Le monde qui nous entoure est une symphonie de sensations, et à moins que des applications de pointe n'incluent la vibration haptique et le retour haptique, les utilisateurs sont forcés de s'appuyer sur leurs quatre autres sens pour comprendre l'environnement réel ou virtuel. Historiquement, le toucher, bien qu'étant un sens fondamental de l'expérience humaine, a été le dernier à être pleinement intégré dans nos interactions avec la technologie. Cependant, le retour haptique transforme la manière dont les opérateurs interagissent avec les systèmes, enrichissant la palette des moyens de communication entre les machines et leurs utilisateurs par l'introduction de sensations tactiles.
Qu'est-ce que l'Haptique et le Retour Haptique ?
Selon le Oxford Dictionary & Lexico, l’haptique « se rapporte au sens du toucher, en particulier à la perception et à la manipulation d’objets à l’aide des sens du toucher et de la proprioception ». En termes simples, cela signifie que l’haptique est la science de la transmission et de la compréhension des renseignements par le toucher. C’est le système somatosensoriel qui informe le cerveau de toutes les sensations que nous ressentons. Il le fait au moyen de nos récepteurs tactiles. Vos récepteurs tactiles transmettent un message au neurone le plus proche, qui transmet ensuite le message au neurone le plus proche suivant, et ainsi de suite, jusqu’à ce que le message atteigne le cerveau. Le cerveau indique ensuite au corps comment réagir à la sensation, et tout cela se fait en une fraction de seconde.
Le retour haptique est la fourniture d'informations tactiles à l'utilisateur ou à l'opérateur, principalement via le sens du toucher, afin d'améliorer son interaction avec un appareil ou un système. Il consiste à utiliser le toucher et les vibrations pour transmettre des sensations ou des expériences aux utilisateurs. Cela va au-delà des sensations familières comme la vibration d’un téléphone portable ou le grondement d’une manette de jeu. Le fait que l’objectif principal lié au retour haptique soit de communiquer le distingue des vibrations, qui se présentent généralement sous une seule forme d’onde avec une intensité similaire et continue pendant toute leur durée. Essentiellement, si une sensation ne transmet pas de renseignements précis, il s’agit simplement d’une vibration. Tout comme les vibrations, l’haptique et le tactile vont de pair. Le terme « tactile » désigne simplement tout ce qui se rapporte au toucher. En substance, le retour haptique se produit lorsque le retour tactile, par exemple, la texture d’un haltère contre le bout de vos doigts, se combine avec le retour kinesthésique, les sensations de notre propre effort musculaire comme la sensation de vos muscles qui se contractent quand vous soulevez l’haltère, pour créer un retour haptique communicatif.
Un exemple courant du système somatosensoriel communiquant avec la majeure partie de la population adulte actuelle au moyen de l’haptique serait lorsque vous maintenez une application sur votre iPhone et que votre doigt ressent une traction. Ce type de sensation tactile se produit sur les modèles compatibles après une action spécifique, comme toucher et maintenir une icône sur l'écran d'accueil, offrant ainsi une confirmation d'action.
Les Mécanismes du Retour Haptique : Moteurs et Actionneurs
Au cœur des systèmes haptiques, se trouvent des actionneurs tactiles qui génèrent les vibrations ou la résistance contrôlées que l'opérateur ressent instantanément. Si vous êtes un concepteur d'électronique audio, alors vous êtes probablement familier avec les transducteurs et comment les associer avec des amplificateurs, des MCU ou d'autres composants. Le retour haptique est obtenu grâce à des éléments vibrants tels que des moteurs vibrants ou des actionneurs résonants linéaires dans l'appareil. Ces composants sont pilotés par des circuits électroniques qui permettent au contrôleur de déterminer la synchronisation, les modèles de vibration et d'autres aspects de personnalisation.
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Un moteur de vibration haptique se présente sous deux variétés : amplitude variable et fréquence variable. La première, et la plus courante, consiste à utiliser un actionneur à masselotte rotative excentrique (également appelé ERM). Les moteurs ERM étaient courants dans les anciens pagers et les premiers téléphones portables. Lorsque l’ERM tourne rapidement, la force du poids devient instable, ce qui fait bouger le moteur. Le style monnaie/crêpe présenté ci-dessus est essentiellement un moteur à courant continu contrôlé en amplitude, où la fréquence peut varier de ~10 000 à ~15 000 RPM en variant la tension continue vue par le moteur. Le contrôle minutieux des vibrations avec des moteurs vibrants à masse excentrique à faible inertie peut être utilisé pour créer une sensation d’immersion dans un environnement.
Un autre type de moteur de vibration haptique est un actionneur à résonance linéaire (LRA). Les ERM ont été suivis par les actionneurs résonants linéaires (ARL), qui consistent en un aimant attaché à un ressort, entouré d’une bobine et protégé par une couche extérieure. Ce type de moteur a une forte résonance dans une bande passante étroite. Les moteurs à oscillation verticale et les moteurs linéaires sont similaires dans la manière dont ils appliquent une force contre un paquet. La plupart des types de technologies haptiques mettent à profit des ERM ou des ARL pour fournir un retour haptique, mais de nouveaux types de technologies continuent d’apparaître et d’évoluer pour être plus accessibles et plus réalistes. Un certain nombre d'études au cours des deux dernières décennies ont trouvé que la fréquence de vibration optimale pour l'haptique varie de 150 Hz à 180 Hz.
Intégrer ces moteurs dans un système réel n'est pas un tel défi, car ils ne créent pas les mêmes problèmes d'EMI conduits et rayonnés que les moteurs plus grands. Si ils sont placés sur la carte (c'est-à-dire, comme un composant CMS), ils devraient être situés près du bord de la carte et près de la région qui permettra à l'utilisateur de percevoir au mieux la vibration. En raison des exigences de tension et de courant, il y a toujours une question d'adaptation d'impédance. C'est justement ce type de conseil que l'on pouvait trouver sur EDN et Hyperphysics, jusqu'à ce que plusieurs plaintes obligent les propriétaires des sites à changer leur contenu. Cependant, si le conducteur a la fonctionnalité inverse, le moteur devrait être sélectionné de manière à ce que son impédance soit beaucoup plus faible que l'impédance de la source. Les algorithmes de retour haptique sont suffisamment légers pour être intégrés dans un MCU ou un petit FPGA, tant que le dispositif dispose d'assez d'entrées pour supporter les autres fonctions du produit.
Historique et Évolution de l'Haptique
Bien qu’il soit difficile de retracer les origines précises de la technologie haptique, l’une de ses premières applications a été l’aviation. Les commandes d’un avion vibreraient en même temps que les turbulences afin que les pilotes puissent mieux comprendre ce qui se passe à l’extérieur de l’avion. Après cette première utilisation de l’haptique, un brevet pour un téléphone tactile a été accordé en 1973 alors que l’utilisation de l’haptique continuait à se développer.
Le marché du retour haptique s'est développé depuis le « Rumble Pack » du N64 à la fin des années 1990, grâce aux progrès de la technologie des moteurs et à l'innovation des entreprises à la recherche d'un avantage concurrentiel. Les consoles de jeux utilisent depuis longtemps le retour haptique dans leurs contrôleurs, et le système « double choc » est devenu extrêmement populaire grâce aux réponses haptiques améliorées introduites par deux moteurs, un pour des vibrations plus légères et un autre pour un retour plus intense. De nos jours, des manettes comme le Steam Controller et la PlayStation DualSense changent la façon de jouer aux jeux grâce à un retour haptique ultra réaliste qui permet de sentir un sort s’accumuler dans une baguette ou de sentir que son personnage court sur de l’herbe ou du béton, par exemple, au lieu de tout simplement sentir le traditionnel grondement.
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Types de Retour Haptique
Il existe plusieurs façons de classer le retour haptique, chacune soulignant une facette différente de son application ou de sa sensation.
Retour Haptique vs. Alerte Vibratoire
Le retour haptique et l’alerte vibratoire sont différents mais souvent confondus. L'alerte par vibration est une fonctionnalité couramment trouvée dans les appareils de communication pour informer les utilisateurs des appels ou des messages entrants. Cette fonctionnalité est particulièrement répandue dans les téléphones mobiles et les téléavertisseurs et complète généralement la sonnerie traditionnelle. Les alertes par vibration sont principalement utilisées lorsqu'un utilisateur ne peut pas entendre la sonnerie, peut-être en raison d'un environnement bruyant ou d'une déficience auditive, ou lorsqu'il préfère une notification plus discrète, comme dans un théâtre. Par exemple, dans le contexte d'un smartphone, l'alerte par vibration se produit lorsque l'appareil vibre vigoureusement pour avertir l'utilisateur d'un appel entrant, garantissant une attention immédiate, notamment lorsque le téléphone est en mode silencieux ou placé dans une poche.
Le retour haptique, en revanche, vise à communiquer des informations plus nuancées. Par exemple, toujours sur un smartphone, les vibrations subtiles ressenties lors de la frappe sur un clavier virtuel, également appelées retours haptiques, fournissent une confirmation tactile à chaque pression de touche. Le retour haptique, utilisant le Taptic Engine, offre des tapotements précis et courts pour des interactions nuancées, visant à confirmer une action, simuler des textures, donner un feedback de collision, ou encore offrir un guidage directionnel.
Retour de Force contre Retour Tactile
Deux grands types de réponse haptique sont utilisés dans les interfaces homme-machine (IHM) : le retour de force et le retour tactile.
Le retour de force se caractérise par le joystick qui repousse la main de l’opérateur. Il en résulte la création de murs, de détentes ou d’une résistance à la charge parfaitement virtuels. Immersive, l’expérience convient idéalement aux fonctions critiques pour la sécurité. Le retour de force est davantage physique et a pour effet de guider le mouvement.
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Le retour tactile se manifeste par la commande qui émet de brèves vibrations ou impulsions. Elle confirme rapidement une action en consommant peu d’énergie, ce qui la rend bien adaptée aux interrupteurs compacts. Le retour tactile se veut à la fois plus rapide et plus simple. De nombreux systèmes combinent les deux pour proposer un fonctionnement intuitif.
Haptique Claire vs. Haptique Riche
Le retour haptique peut également être distingué par sa complexité et sa capacité expressive :
La haptique claire fait référence aux sensations nettes et précises associées à un événement discret, comme la pression sur un bouton. Android propose des effets haptiques clairs prédéfinis dans VibrationEffect. Ces vibrations simples, présentes sur tous les casques actuels, ont une intensité et une durée variables, comme une vibration brève quand on saisit un objet virtuel.
Les retours haptiques riches nécessitent généralement des actionneurs haptiques dont la bande passante de fréquence est plus large, ce qui permet d'obtenir une plus grande expressivité et une plus grande portée. À mesure que les cas d'utilisation du retour haptique se développent, les retours haptiques clairs disponibles peuvent parfois sembler simples et monotones. Les retours haptiques bourdonnants peuvent être caractérisés par des vibrations bruiteuses, aiguës et pénétrantes qui laissent un effet postérieur, comme une sensation de picotement, même après la fin de la vibration. L'haptique avancée, elle, utilise des actionneurs plus précis (LRA, voicecoil) pour simuler des textures au bout des doigts, comme avec des gants haptiques pour des sensations réalistes.
Applications Diverses du Retour Haptique
La technologie haptique, bien qu'encore méconnue du grand public dans sa terminologie, a imprégné la vie quotidienne de la majeure partie de la société et continuera de se développer rapidement.
Électronique Grand Public et Appareils Mobiles
Les exemples les plus courants de technologie haptique avec lesquels le commun des mortel est en contact au quotidien sont l’haptique sur le iPhone d’Apple et d’autres téléphones intelligents. Comme cela a déjà été démontré avec le iPhone, la technologie haptique est intégrée d’une manière ou d’une autre dans presque tous les téléphones intelligents offerts sur le marché aujourd’hui. Si l’on pouvait penser que la petite taille de ces appareils électroniques serait un obstacle à l’haptique, ce n’est pas le cas. Le retour haptique est également intégré à des appareils électroniques personnels plus gros, comme les ordinateurs. Les MacBook et MacBook Pro d’Apple sont équipés d’un pavé-pression qui met à profit la technologie haptique pour transmettre les clics et les opérations à l’utilisateur. Lors de l'utilisation d'interfaces à écran tactile, en synchronisant une impulsion de vibration en coordination avec les événements à l'écran, les utilisateurs peuvent ressentir la tactilité simulée des boutons à l'écran.
Jeux Vidéo
Le retour haptique dans les jeux vidéo remonte aux années 1970. Aujourd’hui, presque tous les jeux présentent une forme de technologie haptique. La vibration de votre manette de PlayStation quand votre voiture percute un mur est un exemple concret. Cette technologie fournit une confirmation d'action, simule des textures, offre un feedback de collision et même un guidage directionnel.
Environnements Professionnels et Industriels
Le retour haptique est en train de transformer la manière dont les opérateurs interagissent avec les systèmes de commande robustes. En introduisant des sensations tactiles (telles les vibrations, la résistance, ou les impulsions mécaniques) dans les joysticks et interrupteurs, il enrichit en effet la palette des moyens de communication entre les machines et leurs utilisateurs. Qu’il s’agisse d’une vibration subtile confirmant une commande ou d’un signal de force déconseillant un mouvement dangereux, la technologie haptique favorise la perception, accroît la précision de la commande, et renforce la confiance de l’opérateur. Ces améliorations s’avèrent particulièrement précieuses dans les environnements aussi exigeants que les véhicules tout-terrain, les plateformes de défense et les machines lourdes, où les retours sonores et visuels sont parfois limités.
Dans un joystick haptique, les actionneurs confirment les zones de saisie, bloquent les mouvements dangereux, ou simulent des détentes sans pièce mécanique. Un joystick à retour haptique est capable de vibrer pour signaler un changement de mode, de résister à un mouvement lorsqu’une limite de charge est atteinte, ou encore de guider un opérateur en l’éloignant d’une zone dangereuse. Dans un interrupteur à retour haptique, les signaux tactiles viennent remplacer les voyants sonores et lumineux. De brèves vibrations ou des sensations de clic confirment l’actionnement, même sur les surfaces plates ou étanches. Cela garantit la fiabilité de fonctionnement aux utilisateurs portant des gants ou travaillant dans un environnement bruyant. Les interrupteurs à retour procurent le même degré de confiance que les interrupteurs mécaniques traditionnels, mais dans un format robuste et étanche.
Les interfaces haptiques sont largement employées dans les secteurs où la précision et la sécurité constituent des impératifs : machines de construction pour une précision accrue, véhicules de défense pour des signaux tactiles silencieux, matériel agricole pour un fonctionnement fiable en milieu difficile, et manutention/chariots-élévateurs pour un retour intuitif améliorant l'ergonomie.
Dans les domaines médical et dentaire, le retour haptique a favorisé le développement de la chirurgie par téléprésence, ce qui permet aux meilleurs chirurgiens du monde entier d’opérer leurs patients à distance. En ce qui concerne l’aviation, le retour haptique permet aux pilotes, grâce à de l’équipement de pilotage, d’être instantanément conscients de tout problème et réduit le risque que les pilotes entrent dans des conditions de vol dangereuses. La technologie haptique ne fait pas seulement des vagues sur Terre : son évolution permet aux humains d’utiliser le retour haptique dans l’espace.
Divertissement Immersif et Simulation
Le retour haptique n’est pas seulement utile à des fins scientifiques et technologiques, mais aussi pour le divertissement. Il existe des technologies haptiques de ce type que les consommateurs peuvent acheter pour se divertir chez eux. Cette expérience est offerte aux cinéphiles grâce à des actionneurs qui leur permettent de ressentir des vibrations, des mouvements et des textures par leur siège de cinéma. Depuis près de 25 ans, D-BOX perfectionne l'art de l'haptique en concevant plus de 65 000 effets uniques à partir d'un mélange de mouvements, de vibrations et de textures.
En simulation de course, cela signifie ressentir ce que la voiture ressent. On sent quand les pneus perdent de l'adhérence, quand la surface de la route change ou quand la voiture commence à sous-virer dans un virage. L'une des caractéristiques de D-BOX est la précision de la rétroaction. Bien sûr, on le sent lorsque l'on frappe un mur, mais la plupart du temps, les sensations sont incroyablement subtiles. Ce retour haptique extrêmement précis permet aux pilotes professionnels de se préparer à certains circuits avant le jour de la course. Une étude publiée dans le Journal of Neural Engineering a traité des mécanismes sous-jacents qui augmentent le plaisir du spectateur lorsque le retour haptique est utilisé en combinaison avec des expériences de divertissement audiovisuel.
Les taux de réussite à l’examen de conduite proprement dit étaient également plus élevés pour le groupe qui s’était entraîné sur le simulateur, et il a été constaté que le groupe d’étudiants ayant utilisé le simulateur avait moins d’infractions au code de la route deux ans après l’obtention de leur permis. Cela démontre l'impact positif du retour haptique sur l'apprentissage et la performance.
Réalité Virtuelle (RV)
La réalité virtuelle (RV) a longtemps été réservée au monde universitaire et à l’industrie. Aujourd’hui, elle s’infiltre dans l’éducation, le tourisme, l’art, la thérapie et bien d’autres domaines encore. La réalité virtuelle a suscité un intérêt croissant ces dernières années sur le marché grand public, grâce à l’impact de progrès technologiques au niveau des casques, des contrôleurs et des rendus visuels et audio. Cependant, une expérience réalité virtuelle vraiment réussie et complète repose sur l’exploitation de toutes les modalités sensorielles et sur l’illusion donnée à l’utilisateur qu’il évolue dans un monde réaliste. Le projet WAVY vise à concevoir un dispositif haptique portable de pointe pour la réalité virtuelle, en mettant l’accent sur les illusions sensorielles et en le rendant accessible au public. Le résultat attendu est un dispositif avec une large gamme de retours (vibrations, pression cutanée, retour résistif) associé à une solution logicielle pour la création des interactions haptiques et des illusions sensorielles.
Un exemple parlant en RV pourrait être une formation à l'utilisation d'un défibrillateur, où l'apprenant ressent une vibration nette quand il positionne correctement les électrodes, et une vibration différente (plus forte, pulsée) quand le choc est délivré.
Principes de Conception et d'Intégration du Retour Haptique
Une partie importante du retour haptique est la variation de la sensation de vibration à mesure que d'autres entrées dans le système changent. Concevoir des systèmes haptiques efficaces exige une compréhension approfondie de la perception humaine et des capacités technologiques.
Subtilité et Cohérence
En ce qui concerne le retour haptique sur les appareils mobiles, moins c'est mieux. Un excès de vibration peut être gênant et même engourdir les mains, car l'appareil est généralement tenu dans la main et l'utilisateur est entièrement concentré. Ils peuvent également détourner l'attention de l'utilisateur de la tâche prévue, ce qui peut l'amener à désactiver rapidement toutes les haptiques. Le retour haptique doit servir deux objectifs principaux : avertir l'utilisateur d'un événement qui nécessite son attention, et ravir l'utilisateur avec des effets. Ces effets peuvent améliorer une action utilisateur en cours ou émuler une interaction physique.
Il est crucial d'être cohérent dans l'application de la haptique. Si une interaction particulière, comme l'envoi d'un formulaire ou la navigation dans l'application, est associée à un retour haptique, il faut s'assurer que le même effet est appliqué à toutes les interactions similaires.
Co-conception Multimodale
Nous recommandons vivement de co-concevoir les effets visuels, audio et haptiques. Il faut faire en sorte qu'il soit harmonieux ou congruent avec les animations visuelles et les motifs sonores. Un bon signal de retour haptique de clic de touche doit durer entre 10 et 20 millisecondes. Toutefois, l'actionneur peut continuer à sonner pendant 20 à 50 millisecondes après la fin d'une entrée de 20 millisecondes à l'actionneur, ce qui doit être pris en compte dans la conception. Si une action est couverte par une action prédéfinie présente dans HapticFeedbackConstants, utilisez cette constante. Si l'on crée son propre effet, il est judicieux d'utiliser les effets prédéfinis VibrationEffect et les primitives VibrationEffect.Composition. Il est possible de combiner les deux concepts pour créer des effets qui s'intensifient à mesure que l'interaction atteint une cible.
Robustesse et Intégration Industrielle
L'intégration du retour haptique dans les IHM procure de multiples avantages aux opérateurs comme aux systèmes : réduction des erreurs (chaque action se trouve confirmée par voie tactile), compatibilité avec le port de gants (les opérateurs perçoivent les vibrations même si la sensibilité est réduite), confiance de l’opérateur (les mouvements permettent de se sentir rassurés quant à l’exécution d’une commande), et programmabilité (les profils haptiques s’adaptent aux tâches, véhicules et préférences de l’utilisateur).
Les véhicules et machines industriels nécessitent des composants capables de résister à des conditions extrêmes. Un interrupteur étanche avec réponse haptique peut fonctionner à l’extérieur, résister à l’eau et à la poussière, et supporter de fortes vibrations. Un joystick robuste avec retour haptique maintient la précision de la commande même soumis à des chocs et à un usage continu. Les indices IP élevés et la conformité aux normes militaires assurent une fiabilité à long terme.
Les IHM haptiques modernes associent des actionneurs, une électronique de commande et un micrologiciel pour pouvoir fournir un retour intelligent. Ces systèmes peuvent être programmés pour confirmer une saisie par une brève vibration, avertir l’opérateur sous la forme d’une impulsion marquée, appliquer une résistance à l’approche d’une zone dangereuse, ou encore prévoir des détentes et des points de commande tactiles personnalisés. Grâce à la compatibilité avec CAN bus et d’autres protocoles industriels, l’intégration se distingue par sa simplicité. Les fabricants d'équipements d'origine (OEM) peuvent actualiser le comportement grâce à un logiciel, et créer ainsi des solutions flexibles selon le véhicule et l’accessoire censé en être équipé.
Si vous prévoyez d'incorporer la vibration et le retour haptique dans un nouveau PCB, vous devriez utiliser les outils CAO dans Altium Designer® pour concevoir votre nouvelle carte et placer les modèles de composants pour votre moteur de vibration haptique.