CASQUE ULTRA SENSORIEL

CASQUE ULTRA SENSORIEL

Simulation sensorielle pour la ealit’ e Virtuelle : Cas du toucher et de la proprioception Expos ‘e MOTR – Master 2e • me ann ‘ee Recherche en Informatique Universit e de Rennes 1 (IFSIC) INSA de Rennes C’ edric Fleury janvier 2007 Table des mati eres 1 Introduction 2 2 Le toucher 2. 1 Th • eorie to View 2. 1. 1 Physiologie de la peau 2. 1. 2 Stimulation vibrotactile . 2. 1. 3 Stimulation electrotactile 2. 2 Applications et dispositifs mat’ eriels . 2. 2. Substitution sensorielle . 2. 2. 2 Restitution tactile augment’ ee . 2. 2. 3 Applications en r • ealit • e virtuelle 23 Introduction L’ • evolution de la r’ ealit e virtuelle, ainsi que la grande diversification de ses domaines d’application obligent les syst• emes d’immersion a ‘evoluer vers des syst emes de plus en plus exigeants, que ce soit en terme de performance (qualit e, complexit e et encombrement minimum,… ), mals aussi en terme de compatibilit e.

On souhaiterait un syst• eme d’immersion, qui s’adapterait ‘a un maximum de types d’applications diff• erentes et qui permettrait une restitution sensorielle la plus proche possible de la perception humaine du monde r’ eel.

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En r’ eponse • a cette probl’ ematique, on voit appara »ltre des olutions qui smulent les sens : au lieu de recr eer les ph • enom enes (images, mouvements, forces,… ) pour qu’ils soient per,cus par l’utilisateur, on simule directement les sensations per. cues par ce dernier, en stimulant les r’ ecepteurs sensoriels de son corps.

En effet, les avanc ees de la recherche m•edicale, en particulier dans le secteur de la neurobiologie, permettent aux m edecins de mieux comprendre le fonctionnement du syst eme nerveux dans factivit e sensorielle et les rendent capable de imulations sensorielles technologies dans les syst ernes immersifs des nvironnements virtuels pourrait permettre d’ouvrir de nouvelles perspectives, gr* ace • a des syst emes qui seraient ‘a la fois plus g’ en ‘eraux et plus intuitifs (plus proche du fonctionnement du corps humain). Cependant, les connaissances m edicales actuelles ne permettent pas encore de simuler tous les sens.

C’est pourquoi nous nous int eresserons seulement • a ceux pour lesquels une simulation sensorielle semble Retre utile et r’ ealisable : Le cas du toucher et celui de la proprioceptionl . En effet, c’est pour le retour tactile et le retour proprioceptif que les progr• es sont les plus rometteurs • les dispositifs qui existent actuellement pour ces types de retour sont plut -ot des dispositifs qui reproduisent les • el ‘ ements • a ressentir (dispositif a retour d’effort, matrice d’aiguilles pour recr• eer les surfaces, plates-formes mobiles,… , au lieu de simuler les sensations directement, comme les chercheurs en neurobiologie commencent ‘ a savoir le faire pour ces sens. Nous allons examiner l’ ‘ etat des connaissances actuelles concernant la simulation sensorielle et quelles en sont les applications pour le domaine de la r • ealit• e virtuelle. Dans un premier temps, nous etudierons ce qui existe pour le toucher. Puis dans un deuxi eme temps, nous verrons le cas de la proprioception, que nous d ‘ ecomposerons en deux parties : le sens kinesth ‘ esique et le sens vestibulaire. ‘ lui-m « erne et renseignant sur la position dans l’espace, les attitudes, les mouvements, l » equilibre, etc… Le toucher L’absence du toucher dans un monde virtuel Aote une source d’informations [1], ce qui peut -etre g • enant pour certaines simulations virtuelles ainsi qu’en t • el eop ‘ eration. Si l’on arrive • a recr• eer un retour tactile dans es environnements virtuels, on pourra non seulement rendre les syst’ emes immersifs plus r’ ealistes, mais aussi r • ealiser des aches plus difficiles.

Si l’ensemble de la peau participe au sens du toucher, il est important de noter qu’il est surtout efficace au niveau des mains : gr -ace ‘a celles-ci, on peut d’eterminer par toucher la g’ eom etrie de la surface en contact, sa rugosit ‘e, sa temp ‘ erature et son mouvement relatif Les dispositifs m ‘ ecaniques qui permettent un retour tactile sur la peau (matrice d’aiguilles, dispositif pour etirer la peau,… ) sont g • en ncombrants, difficiles ‘a utiliser, et surtout ils ne permettent pas de reproduire toutes sortes de sensations cutan ‘ ees.

C’est pourquoi des dispositifs de simulation sensorielle sont aujourd’hui utilis • es dans le m • edical et commencent ‘ a appara ‘tre dans le domai it’ e virtuelle. ne citent en g • en eral que quatre types de m ‘ecanor• ecepteurs pour la peau humaine (cf figure 1). Fig. 1 – Les rn • ecanor• ecepteurs de la peau (traduit de [18]) Chacun des types de r • ecepteur a des caract eristiques propres bien d’ efinies. Cela permet a chaque type de percevoir des aspects diff- erents es sensations tactiles (pression, vibration, ‘etirement,… ).

Le tableau de la figure 2 regroupe les informations sur ces quatre types de r’ ecepteurs sensoriels, gr- ace aux informations de [1 1] [41. Fig. 2 – Caract eristiques des m • ecanor• ecepteurs de la peau G en ‘ eralement, les ‘ etudes, qui s’int eressent a simuler le toucher dans les doigts, ne tiennent pas compte des terminaisons de Ruffini etant donn’e qu’elles sont tr es peu nombreuses dans la peau des doigts. Kajimoto et al [1 3] distinguent ces r • ecepteurs selon trols autres caract ‘ eristiques : Chaque sorte de m • ecanor• ecepteur se situe a une profondeur diff’ erente dans la peau (cf figure 1). Les fibres nerveuses (axones), qul connectent chaque type de r ecepteurs, ont des diam etres sp ecifiques diff’ erents. Le diam etre des axones des RA (3-5pm) est deux fois plus petit que celui des axones des SAI’ et Ion les r’ ecepteurs – L’orientation de ces axo 4 il existe aussi des terminaisons nerveuses libres (connect ees a aucun m ‘ ecanor’ ecepteur) qui servent a percevoir les sensations de douleurs, de chaud et de froid. Ce sont des axones de tr • es petit diam etre (Inf ‘erieur ‘a Iprn . 1. Stimulation vibrotactile D’apr• es [1 Il, ila ‘et • e tent•e de stimuler les m ecanor ‘ ecepteurs par des microvibrations. Cependant, les connaissances actuelles ne nous permettent pas de 4 r • eussir a stimuler s epar ’ement les diff• erents types de r ‘ ecepteurs. En effet, les exp ‘ eriences qui ont ‘ et • e tent ees n’aboutissent pas aux r esultats souhalt ‘ es. par exemple, on a une meilleure localisation de la sensation en stimulant les PC, qui ont normalement un champ de perception plus grand que celui des autres r • ecepteurs. eut– etre qu’avec une meilleure connaissance sur e fonctionnement des m ‘ ecanor ecepteurs, des solutions par stimulation vibrotactile seront envisageables. Mais en attendant, les chercheurs semblent plut* ot s’orienter vers des solutions utillsant une stimulatlon electrique. 2. 1. 3 Stimulation electrotactile La stimulation electrotac b 4 faire passer un courant inf’erieures • a un millim etre carr’e [11]. Enfin, certaines exp erlences utilisent des ‘electrodes sous-cutan ‘ ees, qui Pr’ esentent comme avantages une mellleure qualit ‘e et une meilleure stabilit e de stimulation, mais elles obligent une implantation sous la peau.

Toujours d’ape es [1 1], les sujets d’ ecrivent et classent les sensations per,cues dans l’ordre suivant : picotement, d’ emangeaison, vibration, bourdonnement, toucher (contact), pression, pincement, piq ure, ainsi que douleur et br- ulure. Ces diff• erentes sensations sont obtenues en fonction du vo tage, de l’intensit’e et de la fr » equence de la stimulation, de la taille, de la localisation, de la mati’ ere et de la force de contact de l » electrode, ainsi que de l » epaisseur et de l’hydratation de la peau.

Kajimoto et al [1 3] d • ecrivent un syst eme d » electrodes cutan ees qui permet e stimuler les trois types de m ecanor ‘ ecepteurs des doigts de la main (sans tenir compte des r ecepteurs SAII qul sont tr • es peu nombreux • a cet endroit) s • epar ement les uns des autres. Ils utilisent les diff erentes caract ‘ eristiques de chacun des r’ ecepteurs RA, PC et SAI pour les stimuler s • epar ement, gr- ace • a un tableau d » electrodes ‘a une dimension et pour obtenir ainsi une sensation bien particuli ere. lection par la profondeur : On stimule les axones des SAI, qul sont moins C ote ‘ a c mote (cf figure 3). Par ailleurs, pour ne pas stimuler les axones es SAI, lorsqu’on stimule les axones des PC, on joue sur les fr • equences des signaux electriques. En effet, • a partir de 200 Hz, les informations des SAI ne sont plus ressenties, alors qu’il faut atteindre 1000 Hz pour les PC. On utilise donc une fr • equence sup ‘ erieure ‘a 200 Hz lorsque l’on stimule les PC. Fig. – S • election par la profondeur (source : [1 5]) election par l’orientation : On stimule les axones des RA gr » ace une anode qui a la propri ‘ et’ e de stimuler uniquement les axones perpendiculaires • a la peau. Tandis qu’une cathode permet de stimuler les axones arall’ eles ‘a la peau comme les axones des SAI. (cf figure 4). Fig. 4 – S • el ection par l’orientation (source : [15]) Sensations ressenties (par exp erience) : En mode RA : I • eg• ere vibration, picotement – En mode SAI : pression, et si le sujet change la force de contact de son doigt, il a l’impression de toucher un mat eriau mou. En mode PC : vibration Kajimoto et al comparent les trois modes de stimulation obtenus aux trois composants primaires des images (rouge, vert, bleu), qui stimulent les diff’ erents c – ones de la r • etine. De la m – eme fa ton, il pense qu’en ombinant ces trois mode dimensions qui reprend les principes pr ec edents (cf figure 5). Fig. 5 – Modes de stimulations dans le cas 2D (source : [1 5]) Ce syst eme permet de reproduire soit une surface, soit le mouvement de l’objet ressenti.

On pourrait par exemple sentir le d’ eplacement d’un picot sur le bout de son doigt (cf. figure 6). Fig. 6 – Simulation de mouvement en mode SAI (source : [1 5]) Probl emes et limites actuels de la stimulation Il subsiste actuellement deux probl emes principaux [14] : – Il n’est pas toujours facile de localiser pr ecis ement les sensations dans une zone tr es petite. En effet, il y a parfois un d ‘ ecalage entre l’endroit o’ est situ • e electrode et l’endroit o u l’on ressent r’ eellement la stimulation (cf figure 7). Fig. – D’ ecalage  » electrode/point de sensation (source : [13]) 7 LJne des solutions pourrait -etre d’utiliser des micro- electrodes et de stimuler directement les m’ ecanor ecepteurs [11]. Sinon, Kajimoto et al [14] proposent d’utillser uniquement la stimulatlon avec anode, qui stimule uniquement les axones perpendiculaires a la peau, afin de minimiser le d’ ecalage ressentie. – La relation entre l’intensit • e du courant et la sensation g • en er e est parfois permet, en partie, de solutionner le probl erne. 2. 2 2. 2. Applications et dispositifs mat eriels Substitution sensorielle La substitution sensorielle consiste • a utiliser un des sens de l’homme pou recevoir les informations re,cues normalement par un des autres sens [11]. Pour le toucher, cette d ‘ efinition peut etre etendue au fait d’utiliser une zone de la peau pour recevoir les informations tactiles re,cues normalement par une autre zone. D es les ann ‘ ees 70, des applications de la simulation tactile apparaissent dans le domaine m edical pour r • ealiser de la substitution ensorielle.

G’ en eralement, ces applications s’adressent ‘a des personnes handicap’ ees, en particulier les aveugles et les sourds. On peut citer rapidement le substitution tactile de la vision, qui permet de transformer des images en informations tactiles transmises aux bouts des doigts par des matrices d’ • electrodes de types « fingertipscanner »(cf figure 8). Les aveugles sont alors capables de reconna- Itre les lignes horizontales, verticales et diagonales, ainsi que, avec un peu d’entra- Inement, des objets et des visages. Fig. 8 – Conversion vision/toucher