Logo LVSN
EnglishAccueil
A proposPersonnesRecherchePublicationsEvenementsProfil
A propos

 

 

 

 

REPARTI

MIVIM

Intégration théorique et pratique d'un mécanisme à câbles miniature en 3D avec son contrôle servant d'interface de locomotion à un utilisateur qui se déplace naturellement dans un environnement virtuel
Doctorat
Martin Otis
Denis Laurendeau (Directeur)
Clément Gosselin (Codirecteur)
Problème: Les travaux de recherche démontrent un nouveau prototype en modèle réduit d'un système de locomotion innovateur pour un utilisateur se déplaçant dans un environnement de réalité virtuelle comme s'il se déplaçait dans un environnement réel. Considérant l'avancement du projet, ces travaux consistent à l'intégration finale du système complet en version réduite. Cet ouvrage est divisée en trois grandes parties, puisque l'interface de locomotion (IL) comprend les trois systèmes distincts suivants: l'environnement virtuel (EV) avec ses principes physiques, le système de contrôle et le mécanisme à câbles.

L'IL doit réagir en temps réel pour que l'utilisateur ait l'impression d'évoluer dans un environnement infini sans efforts supplémentaires qui pourraient provenir de l'inertie du mécanisme à câble. La conception du système est réalisée de manière à ce que la démarche de l'utilisateur dans l'EV soit la plus réaliste possible, sans que l'utilisateur ait à s'adapter à l'interface. En ce sens, l'utilisation d'un système d'opération en temps réel est nécessaire. MatLAB, Opal-RT et RT-LAB sont donc les trois outils qui servent à la modélisation et au contrôle de l'IL.

Le système proposé dans cet ouvrage est un mécanisme à câbles qui relie deux dispositifs haptiques pour les pieds à des actionneurs (moteurs). Il comprend aussi une sangle d'armature attachée au centre de masse de l'utilisateur pour maintenir son équilibre.

Le système de contrôle permet de déterminer en tout temps la position, l'orientation et la vitesse des deux plates-formes et de l'utilisateur. Il gère l'interférence entre les câbles (croisement), les zones ou espaces inatteignables (incluant l'espace des configurations polyvalentes), les singularités et la position de l'utilisateur dans l'IL en fonction de sa vitesse et de sa position. Selon l'état des câbles et de la dynamique de chaque plate-forme, le système de contrôle utilise un algorithme approprié pour gérer le mécanisme à câble et la physique de l'EV.

Pour éviter que les plates-formes atteignent un espace qui n'est pas permis, une prédiction de la position future est réalisée selon une simulation interne de la démarche de l'utilisateur. Une fois que l'algorithme a modélisé la démarche par apprentissage, celui-ci pourra déplacer la position de l'utilisateur pour éviter les zones critiques du mécanisme (configuration hors-domaine). Ce système de modélisation de la démarche pourrait éventuellement évaluer certaines pathologies.

Motivation: La technologie en réalité virtuelle (RV) utilisent du matériel et des logiciels très spécialisés, incluant ceux qui permettent une visualisation 3D en immersion complète et les interfaces homme-machine, pour générer une simulation d'un monde alternatif réaliste. L'intérêt grandissant dans la RV a apporté plusieurs applications de cette technologie dans l'automobile, l'avionique, le divertissement, la médecine, les sports et dans d'autres industries comme celles de l'éducation et de l'entraînement. Une de ces applications est d'immerger complètement un individu dans un environnement virtuel pour qu'il puisse se mouvoir librement à l'intérieur de celui-ci et réaliser une tâche ou une mission très précise. En général, il y a deux approches différentes au problème du contrôle de la locomotion dans un environnement virtuel. La première approche, plus conventionnelle, consiste à placer des capteurs dans les membres supérieurs du corps. La seconde approche est l'utilisation d'un mécanisme qui peut annuler le déplacement lors d'une marche lente.

Plusieurs aspects de la locomotion peuvent interagir avec les systèmes mécaniques et logiciels dont le suivit des trajectoires de chacun des membres responsables du mouvement naturel et la liberté de l'exécution de ses mouvements. D'ailleurs, la locomotion et les mouvements des membres d'un individu dans un environnement virtuel (EV) à grande échelle sont deux des grandes difficultés actuelles dans la recherche sur la réalité virtuelle (RV). Des moyens plus simples pour se déplacer dans cet environnement sont, par exemple, l'utilisation de périphériques, comme la souris d'ordinateur ou le clavier. De la même manière, l'utilisation d'un pédalier (comme ceux des bicycles dans le cas du SARCOS UniPort) simule très bien les vitesses et les accélérations.

En général, la marche et le déplacement sont des activités évoluées très importantes qui sont considérées comme un comportement journalier naturel. La marche est une exigence fondamentale pour les actions de navigation dans l'espace. Puisque la manière la plus intuitive de se déplacer dans un monde réel est avec les pieds, conserver une telle capacité de cette dynamique pour se déplacer à l'intérieur d'un environnement virtuel (EV) à grande échelle est d'un grand intérêt pour plusieurs applications exigeant la locomotion, comme l'évaluation architecturale d'édifice, la planification urbaine, l'exploration de terrains, etc. Cependant, la dynamique attachée à une démarche naturelle n'est pas toujours conservée. Les mouvements de l'utilisateur sont habituellement restreint par plusieurs capteurs limités et par un petit espace de travail dans le monde réel (MR). Par conséquent, une interface de locomotion est nécessaire pour permettre certains mouvements sur de grandes distances virtuelles, pendant que l'usager demeure à l'intérieur d'un espace physique relativement petit [Bouguila 2004].

Créer un environnement virtuel (EV) à l'intérieur duquel une personne peut évoluer avec un très grand degré de réalisme est très complexe. Une interface de marche naturelle permet à un utilisateur de se déplacer dans un EV tout en utilisant ses sens tels que la vue, l'ouïe, le touché, la proprioception et les informations provenant du cortex vestibulaire. La vue et la proprioception sont les deux sens les plus complexe à gérer lors de la modélisation d'un EV. Entre autres, les images qui progressent devant les yeux d'un utilisateur doivent être réaliste, fluide et surtout qu'elles répondent rapidement et avec précision aux mouvements. L'estimation des distances dans un EV est d'ailleurs un problème sur lequel plusieurs études sont réalisées. Quand un environnement virtuel limite un des sens lié à la locomotion, comme c'est souvent le cas, l'interprétation de l'environnement peut devenir imprécis et les simples tâches peuvent devenir complexe. Bien qu'une interface de locomotion soit utilisée, il y a une forte possibilité que le niveau de performance des utilisateurs ne sera pas le même que dans le monde réel considérant les contraintes.

Approche: Premièrement, la théorie sur les mécanismes à câbles a été élaborée par Guillaume Barrette [Barrette 2005], Gabriel Côté [Cote 2003] et Marc Gouttefarde [Gouttefarde 2004]. Cette théorie concerne la cinématique, la dynamique, l’espace des configurations polyvalentes et l’espace atteignable dynamique en fonction de l’accélération de l’effecteur. Simon Perreault a optimisé l'espace des configurations polyvalentes pour que les effecteurs soient contrôlés sur tous les degrés de liberté dans le plus grand espace possible. Ensuite, il a procédé à une optimisation de la configuration des actionneurs en fonction des performances à atteindre pour l'application.

Deuxièmement, les spécifications fonctionnelles pour construire une interface de locomotion ont été élaborées par Régis Poulin [Poulin 2005]. D’ailleurs, il a développé un système de contrôle 2D avec un algorithme de prédiction simple et rapide pour gérer quatre câbles à partir des travaux de Cantin [Cantin 2004]. L’algorithme de prédiction évite le calcul de PGD. En effet, le PGD est long à calculer et entraîne des retards entre la valeur désirée et celle mesurée. Aussi, ce calcul n'est pas toujours exact et ces erreurs sont perçues comme des informations erronées provenant des encodeurs numériques des moteurs qui se traduisent par une erreur de position cartésienne.

Troisièmement, Patrice Lambert a développé les équations qui permettent de détecter et de gérer les interférences dans l'utilisation simultanée de deux mécanismes parallèles actionnés par câbles.

Finalement, les travaux de recherche actuels permettront d’intégrer les applications et la théorie développées antérieurement pour développer ladite interface de locomotion. La première étape consiste à valider, dans un plan, le contrôle dans un environnement virtuel avec une interférence possible entre les câbles. La deuxième étape du projet sera de participer, avec d'autres chercheurs, à la conception et à la mise au point d'un prototype miniaturisée de l’interface avec l’utilisation simultanée des deux mécanismes à câbles (deux plates-formes).

Défis: Il y a deux critères principaux à atteindre lors de la conception: l'exactitude de la commande et la demande cognitive. L'IL idéal facilitera les mouvements rapides sur de grandes distances sans sacrifier la précision et le contrôle [Mackinlay 1990] et devra être transparent à l'utilisateur. La transparence est importante dans le sens où les tâches dans l'IL doivent devenir automatiques et non conscientes. L'IL demandera alors un minimum d'apprentissage d'utilisation.

Seulement quelques interfaces de locomotion peuvent permettre une démarche naturelle. Cependant, les développements jusqu'à présent n'offrent pas encore l'efficacité recherchée pour fournir des mouvements réalistes et des capacités de manoeuvres usuelles des utilisateurs. En effet, dans certains cas, l'IL ne réagit pas assez rapidement à une marche naturelle. Dans d'autres cas, les interfaces ne permettent tout simplement pas la possibilité de se déplacer naturellement. D'ailleurs, le mécanisme omnidirectionnel agencé avec un simulateur de sol à topologie variable n'est pas encore au point. Certains systèmes offrent cependant cette option comme le ATLAS/GSS, mais ce système est très limité mécaniquement. Selon les applications, des choix de conception sont réalisés par les groupes de recherche. Ces choix limitent les applications des ILs développés dans d'autres domaines.

Applications: Les applications des interfaces de locomotion sont nombreuses. En effet, elles se retrouvent dans plusieurs applications dont l'entraînement militaire [Darken 1997], la réhabilitation [Hidler 2005], les architectures de révision structurée lors de la conception d'édifices (conception virtuelle) [Choi 1997]. Les autres applications possibles sont l'éducation, le jeu et l'exercice (arcades) [Bouguila 2004] ainsi que la recherche psychophysique.
Calendrier: 2005-2008
Dernière modification: Jun 28 2005 2:55PM par motis

     
   
   

©2002-. Laboratoire de Vision et Systèmes Numériques. Tous droits réservés