Contribution à la modélisation et à l'identification des interfaces haptiques

Modeling and identification of haptic interfaces

• Auteur / Autrice : Alexandre Janot
• Direction : Maxime Gautier, Catherine Bidard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique et informatique appliquée
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences et technologies de l'information et des matériaux (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réalité virtuelle

Robotique

Résumé

Cette thèse est le résultat d’un travail de collaboration entre le CEA et l’IRCCyN. Elle traite de la modélisation et de l’identification des paramètres dynamiques des interfaces haptiques à transmission par câble. Une interface peut être considérée comme un robot maître à base fixe dont l’organe terminal est manipulé par un opérateur qui agit sur un monde simulé (réalité virtuelle) ou sur un monde réel (téléopération). La connaissance du modèle dynamique est importante car il permet de calculer le torseur dynamique de l’interface qui fausse son rendu haptique, c'est-à-dire sa capacité à transmettre à l’opérateur le torseur des efforts d’interaction des objets manipulés avec l’environnement virtuel ou réel (qualité de transparence). Une première démarche a consisté à adapter les méthodes de modélisation et d’identification des robots rigides et à flexibilités localisées aux interfaces haptiques. L’identification utilise le modèle dynamique inverse et les moindres carrés linéaires avec les mesures des couples et positions articulaires. La validation est réalisée sur une interface à 1 degré de liberté et à 3 DDL. Pour éviter la mesure et la dérivation des positions, une deuxième approche originale qui n’utilise que la mesure du couple est proposée. Elle est basée sur une simulation du robot en boucle fermée utilisant le modèle dynamique direct. Les paramètres identifiés minimisent l’erreur quadratique moyenne entre le couple mesuré et le couple simulé. Il s’agit d’un problème de moindres carrés non linéaires dont la solution se simplifie très significativement en exprimant le couple simulé par le MDI. Cette méthode a été validée expérimentalement sur le bras un axe du CEA et sur le SCARA de l’IRCCyN

This thesis focuses on the modeling and the identification of haptic interfaces using cable drive. An haptic interface is a force feedback device, which enables its user to interact with a virtual world or a remote environment explored by a slave system. It aims at the matching between the forces and displacements given by the user and those applied to virtual world. Usually, haptic interfaces make use of a mechanical actuated structure whose distal link is equipped with a handle. When manipulating this handle to interact with explored world, the user feels the apparent mass, compliance and friction of the interface. This distortion introduced between the operator and the virtual world must be modeled and identified to enhance the design of the interface and develop appropriate control laws. The first approach has been to adapt the modeling and identification methods of rigid and localized flexibilities robots to haptic interfaces. The identification technique makes use of the inverse dynamic model and the linear least squares with the measurements of joint torques and positions. This approach is validated on a single degree of freedom and a three degree of freedom haptic devices. A new identification method needing only torque data is proposed. It is based on a closed loop simulation using the direct dynamic model. The optimal parameters minimize the 2 norms of the error between the actual torque and the simulated torque assuming the same control law and the same tracking trajectory. This non linear least squares problem dramatically is simplified using the inverse model to calculate the simulated torque. This method is validated on the single degree of freedom haptic device and the SCARA robot