Haptique Biofidèle pour l'Interaction en Réalité Virtuelle

Haptics Virtual Reality Biofidelity Ergonomics

• Auteur / Autrice : Simon Hilt
• Direction : Georges Dumont, Charles Pontonnier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et Génie Mécanique
• Date : Soutenance le 04/12/2020
• Etablissement(s) : Rennes, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Université de Rennes - École normale supérieure - Rennes - Institut de Recherche en Informatique et Systèmes Aléatoires - Analysis-Synthesis Approach for Virtual Human Simulation
• Jury : Président / Présidente : Bruno Arnaldi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Indira Thouvenin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Noël, Laure Leroy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capteurs tactiles

Réalité virtuelle

Mots clés libres

Haptique

Réalité Virtuelle

Biofidélité

Ergonomique

Haptics

Virtual Reality

Biofidelity

Ergonomics

Résumé

Depuis ces vingt dernières années la réalité virtuelle (RV) et les interfaces haptiques(IH) possèdent des applications dans de plus en plus de domaines en permettant la simulation de la présence physique d’un utilisateur dans un environnement virtuel reproduisant une expérience sensorielle artificielle et sur lequel il peut agir. L’ergonomie des situations de travail est l’une des pistes applicatives les plus séduisantes actuellement pour ce type de technologie. Je m’intéresse particulièrement dans cette thèse à l’étude de la fidélité biomécanique de la tâche en RV, notamment de l’effet de l’interaction haptique, pour des tâches de prise et dépose d’objet, qui sont à la fois des tâches à risque pour l’apparition de troubles musculo-squelettiques et des tâches fréquentes dans l’industrie. En effet, afin de garantir que les conclusions ergonomiques de telles évaluations en RV soient valides pour des tâches similaires en environnement réel, il est nécessaire de s’assurer que le comportement bio-mécanique de l’utilisateur en RV soit fidèle à celui en réel. Mes travaux de thèse portent sur trois contributions. Dans un premier temps, j’ai étudié l’effet de différents niveaux de virtualité sur le comportement biomécanique pour des tâches de prise et dépose d’objets.Quatre niveaux de virtualité ont été évalués : retour visuel réel et interaction haptique réelle, retour visuel réel et interaction haptique synthétique via une IH, retour visuel virtuel via un casque de RV et interaction haptique réelle et enfin retour visuel virtuel et interaction haptique synthétique, afin d’étudier les effets indépendants et couplées de ces moyens d’immersion et d’interaction. Un des résultats de cette étude fut que les effets de l’immersion en RV et les effets de l’interaction haptique synthétique sur le comportement biomécanique de l’utilisateur peuvent être évalués de manière indépendante. Ainsi j’ai alors décidé de proposer un algorithme de compensation afin d’améliorer le rendu haptique pour de telles tâches. Enfin j’ai évalué plus finement la fidélité biomécanique de tâches en RV avec une interaction haptique synthétique munie ou non de l’algorithme de compensation.

For the last twenty years, virtual reality (VR) and haptic interfaces (HI) have had applications in more and more domains by allowing the simulation of the physical presence of users in a virtual environment that reproduces an artificial sensory experience on which they can act. The ergonomics of work situations is currently one of the most attractive application areas for this type of technology. In this thesis, I am particularly interested in the study of the biomechanical fidelity of the task in VR, notably the effect of haptic interaction, for object pick and place tasks, which are both high-risk tasks for the appearance of musculoskeletal disorders and frequent tasks in industry. Indeed, in order to ensure that the ergonomic conclusions of such VR assessments are valid for similar tasks in a real environment, it is necessary to ensure that the biomechanical behaviour of the user in VRis consistent with its behaviour in the real environment. My thesis work focuses on three contributions. First, I studied the effect of different levels of virtuality on the biomechanical behavior for pick and place tasks. Four levels of virtuality were evaluated : real visual feedback and real haptic interaction, real visual feedback and synthetic haptic interaction through an HI, virtual visual feedback via a head-mounted display and real haptic interaction and finally virtual visual feedback and synthetic haptic interaction, in order to study the independent and coupled effects of these modes of immersion and interaction. One of the results of this study was that the effects of VR immersion and the effects of synthetic haptic interaction on the biomechanical behavior of the user can be evaluated independently. Thus I decided to propose a compensation algorithm to improve haptic rendering for such tasks. Finally I evaluated more precisely the biomechanical fidelity of VR tasks with a synthetic haptic interaction with or without the compensation algorithm.