La technologie haptique est une forme unique de mécatronique qui combine des éléments mécaniques, électriques et informatiques. À l’aide de capteurs et d’actionneurs, cette technologie propose une interaction améliorée entre utilisateur et machine par rapport aux systèmes conventionnels actuels. L’haptique fournit aux utilisateurs des retours sensoriels à travers des signaux visuels et auditifs générés par ordinateur et une perception tactile leur permettant de ressentir le toucher, la pression, le poids, la texture et la chaleur. Elle favorise une connexion plus tangible et plus approfondie avec nos appareils grâce à une expérience véritablement immersive. Dans le présent article de blog, nous allons explorer les avantages de l’haptique dans un large éventail d’applications, ainsi que les dernières techniques de conception en matière de retour haptique.

Cas d’utilisation de l’haptique

Commençons par examiner les utilisations actuelles et futures de l’haptique afin d’en déduire en quoi cette technologie s’avère utile, voire indispensable.

Applications médicales

Dans le domaine médical, l’haptique permet aux médecins de ressentir ce que touche une main robotique, par exemple, ce qui se traduit par des manipulations plus sûres et mieux maîtrisées. Certaines techniques chirurgicales, comme la cœlioscopie, ont déjà recours à la technologie haptique pour pratiquer des incisions plus petites et donc plus rapides à cicatriser. En utilisant des manipulateurs télécommandés associés à un système vidéo, les chirurgiens peuvent réaliser des opérations délicates avec une précision inégalée. Lorsqu’il utilise des moyens mécaniques, le chirurgien doit savoir quelle force est appliquée par le scalpel : un appui trop prononcé, et l’incision est trop profonde ; elle sera au contraire trop superficielle si le scalpel n’exerce pas une pression suffisante. De même, il doit pouvoir écarter délicatement un vaisseau sanguin sans le déchirer. Ceci est essentiellement possible grâce au retour de force de la technologie haptique.

Jeux vidéo

Dans le domaine du jeu vidéo, les dispositifs haptiques remplacent avantageusement les manettes grâce au retour de force qui permet à l’utilisateur de ressentir une certaine résistance lorsqu’il commande le dispositif, mais aussi les textures et d’autres propriétés physiques. Des micromoteurs, des actionneurs piézoélectriques, des transferts fluidiques et la pression atmosphérique sont notamment mis en œuvre pour assurer cette interaction physique avec l’utilisateur. Le processus de développement de ces dispositifs haptiques est néanmoins très différent de celui utilisé pour des conceptions plus classiques.

Heureusement, les fabricants mettent à la disposition des ingénieurs débutants dans le domaine de la technologie haptique des systèmes de développement et des exemples d’applications sur lesquels ils peuvent s’appuyer. Les accéléromètres constituent un élément essentiel de toute conception haptique. On les retrouve entre autres dans les casques pour contrôler le champ de vision, dans les gants pour surveiller les mouvements de la main et dans les assemblages robotiques commandés à distance pour fournir des informations de retour de force.

De nombreux fabricants d’appareils proposent des accéléromètres pour applications OEM, ainsi que des kits de développement, des notes d’application et des conceptions de référence. Comme la plupart des smartphones sont dotés d’accéléromètres, ces dispositifs multiaxes sont désormais fabriqués à grande échelle, ce qui les rend peu coûteux et facilement disponibles auprès des principaux distributeurs et fabricants. Un kit de développement d’accéléromètre typique contient des capteurs multiaxes et une interface de connexion de type USB, I2C, SPI ou UART. Les sorties peuvent être numériques ou analogiques et certains accéléromètres sont capables d’effectuer des mesures jusqu’à 16 G.

Produits grand public

Pour les applications nécessitant une capture et un traitement de mouvement complexes, les conceptions haptiques ont de plus en plus souvent recours à des unités de mesure inertielle (IMU). Les IMU se composent essentiellement d'un accéléromètre associé à des gyroscopes et à des capteurs magnétométriques. Ces capteurs hautement intégrés et à très faible consommation peuvent être personnalisés afin d’intégrer des applications hautes performances comme des wearables, des visiocasques, des smartphones, des caméras, des drones et des casques de réalité augmentée, virtuelle ou mixte. Grâce à des algorithmes logiciels prêts à l’emploi, les IMU constituent un ensemble de systèmes de capteurs intelligents robustes capables de calculer facilement l’orientation, la position et la vitesse. Ils peuvent être utilisés pour le suivi de position et la détection d’activités ou de gestes avec une haute précision et une faible latence.

De plus, les IMU sont déjà largement utilisés dans les smartphones, les appareils photo, les drones et autres appareils grand public, ce qui a permis de créer des économies d’échelle et en fait donc des dispositifs de capteurs intelligents programmables multiaxes peu coûteux et facilement disponibles auprès des principaux distributeurs et des fabricants. Tout comme les accéléromètres, les kits de développement d'IMU typiques contiennent un capteur multiaxes, des capteurs environnementaux et une interface de connexion de type USB, I2C, SPI ou UART.

Techniques de conception haptique

Étant donné la variété d’applications auxquelles la technologie haptique peut être intégrée, il se dégage plusieurs techniques de conception que les ingénieurs continuent de perfectionner et de développer. Certaines conceptions haptiques utilisent des techniques microfluidiques qui pompent des fluides dans et hors d’un ensemble de chambres en vue de créer une sensation sur la peau. Des pompes à micromoteur, des microvannes et des tubes capillaires sont les solutions les plus souvent utilisées à cet effet. Heureusement, la technologie de contrôle moteur est mature et de nombreux kits de développement de contrôle moteur sont facilement disponibles pour permettre la mise en œuvre de ces techniques microfluidiques.

Conceptions d’amplificateurs opérationnels et de microcontrôleurs

Les micromoteurs sont peu énergivores et peuvent généralement être alimentés à l’aide d’amplificateurs opérationnels pour assurer le pilotage bidirectionnel des moteurs. Dans les applications où les amplificateurs opérationnels ne suffisent pas à eux seuls à piloter les micromoteurs, les pompes ou les microvannes, il est possible d’utiliser des microcontrôleurs dotés de capacités de contrôle de moteur comme des pilotes de courant plus élevés, des dispositifs de modulation de largeur d’impulsion (PWM), plusieurs minuteries et même des sorties analogiques.

Traitement numérique du signal

Les processeurs dotés de capacités de traitement numérique du signal (DSP) sont particulièrement utiles pour piloter des micromoteurs et surveiller les champs électromagnétiques, lesquels peuvent être utilisés pour mesurer la résistance aux pressions affirmées numériquement. La plupart des cartes de développement sont dotées d’une section processeur et, le cas échéant, d’un réseau de transistors de puissance. Les conceptions haptiques basées sur des DSP présentent un énorme potentiel d’expérience immersive pour les jeux, les films, la musique et bien plus encore. Parce qu’elles complètent le contenu audiovisuel avec des vibrations tactiles, les conceptions haptiques améliorent la stimulation sensorielle et l’expérience immersive de l’utilisateur. Les processeurs dotés de capacités DSP peuvent exécuter des algorithmes de filtrage complexes permettant de contrôler avec précision plusieurs moteurs dans l’application. Ces techniques de contrôle moteur peuvent être utilisées pour créer un retour sensoriel à l’aide d’un système basé sur la pression atmosphérique ou sur des pompes à fluide. Elles peuvent aussi être adaptées pour piloter des émetteurs ultrasoniques et des (micro-)actionneurs piézoélectriques en vue de fournir une sensation électromécanique.

Haptique à ultrasons

Une conception technologique haptique intelligente utilise des ondes ultrasonores provenant d’un réseau d’ultrasons. Ces ondes ont la particularité de fusionner pour produire une force perçue. Ces ondes ultrasonores focalisées sont utilisées pour produire un retour sensoriel « dans l’air » que l’utilisateur ressentira par exemple dans ses mains sans aucun contact physique avec l’appareil. Bien que cette technologie ait principalement été utilisée pour créer un retour tactile (par exemple la sensation d’appuyer sur un bouton virtuel), elle peut aussi être mise en œuvre pour stimuler de plus grandes zones du corps.

La prochaine génération de dispositifs haptiques haute définition (HD) ne se contentera pas d’une simple évolution du matériel, car celui-ci a ses limites, que seule l’intégration de logiciels dans les futures conceptions permettra de dépasser.

Conclusion

La conception de dispositifs haptiques est une discipline relativement nouvelle, mais les ingénieurs peuvent compter sur des outils de développement et des conseils. Les kits de développement et les notes d’application se multiplieront à mesure que de nouveaux produits haptiques feront leur apparition. Si la technologie haptique s’avère essentielle dans les domaines d’application médicaux, industriels et robotiques, c’est très certainement dans l’industrie du jeu vidéo qu’elle trouvera son essor. L’expérience acquise au travers de ces applications de masse de la technologie haptique permet de concevoir plus facilement des applications plus spécialisées et ainsi d’ouvrir le champ des possibilités pour de futures innovations et utilisations.

Références

• Kern, Thorsten A. et Christian Hatzfeld. 2023. “Development of Haptic Systems.” Dans Engineering Haptic Devices, publié par Thorsten A. Kern, Christian Hatzfeld, et Alireza Abbasimoshaei, 133-149. Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-031-04536-3_4