Introduction

La difficulté de la conception de l’interfaçage haptique pour interagir avec des environnements de synthèse (rendu haptique en réalité virtuelle), réels ou mixtes (rendu haptique en réalité augmentée) réside dans le fait que ce sens soit « actif ». Quotidiennement, l’acquisition de l’information haptique (notamment tactile) se fait durant l’interaction physique (contact) entre l’homme et son environnement. Le fonctionnement perceptif haptique (notamment kinesthésique) est intimement associé à la fonction motrice chez l'être humain, et à des caractéristiques particulières qui le distinguent des autres modalités perceptives. Concevoir une interface haptique, capable de restituer fidèlement les phénomènes haptiques, requiert un support matériel et une approche de conception spécifiques. Ceci est par exemple différent de la vision ou de l’audition pour lesquelles le prélèvement d'information ne modifie pas physiquement son support (respectivement écran ou écouteurs). La matérialisation de l’interfaçage haptique nécessite donc des modules actifs capables de contraindre le mouvement de l’opérateur ou de stimuler ses capteurs haptiques (mécanorécepteurs par exemple). Comme pour l’interfaçage visuel et auditif, les connaissances sur la perception haptique permettent d’optimiser et d’améliorer la conception de l’interfaçage haptique. Toutefois, la perception haptique met en jeu des phénomènes psychophysiques et physiologiques complexes et encore mal compris d'échange d'informations de natures physiques diverses entre l'homme et les objets de son environnement.

L’interfaçage haptique est connu depuis longtemps dans les applications de téléopération en robotique, de conduite automobile (les forces d’interaction roues/sol transmises au volant du conducteur), de pilotage d’avions (manches à retour d’effort). Ce n'est cependant qu'avec l'arrivée des techniques de réalité virtuelle et l'éventail d’applications particulières qu’elles apportent, que l'on a pris conscience de la problématique de « l’interfaçage haptique » et que l'on s'est aperçu de l'importance majeure des retours sensoriels autres que le retour visuel. Si la vision permet d'interpréter une partie importante des phénomènes et joue de ce fait un rôle essentiel dans le contrôle des systèmes, le sens haptique, qui inclut la perception des efforts et du toucher, y tient probablement une place non négligeable, par le rôle qu'il joue dans toute manipulation physique.
Dans le problème posé par la mise en œuvre de l'interfaçage haptique entre un utilisateur et un environnement informatisé, nous distinguons trois parties fortement liées et étroitement interdépendantes, (voir Figure 1) :

• le système matériel de manipulation;
• le système informatique;
• le système de relation entre le système mécanique et le système informatique.

Ainsi, il apparaît clairement que la problématique théorique posée par l'interfaçage haptique concerne à la fois l'informatique, l'automatique et la mécatronique. Par ailleurs, comme l'homme est dans la « boucle » du système d’interfaçage complet, la psychophysique ainsi que les aspects de la perception et de la physiologie liés à l'haptique doivent guider les choix et les développements de l'interfaçage dans sa globalité et concernent donc les trois aspects précédemment définis. En effet, il s'agit d'établir les bases pour l'interconnexion d'un opérateur humain, avec soit un environnement virtuel de nature discrète, soit un environnement réel ou mixte de nature continue, via des dispositifs mécatroniques actifs. Il apparaît donc clairement que l’interfaçage haptique nécessite une approche pluridisciplinaire.

On entend par système matériel, toute interface matérielle active ou passive nécessaire pour restituer avec une bonne fidélité les informations haptiques de l'environnement virtuel vers l'opérateur, et pour transmettre les intentions d'action de l'opérateur vers l'environnement virtuel. Ce transfert bilatéral de données est réalisé par le système de communication grâce à « l'aspect liaison ». Restituer une force ou, de manière équivalente, contraindre le mouvement de l'opérateur, nécessite une interface active, c'est à dire motorisée.

Cependant, les travaux réalisés dans le cadre de la thèse d'Anatole Lécuyer, montrent que certains dispositifs passifs combinés au rendu visuel peuvent restituer une information haptique. Plusieurs tests ont montré que l'opérateur était capable de distinguer des raideurs de ressorts virtuels avec le même JND que dans la réalité par la simple combinaison du rendu visuel et d'une « SpaceBall™ » (interface isométrique dont le fonctionnement est similaire à un capteur d'effort compliant). Lécuyer a mis en exergue la notion d'un rendu « pseudo-haptique » et « d'illusion haptique ». Cette thèse et d'autres travaux récents (Vincent Hayward de l’université de McGill au Canada ou Marc Ernst de l’Institut Max Planck de Tübingen) viennent conforter et compléter cette tendance. Ces travaux ouvrent la voie vers une autre façon de concevoir l'interfaçage haptique, ne découlant pas forcément de la technologie de la téléopération. L’autre challenge concerne la réalisation d’interfaces à rendu tactile capable de restituer des informations liées au toucher (rugosité, échange thermiques, formes, etc.) Dans ce cas une approche purement technologique conduirait à tenter de réaliser « une surface universelle ». De nos jours cette voie est techniquement impossible car il faudrait un nombre élevé de micro-actionneurs travaillant sur une large gamme de fréquence. Il est nécessaire donc de bien comprendre les mécanismes de perception et de prélèvement de l’information tactile afin de surmonter ces limitations.

Concernant des aspects informatique et contrôle de l’interfaçage haptique, ils relèvent de l’algorithmique et des techniques du temps réel. Tout comme en infographie (image de synthèse) ou du retour sonore, il est nécessaire de définir un noyau et une méthodologie sur lesquels peuvent s’appuyer les développements de l’ingénieur ou du chercheur afin de vulgariser cette interface dans le cadre d’applications diverses.

Objectifs de l’action spécifique « interfaçage haptique »

Cette AS s’insère dans le RTP Interfaces médiatisés et réalité virtuelle, il s’agit de rassembler les efforts des chercheurs issus de communautés différentes qui développent ou qui utilisent les techniques de l’interfaçage haptique en environnements virtuels, réels ou mixtes (réalité augmentée). Parmi les problèmes qui seront examinés dans le cadre de cette action figurent :

1. l’identification des acteurs de la recherche en haptique en France, en Europe et ailleurs ;
2. les mécanismes de perception haptiques nécessaires à la conception de l’interface ;
3. les modèles possibles d’intégration du rendu haptique dans un cadre multi–sensoriel ;
4. les méthodologies de conception des interfaces haptiques ;
5. l'exploitation du rendu haptique comme métaphore, « haptisation de l’information », applications ;
6. les aspects théoriques et techniques relevant de l’informatique et l’automatique du rendu haptique.

A la fin de l’action, un document synthétisera les résultats de l’étude et indiquera les directions de recherches futures, notamment :

• un meilleur discernement de ce qu’il faudrait revoir ou établir et de ce qui reste à comprendre de la modalité haptique ;
• une réflexion sur une meilleure intégration de la psychophysique aux techniques de développement liées à l’interfaçage haptique ;
• les meilleures pistes à suivre afin d’aboutir à une méthodologie dans la manière de concevoir l’interfaçage haptique et une base de modèles pour les développements informatique et automatique.

Organisation

Nous souhaitons organiser plusieurs réunions dans l’année, dans les laboratoires participant à l’action. Plusieurs séminaires avec invitation d’experts internationaux afin de permettre aux chercheurs de présenter leurs approches. Aussi un budget spécifique pour les déplacements des participants doit être prévu. Il sera sans doute nécessaire de faire appel à des stagiaires pour quelques expérimentations.

Pour ce qui de l’organisation interne, plusieurs thèmes de l’interfaçage haptique font l’objet d’un centre d’intérêt sous la responsabilité d’un membre du « noyau dur » de l’AS.

1. aspects liées à la psychophysique et à la perception haptique (Joe McIntyre)
2. illusions et métaphores haptiques (Anatole Lécuyer)
3. conception du support matériel de l’interfaçage haptique (Philippe Fuchs)
4. architectures et intégration (Patrick Bourdot)
5. interfaçage de liaison et infohaptie (Abderrahmane Kheddar)
6. problèmes liés à l’applicatif du rendu haptique (Annie Luciani)

Pour ce qui est des liens avec d’autres programmes, A. Kheddar est membre du projet européen IST-2001-38040 TOUCH-HAPSYS (www.touch-hapsys.org) du 5ème PCRD, et fera part aux membres de l’AS des retombés scientifique de ce projet. A. Lécuyer se charge du lien avec PERF-RV (www.perfrv.org) : projet de plateforme RNTL financé par le Ministère de la Recherche et labellisé en juin 2000. C'est aussi et surtout un réseau de compétences regroupant des chercheurs et des industriels dans le domaine de la réalité virtuelle et du rendu haptique, les plates-formes matérielles pourraient être utilisées par les partenaires de l’AS haptique.