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DISPOSITIF DE DÉPLACEMENT OMNIDIRECTIONNEL Contexte L'objet de la présente invention est de proposer un dispositif permettant de déplacer des objets ou des personnes de manière omnidirectionnelle. Elle s'applique notamment à la simulation des conditions de déplacements multidirectionnels de personnes et, en particulier, dans le cadre des équipements de réalité virtuelle.
Etat de l'art Les équipements de réalité virtuelle sont des dispositifs où un ou plusieurs utilisateurs sont placés dans un environnement généralement piloté par un ou plusieurs calculateurs et où sont simulées les stimulations qui seraient perçues par ce ou ces mêmes utilisateurs dans la situation réelle qu'on veut simuler.
Les simulateurs de vol sont probablement l'exemple le plus connu, où le candidat pilote visualise un ou des écrans, entend des sons, perçoit des mouvements et utilise des instruments comme si il se trouvait réellement aux commandes d'un avion.
La simulation de la progression d'une personne sur un terrain a priori quelconque rend le dispositif de réalité virtuelle plus complexe que lorsqu'il s'agit de simuler un parcours à l'intérieur d'un véhicule. Pour des raisons pratiques, il faut en effet que l'espace réel de simulation reste limité, alors que l'espace virtuel que l'utilisateur est sensé parcourir peut avoir des dimensions nettement plus grandes.
Une approche du problème consiste à placer l'utilisateur sur un tapis roulant, de sorte que l'utilisateur peut avoir l'impression de marcher alors que, en réalité, il reste sur place. Cette approche est cependant limitée par le fait que la simulation de progression n'est possible que dans une seule direction (celle du tapis roulant).
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Diverses solutions ont été proposées pour augmenter le nombre de degrés de liberté du mouvement de l'utilisateur et notamment, comme décrit dans le brevet US6152854, un tapis roulant constitué de galets ou de sphères pouvant pivoter autour de la direction d'avancement du dit tapis roulant.
Cette solution autorise théoriquement des mouvements de translation de l'utilisateur dans n'importe quelle direction, mais elle présente l'inconvénient de nécessiter la confection d'une structure de tapis roulant complexe, dont la surface donnera à l'utilisateur une sensation de contact sensiblement différente de celle d'un terrain réel.
Une autre méthode décrite dans le brevet US6050822 consiste à utiliser une plate-forme équipée d'électro-aimants sur laquelle un utilisateur muni d'une tenue adéquate serait déplacé à l'aide des forces électromagnétiques. Cette solution requiert cependant une plate-forme très sophistiquée, vraisemblablement très coûteuse à réaliser et nécessite par ailleurs l'utilisation d'une tenue (au minimum les chaussures) spécialement adaptée.
L'objet de la présente invention est de proposer une solution relativement simple à mettre en oeuvre et autorisant a priori n'importe quel mouvement de translation ou de rotation de l'utilisateur. Cette solution consiste à faire glisser sur une plate-forme de soutien une toile sur laquelle peut se mouvoir l'utilisateur. Grâce à des mécanismes qui permettent de déplacer la toile par rapport à la plate-forme, on réalise une sorte de tapis roulant omnidirectionnel, qui autorise les mouvements de rotation ou de translation dans toutes les directions.
La description qui va suivre détaille quelques réalisations de l'invention pour des équipements de simulation en réalité virtuelle. Cette description est donnée à titre illustratif, mais ne doit pas être considérée comme restrictive ni exhaustive, car de multiples autres cas d'application pourront aisément être envisagés par l'homme de l'art. En particulier, cette invention
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porte également sur les améliorations possibles des équipements d'apprentissage, réhabilitation, exercice et/ou entraînement physique, des simulateurs de mouvements ludiques ou pour professionnels, des systèmes d'analyse du mouvement, ou encore des outils de transport omnidirectionnel d'objets ou de personnes.
Le dispositif suivant l'invention permet des déplacements omnidirectionnels d'objets ou de personnes. Ce dispositif comprend une plate-forme de soutien sur laquelle ou au-dessus de laquelle une toile peut glisser en translation et/ou en rotation et des moyens permettant de déplacer la toile par rapport à la plate-forme. La toile est avantageusement réalisée d'une couche anti-friction (tournée vers la plate-forme) et d'une deuxième couche anti-glissement ou adhérente opposée à la première couche (tournée vers le dessus). Le rapport entre les coefficients d'adhérence et de glissement sera de préférence supérieur à 5.
La toile est avantageusement réalisée en une matière relativement peu élastique pour permettre une bonne transmission des efforts et mouvements entre, d'une part, les moyens permettant de déplacer la toile par rapport à la plate-forme et, d'autre part, la ou les personnes ou le ou les objets posés sur la toile.
Le coefficient d'élasticité de la toile dépend de l'application et de la surface exigée par l'application. Dans le cadre d'une application demandant une dizaine de m2 de surface utile de la plate-forme, le coefficient d'élasticité (exprimé comme étant la force, par mm linéaire, à exercer pour étendre la toile de 1 % en longueur) sera avantageusement supérieur à 1 Newton/mm.
Dans le cadre d'application avec toile fermée, ce coefficient pourra avantageusement être diminué jusqu'à un dixième de Newton, voire même encore moins pour des applications en petites dimensions et petites charges.
Ces coefficients pourront être plus grands dans le cadre d'application mettant en #uvre des charges et des dimensions plus importantes.
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Selon une forme de réalisation, le dispositif comporte un moyen de contrôle, en particulier un calculateur, contrôlant le déplacement de la toile par rapport à la plate-forme Avantageusement, il comporte des capteurs fournissant, de préférence en permanence, audit moyen de contrôle, en particulier calculateur, des informations sur la position des personnes ou objets présents sur la toile.
Selon une forme de réalisation particulière, la toile a une surface ouverte de dimensions suffisantes pour permettre des déplacements dans toutes les directions avec une amplitude suffisante pour l'application ciblée. Selon une caractéristique avantageuse, la plate-forme de soutien est montée mobile de manière à assurer un positionnement et/ou une inclinaison à au moins une ou des parties de la plate-forme par rapport à une position de référence, cette inclinaison étant avantageusement opérée autour d'au moins deux axes perpendiculaires entre eux. Par exemple, le dispositif comporte une série de vérins agissant sur une ou des parties de la plateforme pour assurer le positionnement et/ou l'inclinaison d'une ou de parties de la plate-forme.
Selon un détail, la plate-forme comprend plusieurs parties mobiles l'une par rapport à l'autre, permettant d'imposer un relief à la toile, les dites parties mobiles étant avantageusement reliées entre elles par un ou des moyens de pivotement ou articulations.
Selon une forme de réalisation avantageuse, une chambre est formée ou s'étend entre la plate-forme et la toile, ladite chambre étant adaptée pour modifier le relief et/ou des caractéristiques de contact de la toile. En particulier, la chambre est définie par une enveloppe remplie d'un matériau fluide ou sensiblement fluide ou visqueux ou particulaire. Cette enveloppe est par exemple une enveloppe souple et/ou élastique attachée en au moins des points à la plate-forme. La toile est quant à elle montée mobile par rapport à l'enveloppe.
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Avantageusement, le mouvement de la toile est contrôlé par des mécanismes comprenant une ou plusieurs sphères passives et au moins une sphère motrice.
De préférence, lesdits mécanismes sont localisés aux sommets de polygones comportant, avantageusement trois ou au moins trois côtés, en particulier 6 ou 8 côtés. Par exemple, le dispositif comprend des dispositifs avec des roues à galets pour assurer l'entraînement et/ou le positionnement des sphères.
Dans une forme de réalisation, où la toile est une surface fermée dans laquelle est enfermée la plate-forme de soutien, la toile a avantageusement une surface au moins égale à 5 fois, avantageusement 20 à 50 fois la surface de ladite plate-forme et est adaptée pour glisser sur la plate-forme avec une faible déformation élastique. Dans le cas d'une plate-forme sensiblement circulaire enfermée dans une toile approximativement sphérique ou de partie de sphère, la sphère formant la toile a un diamètre avantageusement au moins trois fois supérieur au diamètre de la plateforme.
Selon une forme de réalisation, la plate-forme de soutien est maintenue à l'aide de dispositifs mettant en oeuvre des forces d'attraction et ou de répulsion à distance.
Avantageusement, lesdits dispositifs d'attraction et ou répulsion sont constitués d'aimants ou d'électro-aimants.
En particulier, ladite plate-forme comprend plusieurs parties mobiles l'une par rapport à l'autre, permettant d'imposer un relief à la toile.
Par exemple, l'énergie nécessaire au positionnement des dites parties mobiles est fournie par couplage à distance, en particulier par couplage sous forme électromagnétique.
Description
La figure 1 illustre une réalisation particulière de l'invention. La surface de contact entre la plate-forme de soutien 101 et la toile 102 est telle que
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cette dernière peut glisser sur la dite plate-forme avec un coefficient de friction faible. Sur l'illustration, cette surface de contact est représentée comme étant approximativement plane, mais de multiples autres réalisations sont possibles avec d'autres formes de surface de contact.
Le coefficient de friction de la toile 102 sur la plate-forme 101 est inférieur à 0,25 et même avantageusement plus petit que 0,15, tandis que la toile est réalisée en un matériau flexible ou souple, présentant une élongation inférieure à 1 % pour une traction permettant les accélérations et les mouvements de la charge sur la toile (poids correspondant aux personnes ou aux objets devant se déplacer sur la toile).
Les moyens 103 permettent d'imposer à la toile des mouvements de translation et ou de rotation par rapport à la plate-forme 101. Ces moyens sont choisis de telle manière que la translation de la toile est possible dans n'importe quelle direction du plan imaginaire de jointure entre la toile 102 et la plate-forme 101et que la rotation de cette toile est possible autour de n'importe quel axe perpendiculaire à ce plan imaginaire.
Dans le cadre d'une application de réalité virtuelle, les déplacements de la toile 102 en sens inverse des mouvements de l'utilisateur 104, permettent donc de ramener en permanence, ou dans un délai suffisamment court, la position de ce dernier au centre de la plate-forme de soutien 101.
La surface totale de la toile 102 est suffisamment grande par rapport à celle de la plate-forme 101 pour permettre de simuler des mouvements de translation dans une direction avec une amplitude suffisante pour l'application visée. Dans le contexte d'une application de réalité virtuelle, il suffit de dimensionner la toile par rapport à la plus grande distance parcourue dans une même direction au cours du trajet virtuel de l'utilisateur.
La nature de la toile 102 est a priori quelconque, à condition que soient préservées 2 caractéristiques essentielles : part, le faible coefficient de friction avec la plate-forme 101 et, d'autre part, la faible élasticité de la toile 102. Pour pouvoir communiquer des accélérations à la personne 104 ou aux objets 105 présents sur la toile 102, il est en effet nécessaire que la
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toile ne se déforme pas trop sous l'action des moyens de déplacements 103.
De manière générale, les moyens 103 qui permettent de déplacer la toile 102 par rapport à la plate-forme 101 sont commandés par un calculateur 107 (ou tout autre système de contrôle), qui reçoit des informations sur la position de l'utilisateur 104 grâce à une série de capteurs 108. Le type et le nombre de capteurs nécessaires dépendront de l'application visée ; ils seront choisis parmi les nombreux dispositifs disponibles sur le marché et bien connus de l'homme de l'art.
Outre l'utilisateur 104, pour certaines applications, il est également possible que un ou plusieurs objets 105 soient présents sur la toile et déplacés avec elle. Dans une réalisation de l'invention, de tels objets peuvent être déposés sur la toile 102 et en sont retirés par l'intermédiaire d'un robot ou d'un manipulateur 106. Dans une application de réalité virtuelle, de tels objets peuvent simuler des obstacles survenant sur le parcours de l'utilisateur.
Dans une réalisation préférée de l'invention, illustrée à la figure 2, le faible coefficient de friction entre la toile 201 et la plate-forme 202 peut être obtenu grâce à l'emploi d'une toile 201 semblable à celle couramment utilisée, par exemple, dans les équipements de fitness, qui a la particularité de présenter une face 203 de faible adhérence (en contact avec la plateforme 202), tandis que l'autre face 204, au contraire, ne permet pas à l'utilisateur 205 de glisser sur elle.
La figure 3 présente une réalisation possible de l'invention où la plate-forme de soutien 301 est rendue inclinable dans plusieurs directions. L'inclinaison de la plate-forme peut être commandée par exemple grâce à l'utilisation de vérins 302. Dans une application de réalité virtuelle, on peut ainsi aisément simuler les pentes du terrain que l'utilisateur est virtuellement occupé à parcourir.
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Dans une autre réalisation de l'invention décrite à la figure 4, la plate-forme de soutien 401 est composée de plusieurs parties 402 mobiles l'une part rapport à l'autre, permettant d'imposer un relief particulier à la toile 403.
Dans une application de réalité virtuelle, on peut ainsi simuler les irrégularités du terrain que l'utilisateur est supposé parcourir.
La figure 5 illustre une autre façon de modifier le relief de la toile 502, en insérant un volume 503 entre la plate-forme 501 et la toile 502. Dans cette autre réalisation de l'invention, la texture particulière d'un terrain qu'on veut simuler (par exemple: sable, boue, etc. ) peut être rendue en utilisant un volume 503 constitué d'une enveloppe 504 remplie d'un matériau 505 adéquat (eau, sable, gel, etc. ). Dans cette réalisation, c'est le coefficient de friction entre la toile 502 et l'enveloppe 504 qui sera rendu faible, par le choix de matières appropriées.
Dans une réalisation de l'invention, le mouvement de la toile par rapport à la plate-forme de soutien est imposé par des sphères, comme illustré à la figure 6. Cette figure est donnée à titre d'exemple de mécanisme capable de commander le mouvement relatif de la toile 602 par rapport à la plateforme 601, mais elle ne doit pas être considérée comme restrictive, car il est évident que l'homme de l'art n'aura aucune peine à imaginer d'autres modes d'entraînement de la toile 602.
Dans la réalisation illustrée, l'entraînement de la toile se fait à l'aide de sous-ensembles comportant chacun 4 sphères. Les 3 sphères inférieures 603 sont passives, tandis que la sphère supérieure 604 est la sphère motrice. Comme déjà mentionné, d'autres mécanismes d'entraînement de la toile sont concevables par l'homme de l'art. En particulier la présence de 3 sphères passives 603 n'est pas indispensable, puisque la combinaison d'une seule sphère passive 603 et d'une sphère motrice 604 serait suffisante. Le mécanisme illustré a cependant l'avantage d'empêcher toute translation entre la plate-forme 601 (à laquelle sont fixées les sphères
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passives 603) et la sphère motrice 604, ce qui s'avérera utile dans une autre réalisation de l'invention qui sera décrite plus loin.
La toile ou membrane est engagée entre la sphère motrice et les sphères passives.
Les sphères actives seront choisies ou munies d'un revêtement adéquat pour éviter sensiblement tout effet de glissement de la toile par rapport aux sphères actives.
Chaque sphère est maintenue mécaniquement en place par les galets 605 (de préférence, des galets multidirectionnels à billes seront utilisés) ou les roues à galets 606, de sorte que le centre de chaque sphère est immobile par rapport à la plate-forme 601. Les galets 605 des sphères passives peuvent pivoter librement, tandis que les roues à galets 606 sont couplés à des moteurs, eux-mêmes pilotés par le calculateur qui gère les mouvements de la toile 602.
La face supérieure de la toile 602 présentant un coefficient de friction important, tout mouvement de la sphère motrice 604 impose un déplacement de la toile 602. L'action des moteurs d'entraînement des galets 606 est ainsi transmise à la toile 602.
Le nombre et le positionnement des sous-ensembles d'entraînement de la toile dépendront des contraintes de l'application visée et résulteront du compromis entre, d'une part, le coût et la complexité de réalisation (qui inciteront à réduire le nombre de sous-ensembles) et la diversité et la fluidité des mouvements possibles de la toile (d'autant meilleures que le nombre de sous-ensembles sera grand). La figure 6 illustre le cas où 6 sous-ensembles ont été disposés aux sommets d'un hexagone.
La figure 7 détaille l'interaction des sphères 701 avec les roues à galets 702. De telles roues sont munies de galets 703 sur leur périphérie et permettent d'éliminer les pertes par friction des galets classiques sur la sphère lors des mouvements transversaux de la sphère par rapport aux galets (comme par exemple dans le cas d'une souris d'ordinateur).
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La technologie actuelle permet d'imaginer un large éventail de possibilités pour les mécanismes d'entraînement de la toile par rapport à la plate-forme et les descriptions données ci-avant constituent des illustrations de quelques-unes de ces possibilités. Elles ne doivent pas être considérées comme restrictives, car il est entendu que de multiples variantes existent sans pour autant s'écarter de l'esprit de la présente invention. A titre d'exemple et de manière non exhaustive, nous citerons l'utilisation possible de moteurs sphériques qui permettrait d'induire directement les mouvements des sphères motrices sans l'intermédiaire des roues à galets, ou l'action de roues à galets directement sur la toile (en vis à vis des sphères passives), ou encore, l'utilisation de galets à billes au lieu des sphères passives.
La figure 8 illustre une réalisation plus complexe de l'invention, mais qui permet de ne pas limiter le mouvement de translation dans la même direction. Pour obtenir le même résultat avec un système tel que décrit à la figure 1, il faudrait une toile 102 de dimension infinie, ce qui est bien entendu irréalisable. La solution réside dans l'utilisation d'une surface fermée plutôt que d'une surface ouverte.
Comme indiqué sur la figure 8, la toile 802 est donc une surface fermée, de forme approximativement sphérique et dans laquelle se trouve la plateforme de soutien 801.
Cette dernière étant complètement enfermée dans la toile 802, son positionnement requiert des techniques plus sophistiquées, mettant en #uvre des forces d'attraction ou de répulsion à distance. Dans la réalisation illustrée à la figure 8, la plate-forme 801 est maintenue par les aimants ou électro-aimants 803, qui exercent leur attraction sur les masses 804, par exemple en matériau ferromagnétique, dont la plate-forme 801 a été expressément pourvue.
L'action des électro-aimants attire la plateforme 801 vers le haut et l'empêche de retomber, tandis que les dispositifs d'entraînement 805, comportant chacun 3 sphères passives et une sphère motrice, fixent la position de la plate-forme et l'empêchent de se déplacer
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latéralement par rapport au bâti 806 auquel sont fixés les électro-aimants et les sphères motrices.
Dans une variante (non illustrée) de la réalisation illustrée à la figure 8, la plate-forme 801 peut être constituée de parties mobiles l'une par rapport à l'autre, permettant d'imposer un relief particulier à la toile. L'énergie nécessaire au positionnement relatif de ces parties mobiles peut être fournie par couplage à distance, par exemple sous forme électromagnétique.
Dans une autre variante de l'invention, non illustrée, les dispositifs d'entraînement sont conçus pour maintenir une tension suffisante de la toile, elle-même suffisamment robuste pour supporter le poids d'un ou plusieurs utilisateurs et/ou objets placés sur elle. Dans cette variante, il n'y a donc plus de plate-forme de soutien, puisque son rôle est rempli par la toile tendue suffisamment robuste.
Comme indiqué plus haut, l'élasticité de la toile doit être faible, de manière à pouvoir induire des accélérations suffisamment importantes. Cette condition peut être remplie en utilisant une toile de dimensions suffisamment grandes.
A titre d'illustration, la figure 9 montre une toile 902 approximativement sphérique qui doit glisser sur une plate-forme 901 consistant en un disque de 3 mètres de rayon. On démontre aisément que si on veut limiter à 2% la dilatation linéaire de la partie 903 de la toile 902 en contact avec la plateforme 901, il suffit que le rayon de la sphère que constitue la toile 902 soit au moins de 9 mètres.
Ce calcul doit être considéré comme une validation des principes énoncés dans la description et non comme une restriction à la réalisation particulière qui est illustrée à la figure 9. Il va de soi que ses résultats pourront aisément être transposés par l'homme de l'art à toute autre configuration de réalisation de la présente invention.