CA3220056A1 - Interface de stimulation tactile a actionneurs resonants - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne une interface de stimulation tactile (10), comprenant une face tactile et une deuxième face (8) munie d'au moins un actionneur (1a, 1b, 1c, 1d), l'interface (10) étant caractérisée en ce que la deuxième face (8) comprend au moins une zone de confinement des ondes acoustiques (11), la zone de confinement (11) étant délimitée par au moins un miroir acoustique (9) réalisé par un métamatériau acoustique configuré pour réfléchir les ondes acoustiques de fréquences comprises dans un intervalle prédéterminé, appelé bande interdite, l'interface (10) étant en outre caractérisée en ce que chaque miroir acoustique (9) et chaque actionneur (1a, 1b, 1c, 1d) comprennent un système configuré pour générer et transmettre des ondes acoustiques à la face tactile (7) et pour empêcher la propagation d'ondes acoustiques de fréquences comprises dans la bande interdite.

Description

Description INTERFACE DE STIMULATION TACTILE A ACTIONNEURS
RESONANTS
[0001] La présente invention a pour objet une interface de stimulation tactile.
L'invention permet en particulier de localiser spatialement des stimuli tactiles.

[0002] Une interface de stimulation tactile est destinée à restituer une information tactile, telle qu'une texture, un relief, une rugosité variable dans le temps et/ou l'espace, une illusion d'appuyer sur un matériau souple, de presser une touche.

[0003] L'exploration tactile des surfaces est omniprésente dans les interactions quotidiennes avec les nouvelles technologies du numérique et de l'informatique, qu'il s'agisse de glisser le doigt sur un smartphone ou d'interagir avec un pavé
tactile. Cependant, les dispositifs existants manquent souvent d'un retour haptique convaincant. La plupart de ces dispositifs haptiques stimulent le sens du toucher par le biais de vibrations. Le problème est qu'il est très difficile d'empêcher ces vibrations de se propager dans l'intégralité du dispositif et par conséquent de rendre une information tactile floue à l'utilisateur. Pour créer des retours haptiques à haute-fidélité, notamment sur les zones corporelles dotées d'une grande acuité (la main par exemple), il est alors nécessaire de pouvoir localiser les stimuli tactiles. Il s'agit d'un objectif majeur de la recherche haptique.

[0004] Des solutions existent pour la localisation de signaux haptiques, mais elles présentent de nombreux inconvénients. Par exemple, certaines dépendent grandement de la forme des actionneurs et des conditions aux limites de fixation du dispositif. D'autres sont basées sur une approche logicielle, comme par exemple le retournement temporel et le filtre inverse. Ceci nécessite une importante puissance de calcul, incompatible avec les contraintes d'asservissement en temps réel des systèmes haptiques.

[0005] On pourrait envisager d'utiliser des métamatériaux acoustiques issus d'une distribution périodique de résonateur locaux qui se comportent tels des miroirs acoustiques, ces derniers étant agencés spatialement pour créer des guides d'ondes. Cette solution a toutefois pour inconvénient la présence de zones mortes entre les guides d'ondes. Il s'ensuit une réduction de la densité des signaux acoustiques pouvant être contrôlés. Ces structures passives sont de surcroît obtenues par des discontinuités de la matière ou de la géométrie. Il est donc impossible de les reconfigurer spatialennent une fois qu'elles sont fabriquées. Les guides d'ondes sont ainsi immuables, ce qui limite grandement leur usage.

[0006] La présente invention vise à remédier à ces inconvénients.

[0007] L'invention a pour objet une interface de stimulation tactile, comprenant une première face, destinée à être explorée tactilennent, et appelée face tactile, et une deuxième face munie d'au moins un actionneur, ledit au moins un actionneur étant configuré pour être excité de manière générer et à transmettre des ondes acoustiques à la face tactile.

[0008] Dans l'interface selon l'invention, la deuxième face comprend au moins une zone de confinement des ondes acoustiques générées par ledit au moins un actionneur, ladite au moins une zone de confinement étant délimitée au moins en partie par au moins un miroir acoustique réalisé par un méta matériau acoustique configuré pour réfléchir les ondes acoustiques de fréquences comprises dans un intervalle prédéterminé, appelé bande interdite, ladite bande interdite incluant la fréquence porteuse des ondes acoustiques générées par ledit au moins un actionneur.

[0009] La fréquence porteuse est la fréquence d'une onde sinusoïdale qui est ensuite modulée par un signal qui contient l'information haptique.

[0010] L'interface est en outre caractérisée en ce que ledit au moins un miroir acoustique et ledit au moins un actionneur comprennent chacun un système configuré pour, dans une première configuration, générer et transmettre des ondes acoustiques à la face tactile et pour, dans une deuxième configuration, empêcher la propagation d'ondes acoustiques de fréquences comprises dans la bande interdite.

[0011] Ledit au moins un actionneur et ledit au moins un miroir acoustique peuvent comprendre un actionneur résonant. La résonance de l'actionneur résonant peut s'effectuer dans un mouvement de translation ou de rotation. En particulier, l'actionneur résonant peut osciller dans un mouvement de translation ou de rotation.

[0012] Chaque actionneur résonant peut comprendre une masse, un ressort, un aimant et une bobine.

[0013] L'actionneur résonant peut être configuré pour générer et transmettre des ondes acoustiques à la face tactile lorsqu'un courant traverse la bobine et l'actionneur résonant peut être configuré pour empêcher la propagation d'ondes acoustiques de fréquences comprises dans une bande interdite lorsqu'aucun courant ne traverse la bobine.

[0014] La bande interdite du métamatériau acoustique peut être comprise dans un intervalle de fréquences inférieures à 500 Hz.

[0015] La première face et la deuxième face peuvent appartenir à un support, tel qu'une plaque. Le support peut être réalisé dans n'importe quel matériau rigide (métal, verre, plastique, composites). Il peut également être réalisé en une plaque fonctionnelle tel qu'un écran capacitif qui pourra avantageusement mesurer la position spatiale d'un ou de plusieurs doigts en contact.

[0016] Ladite au moins une zone de confinement des ondes acoustiques peut être une surface aux bords orthogonaux ou une surface circulaire.

[0017] D'autres avantages et particularités de la présente invention résulteront de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux figures annexées :

[0018] [Fig. 1] est une vue en coupe d'un actionneur linéaire résonant utilisé
dans une interface de stimulation tactile selon l'invention,

[0019] [Fig. 2] est une vue en perspective d'une interface de stimulation tactile selon l'invention, et

[0020] [Fig. 3] est une vue en perspective de l'interface de stimulation tactile de la figure 2 lorsqu'elle est mise en uvre par un utilisateur.

[0021] DESCRIPTION DETAILLEE

[0022] Une interface de stimulation tactile selon l'invention met en uvre un métamatériau actif donc l'élément unitaire est un actionneur électromagnétique résonant 1 (figure 1). Cet actionneur résonant est composé au minimum d'une masse 2, d'un ressort 3, d'un aimant 4, et d'une bobine 5, assemblés pour effectuer un mouvement de translation ou de rotation. Ces composants lui confèrent deux états commutables électroniquement, dont un état "actionneur"
lorsqu'un courant est imposé dans la bobine, et un état "résonateur" si la bobine est en circuit ouvert. Dans le mode résonateur et, pour une plage de fréquences donnée qualifiée de bande interdite (band gap en langue anglaise), les ondes acoustiques ne peuvent pas se propager.

[0023] Grâce à sa conception, la fréquence d'actionnennent d'un élément 1 dans 1.0 l'état "actionneur" est intrinsèquement identique à la fréquence de résonance d'un élément dans l'état "résonateur". Cette particularité permet aux éléments dans l'état "résonateur" d'être de facto des miroirs acoustiques optimisés pour réfléchir les vibrations produites par les éléments 1 dans l'état "actionneur". C'est la commutation entre ces deux états qui reconfigure les miroirs acoustiques et ainsi réactualise les zones de confinement des ondes acoustiques, appelées guides d'ondes, en fonction de l'usage. La nature modulaire de ce nouveau métamatériau ouvre la porte à de nombreuses applications. C'est notamment le cas pour le domaine haptique où la création de stimuli vibrotactiles localisés, autrement dit des pixels tactiles dit "taxels", est un enjeu majeur.

[0024] L'invention a deux objectifs principaux. Le premier est de supprimer les zones mortes entre les guides d'ondes et le second est de reconfigurer spatialement ces derniers. Pour cela, l'idée générale est de construire un métamatériau via un élément unitaire 1 pouvant être commuté entre les états "actionneur" et "résonateur".

[0025] Sur les figures 2 et 3, on peut voir représenté schématiquement un exemple d'interface tactile 10 selon l'invention comportant un support 6, tel qu'une plaque, comprenant une première face 7 et une deuxième face 8 opposée à la première face 7.

[0026] La première face 7 est destinée à être explorée tactilement, par exemple par les doigts d'un utilisateur. La première face 7 est désignée surface tactile.

[0027] Dans l'exemple représenté, la face tactile 7 est plane, ainsi que le support 6, mais la présente invention s'applique également à des surfaces tactiles courbes et à des supports courbes. Le support peut être tout élément offrant une grande longueur par rapport à son épaisseur et pouvant être plan au moins en partie et/ou présentant une ou plusieurs courbures.

[0028] La face tactile 7 peut être destinée à être touchée par la pulpe d'un doigt ou de plusieurs doigts 12a, 12b. On peut également envisager que la surface tactile 7 soit apte à appliquer une stimulation à toute partie du corps de l'utilisateur sensible au toucher.

[0029] La deuxième face 8 est munie d'un ou plusieurs actionneurs résonants linéaires la, lb, lc, ld agencés suries figures 2 et 3 sur une ligne afin de former un métamatériau acoustique en une dimension. On peut également envisager de disposer les actionneurs résonants linéaires la, lb, lc, ld sur une surface à
deux dimensions. L'élément unitaire de l'interface tactile 10 est ainsi un actionneur électromagnétique résonant suivant un mouvement de translation. Ce type d'actionneur est fréquemment appelé Linear Resonant Actuator (LRA) en langue anglaise et est communément implémenté dans les smartphones. Sa fréquence de résonance est typiquement comprise entre 100 et 300Hz, 170Hz dans le cas décrit, ce qui en fait un candidat idéal pour les applications haptiques avec retour vibrotactile. Ses faibles dimensions (10mm x lOmm x zl-mm) sont idéales pour créer un nnétannatériau avec un réseau dense. Des expériences préliminaires ont mis en évidence la capacité qu'a un groupe de plusieurs éléments à l'état "résonateur" à bloquer la propagation d'ondes acoustiques générées par un élément à l'état "actionneur".

[0030] Ainsi, si par exemple l'actionneur résonant linéaire la est à l'état "actionneur", il transmet des vibrations (ondes acoustiques) de fréquence 170 Hz à la plaque 6. Si les actionneurs résonants linéaires lb, lc et ld sont à l'état "résonateur", leur bande interdite est centrée sur la fréquence de 170 Hz et ils forment un miroir acoustique 9 qui réfléchit les ondes acoustiques. Ainsi, le doigt 12a de l'utilisateur situé à la gauche de l'interface 10 perçoit des vibrations, tandis que le doigt 12b de l'utilisateur situé à la droite de l'interface 10 ne percevra pas de vibrations.

[0031] Dans un deuxième exemple, si l'actionneur résonant linéaire la émet des vibrations à une fréquence hors de la bande interdite, par exemple 270 Hz, alors les actionneurs résonants linéaires lb, lc et ld ne forment plus un miroir acoustique et les vibrations émises par l'actionneur résonant linéaire la se propageront jusqu'au doigt gauche 12a, mais également jusqu'au doigt droit 12b de l'utilisateur.

[0032] L'invention a pour objectif de localiser spatialement des stimuli haptiques.
Pour obtenir une zone de vibration localisée, l'interface selon l'invention met en oeuvre un miroir acoustique 9. En termes mécaniques, un miroir acoustique équivaut à une condition aux limites encastrée. Ce type de condition est difficile à
réaliser en pratique. Par exemple, un collage polymérique ne suffirait pas à
empêcher la propagation d'énergie vibratoire à cause de sa trop grande souplesse.

[0033] L'invention utilise des métamatériaux qui ont pour particularité
d'empêcher la propagation des vibrations sur une certaine plage de fréquence. Les métamatériaux se comportent alors comme des miroirs acoustiques, ce qui permet de délimiter des zones de rendu tactile.

[0034] Les métamatériaux acoustiques sont des structures artificielles dont les propriétés acoustiques à l'échelle macroscopique n'existent pas dans la nature, ces nnétannatériaux présentent par exemple un indice de réfraction négatif ou une densité négative. Ils peuvent être conçus pour posséder une bande interdite, c'est-à-dire une plage fréquentielle dans laquelle les ondes acoustiques ne se propagent pas.

[0035] Ainsi, le miroir acoustique 9 constitué de méta matériaux est agencé
spatialement pour créer une zone de confinement des ondes acoustiques 11, qui est appelée guide d'ondes. Le guide d'ondes 11 peut être par exemple de forme rectangulaire. Sur la figure 3, le guide d'ondes 11 est la zone de la plaque 6 située entre l'actionneur la en mode "actionneur" et le doigt gauche 12a. Les métamatériaux sont dans ce cas automatiquement optimisés pour que la bande interdite inclue la fréquence porteuse du signal haptique. Cette fréquence porteuse peut être à basses fréquences dans le domaine vibrotactile (des fréquences inférieures à 500Hz).

[0036] Le support 6 de l'interface tactile peut être plan. On peut également utiliser un support courbé sans que cela affecte son fonctionnement. Il est également possible de réaliser un nnétannatériau acoustique dans un volume avec une périodicité spatiale tridimensionnelle.

[0037] La plupart des nnétamatériaux acoustiques sont constitués de peu de composants. Parfois monoblocs, ils sont néanmoins le plus souvent obtenus en combinant deux matériaux aux propriétés (module d'Young et densité) radicalement différentes (silicone et tungstène par exemple). En tout cas, ils nécessitent peu d'opérations d'assemblage ce qui facilite leur fabrication. Le nouveau métamatériau ici proposé est actif grâce à l'ajout d'une bobine et d'un aimant. L'intégration de ces nouveaux composants peut s'avérer longue et 1.0 coûteuse, d'autant plus que la matrice formée des éléments unitaires est grande.
Cette difficulté peut être surmontée en utilisant des actionneurs résonants déjà
existants dans le commerce. C'est notamment le cas des actionneurs résonants linéaires (Linear Resonant Actuators en langue anglaise) qui sont couramment implémentés dans les smartphones pour apporter un retour haptique. Leur production en masse permet une réduction du coût et du nombre d'opérations d'assemblage nécessaires.

[0038] Pour certaines applications, il est nécessaire d'avoir un métamatériau peu encombrant. Cela est d'autant plus critique que la fréquence de stimulation est basse car les dimensions du résonateur augmentent alors inexorablement (diminution de la raideur et augmentation de la masse oscillante). Une première piste est l'utilisation des actionneurs résonants linéaires qui sont développés pour être le plus compact possible compte tenu de leur usage dans les smartphones.

[0039] Une autre problématique également liée au grand nombre d'actionneurs est la consommation énergétique. Cela peut être critique dans des applications portables. Une solution est d'augmenter le facteur de qualité du résonateur au sein de l'élément unitaire. Ainsi, moins d'énergie électrique est nécessaire à

amplitude de vibration égale.

[0040] Pour faire de larges zones vibrantes, plusieurs éléments unitaires adjacents doivent être dans l'état "actionneur".

[0041] On peut envisager différentes applications de l'interface de stimulation tactile selon l'invention.

[0042] Certains ordinateurs portables possèdent un pavé tactile très allongé, faisant office de barre tactile. Celles-ci sont néanmoins dépourvues de retour haptique.
Des actionneurs linéaires résonants peuvent être fixés sous ce type de barre tactile pour générer et localiser des stimuli vibrotactiles. L'avantage de cette solution est sa compacité ainsi que l'absence de contraintes sur les conditions aux limites créées par la fixation de la barre tactile.

[0043] Il est difficile d'implémenter un retour haptique sur une grande surface, par exemple sur un écran d'ordinateur ou une portière de voiture, notamment à
cause de la puissance d'actionnement requise. Pour certaines applications, il n'est cependant pas nécessaire que le retour haptique se fasse sur l'intégralité
de ladite surface. Les métamatériaux acoustiques offrent alors une solution pour délimiter la zone de vibration et ainsi réduire la puissance requise.

[0044] De nombreuses applications de la vie courante nécessitent une exploration tactile à deux mains, que ce soit la perception de textures ou la lecture du braille.
Cependant, la plupart des interfaces tactiles existantes ont un retour haptique identique sur l'intégralité de leur surface et sont par conséquent limitées à
des interactions avec un seul doigt. L'utilisation d'actionneurs linéaires résonants pour former un métamatériau acoustique reconfigurable permet un retour tactile localisé. Un des avantages de cette solution est l'absence de zone morte, ce qui permet une grande densité de pixels tactiles dits taxels . Cela est crucial pour les tablettes tactiles et smartphones dont la surface d'interaction avec l'utilisateur est faible et dont l'exploration tactile est réalisée par les mains qui sont dotées d'une grande acuité tactile. L'utilisation de nnétamatériaux acoustiques pour créer des stimuli tactiles localisés sous chaque doigt ouvre la porte à des interactions multipoints plus réalistes.

[0045] Les manettes de jeu récentes intègrent un retour vibrotactile haute-fidélité
avec la présence de deux actionneurs disposés de part et d'autre de la manette.
Toutefois, le manque d'isolation vibratoire entre les parties gauche et droite est source de diaphonie entre les deux voies. L'intégration d'un métamatériau acoustique au centre de la manette permet d'isoler les deux parties, améliorant ainsi la fidélité du retour haptique. Puisque la plupart de ces manettes utilisent déjà des actionneurs résonants linéaires pour générer le retour haptique, ce métamatériau acoustique pourra simplement être réalisé par l'ajout d'actionneurs résonants linéaires supplémentaires.

[0046] Avec l'avènement des réalités virtuelles et augmentées sont apparues de nombreuses vestes haptiques. Celle-ci se composent d'une matrice d'actionneurs attachés à un medium souple porté par l'utilisateur. La propagation des vibrations à travers ce medium nuit à la fidélité en floutant le retour haptique. Cet effet néfaste peut être évité avec l'utilisation d'un métamatériau acoustique pour isoler chaque zone de rendu tactile. L'utilisation d'actionneurs résonants linéaires pour réaliser ce métamatériau acoustique permet d'avoir une 1.0 bande interdite basse fréquence, centrée entre 100 Hz et 300 Hz, tout en minimisant la masse et l'encombrement. Ces contraintes sont en effet critiques pour les dispositifs haptiques portables comme les vestes.

Claims

Revendications [Revendication 1] Interface de stimulation tactile (10), comprenant une première face (7), destinée à être explorée tactilement, et appelée face tactile, et une deuxième face (8) munie d'au moins un actionneur (la, 1 b, lc, 1d), ledit au moins un actionneur (1a, lb, lc, 1d) étant configuré pour être excité de manière à
générer et à
transmettre des ondes acoustiques à la face tactile (7), l'interface (10) étant caractérisée en ce que la deuxième face (8) comprend au moins une zone de confinement des ondes acoustiques (11) générées par ledit au moins un actionneur (1a, 1 b, lc, 1d), ladite au moins une zone de confinement (11) étant délimitée au moins en partie par au moins un miroir acoustique (9) réalisé par un métamatériau acoustique configuré pour réfléchir les ondes acoustiques de fréquences comprises dans un intervalle prédéterminé, appelé bande interdite, ladite bande interdite incluant la fréquence porteuse des ondes acoustiques générées par ledit au moins un actionneur (la, 1 b, lc, 1d), l'interface (10) étant en outre caractérisée en ce que ledit au moins un miroir acoustique (9) et ledit au moins un actionneur (1a, 1 b, lc, 1d) comprennent chacun un système configuré pour, dans une première configuration, générer et transmettre des ondes acoustiques à la face tactile (7) et pour, dans une deuxième configuration, empêcher la propagation d'ondes acoustiques de fréquences comprises dans la bande interdite.
[Revendication 2] Interface (10) selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit au moins un actionneur (1a, 1 b, lc, 1d) et ledit au moins un miroir acoustique (9) comprennent un actionneur résonant.
[Revendication 3] Interface (10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'actionneur résonant oscille dans un mouvement de translation ou de rotation.

[Revendication 4] Interface (10) selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que chaque actionneur résonant comprend une masse (2), un ressort (3), un aimant (4) et une bobine (5).
[Revendication 5] Interface (10) selon la revendication 4, caractérisée en ce que l'actionneur résonant est configuré pour générer et transmettre des ondes acoustiques à la face tactile lorsqu'un courant traverse la bobine et en ce que l'actionneur résonant est configuré pour empêcher la propagation d'ondes acoustiques de fréquences comprises dans une bande interdite lorsqu'aucun courant ne traverse la bobine.

[Revendication 6] Interface (10) selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la bande interdite du métarnatériau acoustique est comprise dans un intervalle de fréquences inférieures à 500 Hz.
[Revendication 7] Interface (10) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que ladite au moins une zone de confinement des ondes acoustiques (11) est une surface rectangulaire aux bords orthogonaux ou une surface circulaire.