Mots Clés : Haptique, Réalités Virtuelles, Interaction gestuelle, Identification
Employeur : INPG ( Institut National Polytechnique de Grenoble)
Pays d’exercice : France
Ville : Grenoble
Salaire mensuel : 1711 brut
Durée : 3 ans
Date de démarrage : 2007-11-01
Cadre institutionnel :
La thèse s’inscrit dans le cadre du projet « Couplage dynamique Personne–Systeme Haptique » soutenu par la Région Rhône-Alpes. Elle est co-encadrée par les laboratoires ICA-ACROE de l’INPG et GIPSAlab département Automatique de l’INPG et del’UJF (Université Joseph Fourrier Grenoble)
Contexte scientifique et problématique.
Dans les systèmes de réalités virtuelles un nouveau mode d’interaction personne-système est apparu ces dernières années avec l’usage de systèmes à retour d’effort et de la simulation multi-sensorielle interactive. La raison profonde de cette nouveauté est la nécessité d’introduire une relation tangible – physique - avec les objets du monde calculé appelés “objets virtuels”, à l’image de celle en oeuvre dans la manipulation d’objets réels. D’où un dévelopement rapide de la technologie des interfaces haptiques et l’intérêt grandissant suscité par la modalité haptique dans le domaine des recherches en psycho-physique.
Le projet est centré sur l’analyse et la modélisation de l’interaction main/interface haptique. C’est une question fondamentale tant pour le développement d’interfaces haptiques de qualité que pour leur utilisation dans des tâches dynamiques où la modalité haptique joue un rôle crucial. En effet, la puissance de l’action manuelle – les contrôles fins qu’elle autorise ainsi que de nombreux effets dynamiques – ne peuvent s’expliquer que par l’analyse d’un système dynamique main-objet considéré comme un tout et non seulement de celle des parties inter-agissantes. Citons quelques tâches qui ne pourraient s’expliquer sans cela : la maîtrise d’un frottement avec des adhérences et collages imprédictibles liés aux états du système dynamique main-objet, le maintien de l’équilibre du doigt dans des tâches d’exploration d’objets manufacturés présentant des arêtes vives, donc des transitoires importants, ou la télé-manipulation précise de nano-objets présentant des interactions physiques fortement non-linéaires. Le projet vise à attaquer cette question au niveau préalable de recherche fondamentale. Il s’agit d’aboutir à des premiers modèles fonctionnels et quantifiés de l’ensemble main- objet et main -interface haptique considéré comme un seul système dynamique et ce pour un certain nombre de situations d’interaction main objet basiques et génériques.
Les partenaires impliqués sont deux laboratoires ICA et GIPSA-Lab dépt. Automatique (ex. LAG) (INPG, UJF) aux compétences complémentaires pour aborder ce problème scientifique. Le premier est spécialiste dans la conception d’interfaces haptiques permettant de manipuler des effets physiques complexes, en particulier à forte dynamique. Le second est spécialiste des méthodes et outils de l’automatique en matière de modélisation et analyse des systèmes dynamiques par identification.
Objectif visés :
Dans les sciences de l’haptique
• Proposer un nouveau cadre méthodologique pour la spécification des simulateurs haptiques fondé sur les propriétés du système hybride main-objet et main-interface haptique.
• Valider expérimentalement les hypothèses préalables à cette approche et qui touchent à l’analyse du couplage personne objet.
• Proposer une validation pratique de l’approche pour un certain nombre de situation d’interaction typiques en réalités Virtuelle et par leur mise en œuvre sur un système haptique à hautes performances.
Dans les sciences de l’automatique et de l’identification des systèmes
• Proposer un nouveau cadre méthodologique en provenance de l’automatique (modélisation dynamique non-linéaire, multi-modèle, identification en boucle fermée) pour la connaissance de l’humain en couplage avec les objets.
• Expérimentation des modèles dynamiques de l’humain dans un ensemble de situations exemplaires.
• Proposer des méthodes de commande basées sur la connaissance des modèles du couplage homme/objet d’une part et des modèles de l’interface haptique d’autre part, afin d’améliorer les performances des systèmes haptiques actuels.
• Enrichir l’ensemble des domaines d’applications de l’automatique (actuellement tournées principalement vers les systèmes ou objets physiques en boucle fermée avec une machine ou un ordinateur) avec cette nouvelle perspective d’inclure l’humain dans la boucle d’interaction / contre-réaction avec l’objet.
Les étapes de la thèse :
1) Synthèse sur l’état des connaissances concernant le couplage dynamique homme-objet vu sous l’angle de différentes disciplines : automatique, science des systèmes haptiques, sciences humaines de la cognition, perception et sensori-motricité.
2) Sélection de tâches représentatives de la nécessité du couplage dynamique main-objet.
L’objectif de cette étape est de définir quelques situations exemplaires qui seront l’objet des expérimentations et des analyses dans la suite du projet.
3) Implantation puis validation expérimentale des modèles de taches exemplaires sélectionnées. Ces modèles seront implantés sur la plateforme de réalités virtuelles à retour d’effort du laboratoire ICA qui est basée sur le simulateur haptique ERGOS dont les performances élevées (fréquence de calcul = 44kHz, réactivité 25us) sont nécessaire pour ce type d’expérimentation.
4) Proposition de modèles théoriques fonctionnels du système main-interface haptique, à partir des mesures faites sur le simulateur. Identification des paramètres de ces modèles à l’aide de méthodes adéquates d’identification de systèmes dynamiques bouclés qui auront été préalablement étudiées et mise en œuvre.
5) Proposition d’orientations pour comprendre les paramètres critiques des systèmes haptiques afin d’en améliorer les performances.
Outre le mémoire final, les résultats du projet feront l’objet de différents rapports intermédiaires à diffusion limitée et de publications dans des conférences ou revues.
Bibliographie :
Interaction haptique.
Cadoz. C. « Continuum énergétique du geste au son : simulation multi-sensorielle d’objets physiques » dans « Les interfaces pour la creation musicale ». Hermès Paris 1999.
Yvette Hatwell, Arlette Steri et Edouard Gentaz. Editors. “Touching for knowing : Cognitive Psychology of Haptic Manual » Advances in Cognitives Researches N°53 , 2003
Varela F., Thompson E., Rosch E., The Embodied Mind: Cognitive Science and Human Experience. Cambridge, MA: MIT Press,1991.
Simulateurs et interfaces haptiques
Florens, J.L, Voda,A.,Urma D., Dynamical issues in interactive representation of physical objects, EuroHaptics 2006, 2006/07/03-2006/07/06 Paris France(2006)
Florens, J. and al., ERGOS : Multi-degrees of Freedom and Versatile Force-Feedback Panoply, EuroHaptics 2004, 2004/06/05-2004/06/07, Munchen, Germany (2004)
Florens, J., Cadoz, C., Luciani, A., A real-time workstation for physical model of multi-sensorial and gesturally controlled instrument, ICMC 98, 1998 (1998)
Taches exemplaires
Cadoz, C. and al., Artistic creation and computer interactive multisensory simulation force feedback gesture transducers, NIME 2003, 2003/05/21-2003/05/25, Montréal (2003)
Florens, J., Real-time bowed string synthesis with force feedback gesture interaction, forum Acusticum, 2002/09, Séville (2002)
Marlière, S. and al., Touching nanospace : Atomic Force Microscope coupling with a force feedback manipulation system, STM 03 (Scanning Tunneling Microscopy), 2003/07/21-2003/07/25, Eidhoven, Netherlands (2003)
Identification
Namvar M., Besançon-Voda A. A Near Optimal algorithm for HINF identification of fixed order rational models. International Journal of Control, Vol. 74, n°13, pp.1370-1381, 2001.
Co-édition d’un ouvrage collectif : Identification des systèmes sous la direction de I.D. Landau et Besançon-Voda A., Traité IC2 – Systèmes Automatisés, Ed. Hermès, Paris, 2001, 384p., ISBN : 2-7462-0220-4.
Besançon-Voda A. Identification des systèmes. Chapitre (pp. 239-273) dans Modélisation et Commande des Systèmes, sous la direction de G. Dauphin-Tanguy, L. Foulloy, D. Popescu, Edition de l’Académie Roumaine, Bucarest, 2004, 580 pages, ISBN 973-27-1086-A.
Contacts :
Jean-Loup FLORENS (0476574670) florens@imag.fr, Alina VODA alina.voda@inpg.fr.
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