Design and control of a force feedback haptic interface for applications in CAD systems
Conception et commande d'une interface haptique à retour d'effort pour la CAO
Résumé
Force feedback haptic interfaces are robotic devices which are able to produce forces for the user in a teleoperation or virtual reality context. The integration of force feedback haptic interfaces in Computer-Aided Design (CAD) systems offers new perspectives for modeling and design of 3D objects by combining both visual and kinesthetic interaction. It allows viewing and manipulating virtual objects in real-time with a sense of touch (linked to contact, deformation, etc.).The works presented in this thesis contribute to the development of a force feedbackhaptic device to meet the needs of CAD at the best. In this thesis manuscript, the emphasis is put on the stability issue and its exploitation for the control of the device but also for the electromechanical conception. All the presented works concern an interface with one degree of freedom. First, several factors relative to the mechanic system (physical damping, vibration modes) and to the virtual environment (sampling period, delay-time, etc.) acting on the interface stability are highlighted through frequency domain stability criteria. Then, the interface design (choice and sizing of components) is expressed on the form of an optimization problem including a constraint linked to stability (in terms of application area).In a second part, the control architecture of haptic devices is studied. Using a newstability criterion for systems in discrete time with variable delay and an augmented state observer as an alternative to the standard finite difference scheme, the synthesis of novel control architecture is proposed.The last part of the manuscript deals with the description of the experimental testbench developed during the thesis period together with the results of some realized tests.
Les interfaces haptiques à retour d’effort sont des dispositifs robotiques capables deproduire des forces à destination de l’utilisateur en téléopération et en réalité virtuelle. L’utilisation d’interface à retour d’effort en Conception Assistée par Ordinateur (CAO) offre de nouvelles perspectives pour la création et la conception de formes 3D grâce à une interactivité à la fois visuelle et kinesthésique. Elles permettent à la fois de visualiser, de manipuler en temps réel des objets virtuels et d’en ressentir les efforts (liés aux contacts, à la déformation, etc.).Les travaux présentés dans cette thèse contribuent au développement d’interfaces àretour d’effort pour répondre au mieux aux besoins de la CAO. Dans ce mémoire, l’accent est placé sur la problématique de la stabilité et son exploitation pour la commande de l’interface mais aussi pour la conception électromécanique. L’ensemble des travaux porte sur une interface à un degré de liberté.Dans un premier temps, différents facteurs liés au système mécanique (amortissement, modes vibratoires) et à l’environnement virtuel (échantillonnage, retard. . .) agissant sur la stabilité d’une interface sont mis en évidence à l’aide de critères fréquentiels. Ensuite, la conception d’une interface (choix et dimensionnement des composants) est ramenée sous forme d’un problème d’optimisation incluant une contrainte liée à la stabilité (en termes de domaine d’utilisation) et un critère de maximisation de la transparence (en termesd’inertie du dispositif).Dans un second temps, l’architecture de commande des dispositifs haptiques est étudiée. À l’aide d’une nouvelle condition de stabilité asymptotique pour les systèmes en temps discret à retard variable et en utilisant un observateur d’état augmenté comme alternative à l’utilisation standard de la méthode des différences finies arrières, la synthèse d’une nouvelle architecture de commande est proposée.La dernière partie du mémoire aborde la description du banc d’essai expérimental développé pendant le travail de thèse ainsi que les résultats des tests réalisés.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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