation de force. C'est pas exemple le cas lorsque nous appuyons notre bras sur une table.
Le sens tactile: c'est la sensation des textures. Au bout de nos doigts (et plus largement sur notre peau), nous possédons des capteurs de pression qui nous donne une information sur le relief de l'objet. C'est ce qui nous permet de différencier facilement un objet lisse d'un objet rugeux, par exemple.
Le sens thermique: c'est la senstation de froid ou de chaleur. Cette sensation nous renseigne sur deux points: tout d'abord, la température de l'objet par rapport à notre doigt (quand notre doigt est froid, les objets nous paraissent plus chauds). Ensuite, la nature de l'objet. Même si un morceau de bois et un morceau de métal sont à la même température, nous les percevons différement. Pour nous, le métal est plus “froid” que le bois.

Ces différents sens sont encore mal connus, par exemple, quelle est notre capacité à distinguer les objets uniquement par leur caractéristiques thermiques ? Est-ce que la vision est plus, ou moins importante que ce l'on ressent avec nos doigts pour connaitre un objet ? Ces aspects impliquent aussi l'étude de l'humain, afin d'indentifier nos forces et nos faiblesses concernant le sens du toucher, ce qui permet de les exploiter ensuite (par exemple en utilisant des illusions). C'est lors de cette phase d'étude que l'infohaptie prend toute sa dimension. Nous allons maintenant examiner comment chacune de ces senstations peut-être rendu avec les moyens actuels.

Le sens kinéthésique (le “retour d'effort”)

Image d'un phantom
Exemple de bras haptique

C'est, de loin, le sens qui a suscité de part le monde le plus de travail de recherche. La raison en est double: tout d'abord, c'est le sens le plus pratique, c'est celui qui nous sert à mouvoir les objets. Ensuite, c'est aussi le plus facile à restituer, puisqu'il suffit de contraindre l'utilisateur (en ce sens, une table pourrait être un dispositif haptique extrèmement primitif, puisqu'elle empêche d'aller en dessous). Cela est fait par l'intermédiaire de bras motorisés, à l'instar des bras de robots. Ces bras permettent de restituer des forces, en trois (uniquement les translations) ou en six dimensions (les translations et les rotations).

Principaux dispositifs kinéthésiques

Image d'un gant haptique
Exemple de gant haptique

Le leader international des bras haptiques s'appelle Sensable. Ils produisent le Phantom (Phantom Desktop, Phantom Omni) qui est assez répandu dans les milieux de recherche.
Un autre constructeur de dispositif, Haption produit des bras haptiques plus gros (plus d'espace de travail), mais moins performants. Leur API est aussi plus jeune, ce qui entraîne des difficultés d'intégration.
Il existe aussi des gants haptiques, qui permettent de ressentir les efforts que l'on a en saisissant un objet.
Pour finir, nous avons dans notre environnement de nombreux dispositifs kinéthétiques : manettes de jeu vidéos vibrantes, joysitcks/volants à retour d'effort. En général, le but premier de ces dispositifs n'est pas la fidélité mais un coût pas trop élevé.

Réalisation d'un dispositif kinéthésique

La difficulté dans la réalisation des dispositifs haptique résident dans leur poids: en effet, il n'est pas admissible que l'effecteur (le bout final) “pèse” dans la main de l'utilisateur, cela nuit à la sensation de transparence. La transparence traduit le fait que quand dans le monde virtuel il n'y a pas de force, dans le monde réel la main ne doit pas ressentir non plus d'effort ni de gène au déplacement. Si le dispositif est trop lourd, il aura une inertie et par là même l'utilisateur devra faire un effort pour le mouvoir. De plus, de la part de la consitution de la plupart des bras, si le bout est lourd, afin d'excercer un effort en bout, il faudra des moteurs plus puissants à la base. Cela amène les constructeurs de bras haptiques à imaginer des systèmes permettant de faire passer les forces dans le bras en gardant le plus gros des moteurs dans la base. Cela est fait le plus souvent avec un système de cable, ou un système pneumatique.

Utilisation d'un dispositif kinéthésique

Un dispositif kinéthésique s'utilise en commandant les moteurs actionnant les différents axes du bras. Ces moteurs permettent de tourner, et donc par là même d'effectuer des efforts en rotations. En connaissant le modèle géométrique du bras, il est possible de calculer quelles consignes affecter aux différents moteurs pour obtenir des forces dans un environnement cartésien (x,y,z). Cela est encapsulé dans l'API (Application Programming Interface) du bras haptique.

Le sens tactile (“la texture”)

Exemple de matrice tactile

Le sens tactile a vu, ces dernières années, un regain d'intérêt. On y voit un moyen de faire passer des informations plus fines qu'avec le sens kinéthésique, et peut avoir des applications dans la téléopération (pour permettre de sentir des textures à distance). La difficulté de la simulation de texture vient du fait que la surface et les forces à simuler sont à petite voire très petite échelle, cela est donc d'autant plus difficile pour constuire un système capable de le simuler.

Principaux dispositifs tactiles

A l'heure actuelle, la plupart des dispositifs tactiles sont inertes, c'est à dire qu'ils ne bougent pas ou peu (de manière macroscopique), ce qui en limite énormément l'intérêt. Certains dispositifs à base de petit pics existent, mais procurent des sensations assez échelonnées.

Réalisation d'un dispositif tactile

La recherche en est encore à ses balbutiements concernant les dispositifs tactiles. Il se pose notamment une question: l'information tactile est-elle perçue en tant que vibration (donc dans le domaine de la fréquence), ou bien d'une autre manière (capteurs de pression...) ? De plus, nous ne ressentons pas nécéssairement la même chose, selon que l'on fait glisser notre peau sur un objet, ou bien que nous appuyons simplement dessus. Les études récentes dans ce domaine incluent des dispositifs en fréquence (qui vibreraient à la bonne fréquence, donnant “l'illusion” d'une surface bosselée. Les dispositifs à même de réaliser cela pourraient être les piézo-électriques. D'autre part, des actionneurs à base de polymères pourraient se montrer prometteurs.

Applications d'un dispositif tactile

Si les dispositifs tactiles se font attendre, les applications les concernant sont nombreuses, dans le domaine du handicap visuel, notamment. La possibilité de simuler une surface permet aussi de réaliser de la téléprésence, et d'utiliser les compétences uniques de l'homme plutôt que les systèmes décisionnels d'un robot, qui peuvent se montrer limités.

Le sens thermique (la “chaleur”)

Dispositif Peltier

Si le sens thermique n'a pas éveillé l'interêt de beaucoup de personnes jusqu'alors, c'est qu'il n'est pas certain que celui-ci soit d'une grand précision, d'une part, et que d'autre part, nous ne l'utilisons que rarement à des fins “utiles”. Pourtant, les sensations thermiques véhicules certaines informations, par exemple quelque chose de tiède est généralement perçu comme “agréable”, alors que quelque chose de brûlant nous avertira d'un danger. Ces informations peuvent être utilisées afin de transmettre un message, même sans rapport avec un matériau réel. Bien entendu, des dispositifs thermiques plus fins permettent de transmettre plus d'information, voire de donner l'illusion de matériaux réels.

Principaux dispositifs thermique

Il n'existe pas à l'heure actuelle, de dispositif thermique. En fait, la théorie sur la sensation thermique chez l'homme est encore à compléter. Toutefois, il existe un élément incontournable dans la réalisation d'un tel dispositif, il s'agit d'un module à effet Peltier. C'est un processus qui permet, en injectant un courant électrique dans un sens ou dans un autre, de créer un flux thermique. Ce flux thermique permet de créer du chaud et du froid, ceci dans un seul dispositif qui se pilote facilement.

Réalisation d'un dispositif thermique

La réalisation d'un dispositif thermique réactif est très délicate, en effet les phénomènes thermiques ont une forte latence (retard), il faut donc contrebalancer ces effets. La partie commande est primordiale, il faut connaître les bonnes commandes à envoyer au bon moment afin de simuler correctement un matériau. Les dernières avancées dans ce domaine sont en passe de réussir ce défi. Il sera donc possible, dans un futur proche, de simuler, et ainsi de mieux comprendre, les sensations thermiques que nous procurent un matériau à une certaine température.