EP2307944A2 - Périphérique d'entrée amélioré - Google Patents

Périphérique d'entrée amélioré

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EP2307944A2
EP2307944A2 EP09784247A EP09784247A EP2307944A2 EP 2307944 A2 EP2307944 A2 EP 2307944A2 EP 09784247 A EP09784247 A EP 09784247A EP 09784247 A EP09784247 A EP 09784247A EP 2307944 A2 EP2307944 A2 EP 2307944A2
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EP
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handle
hand
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periphery
user
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Withdrawn
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EP09784247A
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German (de)
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Paul Kry
Adeline Pihuit
Marie-Paule Cani
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Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique INRIA
Original Assignee
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique INRIA
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Publication date
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    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00—Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/03—Arrangements for converting the position or the displacement of a member into a coded form
    • G06F3/033—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor
    • G06F3/039—Accessories therefor, e.g. mouse pads
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05G—CONTROL DEVICES OR SYSTEMS INSOFAR AS CHARACTERISED BY MECHANICAL FEATURES ONLY
    • G05G9/00—Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously
    • G05G9/02—Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously the controlling member being movable in different independent ways, movement in each individual way actuating one controlled member only
    • G05G9/04—Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously the controlling member being movable in different independent ways, movement in each individual way actuating one controlled member only in which movement in two or more ways can occur simultaneously
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    • G06F3/033—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor
    • G06F3/0338—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor with detection of limited linear or angular displacement of an operating part of the device from a neutral position, e.g. isotonic or isometric joysticks
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05G—CONTROL DEVICES OR SYSTEMS INSOFAR AS CHARACTERISED BY MECHANICAL FEATURES ONLY
    • G05G9/00—Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously
    • G05G9/02—Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously the controlling member being movable in different independent ways, movement in each individual way actuating one controlled member only
    • G05G9/04—Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously the controlling member being movable in different independent ways, movement in each individual way actuating one controlled member only in which movement in two or more ways can occur simultaneously
    • G05G9/047—Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously the controlling member being movable in different independent ways, movement in each individual way actuating one controlled member only in which movement in two or more ways can occur simultaneously the controlling member being movable by hand about orthogonal axes, e.g. joysticks
    • G05G2009/0474—Manually-actuated control mechanisms provided with one single controlling member co-operating with two or more controlled members, e.g. selectively, simultaneously the controlling member being movable in different independent ways, movement in each individual way actuating one controlled member only in which movement in two or more ways can occur simultaneously the controlling member being movable by hand about orthogonal axes, e.g. joysticks characterised by means converting mechanical movement into electric signals
    • G05G2009/04762—Force transducer, e.g. strain gauge

Definitions

  • the invention relates to an input device for controlling a computer object.
  • the invention provides an input device, comprising a handle connected to a base, movable in a selected number of degrees of freedom relative to the base.
  • This device also comprises sensors arranged to deliver a signal characteristic of a movement of the handle relative to the base.
  • This device further comprises at least one force sensor connected to said handle substantially substantially in motion, at the periphery thereof, so that said handle and said force sensor can be simultaneously solicited by a user's hand .
  • Such a device is extremely interesting because it is efficient and ergonomic, while allowing to take into account an action of the user through his fingers, which improves the reproduction of the movement of a hand.
  • FIG. 1 represents a schematic perspective view of a device according to the invention, connected to a computer;
  • Figure 2 shows a front view of the device of Figure 1;
  • FIG. 3 represents a view from above of the device of FIG. 1.
  • Figure 1 shows a schematic perspective view of an input device 2 according to the invention, connected to a computer 4.
  • the device 2 is also connected to an analog digital converter 6 hereinafter CAN.
  • the device 2 allows, in the example described here, to control the interaction of a virtual hand with virtual clay on a screen 8 of the computer 4.
  • the device 2 comprises a base 10 and a handle 12 to which force sensors 14 are connected at the periphery of the handle 12.
  • the device 2 will be described further with FIGS. 2 to 4.
  • the base 10 is connected directly to the computer 8, and each force sensor 14 is connected to the CAN 6 by wires 16. Finally, the CAN 6 is also connected to the computer 4 to transmit the force data of the force sensors 14.
  • the computer 4 comprises a data capture software sent by the device 2.
  • An example of such software is a hardware driver that will turn the data of the device 2 into inputs for a model of the reproduction of the movement of a hand.
  • the data sent by the base 10 can be interpreted as describing the forces applied to the palm of a hand, and the data sent by the sensors 14 can be interpreted as describing a force applied to the end of a finger connected to this palm in a constrained direction.
  • An appropriate software for example a virtual modeling software, can then restore the interaction of this hand with clay, to allow to realize virtual drafts in a way extremely faithful to what an artist would do during a modeling "physical".
  • FIGS. 2 and 3 the base 10 and the handle 12 of the embodiment described correspond to the elements constituting a Space Navigator (trademark) which is commercially available.
  • the handle 12 is mounted on the base 10 with 6 degrees of freedom (3 degrees of freedom of rotation and 3 degrees of freedom of movement), and serves to capture the forces applied by the palm of the hand.
  • the base 10 houses sensors (not shown) and which emit a signal characteristic of the movement of the handle 12 relative to the base 10.
  • the handle 12 receives at its periphery housings or arms 18.
  • the handle 12 receives five arms 18, each corresponding to a finger of a hand
  • an arm 18 comprises a substantially U-shaped frame 20.
  • the U-shaped frame 20 has two respectively numbered legs 22 and 24, the branch 22 being furthest from the handle 12 , and the branch 24 being the closest to the handle 12.
  • the branch 22 extends substantially vertically with respect to the surface on which the peripheral 2 rests.
  • the branch 24 also extends substantially vertically, and is slightly inclined towards the handle 12, to which it is connected by clamping to a belt 26 .
  • the belt 26 surrounds the periphery of the handle 12, and the clamping of the arms 18 is provided by a nut system 28.
  • each arm 18 comprises a rigid petal 30 covered with a flexible material on which comes to rest the finger of a user during the operation of the device 2.
  • the material is a foam.
  • Other materials can be used to cover the petals 30, such as latex.
  • the petals 30 could also be made directly of plastic, or a sheet of thin metal.
  • the petals 30 ensure the reception of the finger so that the sensors 14 can be operated with the distal phalanx of each finger, while the other phalanges can be used with the palm to manipulate the handle 12.
  • the user can easily independently control the handle 12 on the one hand, and the sensors 14 on the other hand.
  • the arm 18 also comprises a petal disposed at the end of the branch 22, which has a function similar to that of the petal 30.
  • the arm 22 and the arm 24 each receive a force sensor 14.
  • the force sensor 14 makes it possible to measure a pressure of a finger of the user in a direction associated with each of these two sensors. It will be noted that the outputs of the wires for connection to CAN 6 are deliberately omitted in FIGS. 3 and 4.
  • the device 2 is used to faithfully reproduce on the computer 4 the movements of a hand manipulating it.
  • the computer 4 stores for this purpose a hand deformation model, which models it as a palm to which articulated fingers are attached.
  • the signal delivered by the base 10 characterizes the movement of the palm.
  • the sensors 14 deliver signals characterizing a force applied in a selected direction at the end of the finger concerned.
  • the sensor 14 disposed on the branch 22 is associated with a force tending to close the finger towards the palm, and the sensor 14 disposed on the branch 24 is associated with a force in a direction opposite to it. Then, the model in the computer 4 uses the data from the CAN 6 and the base 10 to calculate an equivalent position of the hand on the screen 8.
  • the forces may be provided in other directions and applied elsewhere than at the end of the finger.
  • other models exist to characterize the deformation of a hand.
  • each arm has two branches, it would be possible to add others, to measure finger pressures in other directions.
  • a user can control a first element in 6 dimensions, and use his fingers independently to order virtually. This is particularly useful for virtual sculpture.
  • the invention is not limited to the field of virtual sculpture alone, but extends naturally to all types of virtual environments in which a virtual hand can be used, or in which more than six degrees of freedom are useful.
  • the invention could also be used for the manipulation of real objects.
  • the device 2 could for example be used to control a crane, the base and the handle used to manipulate the boom, and the arms for controlling other elements.

Landscapes

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Abstract

Un périphérique d'entrée comporte une poignée reliée (12) à une embase (10), ladite poignée (12) étant mobile dans un nombre choisi de degrés de liberté par rapport à l'embase (10), ainsi que des capteurs agencés pour délivrer un signal caractéristique d'un déplacement de la poignée (12) par rapport à l'embase (10). Le périphérique comporte en outre au moins un capteur de force (14) relié à ladite poignée 12) de manière sensiblement solidaire en déplacement, à la périphérie de celle-ci, de sorte que ladite poignée (12) et ledit capteur de force (14) puissent être sollicités simultanément par une main d'utilisateur.

Description

Périphérique d'entrée amélioré
L'invention concerne un périphérique d'entrée pour la commande d'un objet informatique.
Depuis l'invention de la souris, de nombreuses tentatives ont été réalisées pour étendre les possibilités de commande par une main humaine. Ces tentatives ont toutes visé à rendre la commande plus ergonomique et/ou plus fidèle à une commande purement manuelle.
Des dispositifs ou périphériques ont ainsi été développés, qui permettent un contrôle multidimensionnel, jusqu'à 12 degrés de liberté ou plus, et éventuellement combinés à des dispositifs haptiques actifs ou passifs.
Cependant, ces dispositifs sont peu ergonomiques, mobilisent en général les deux mains de l'utilisateur, et ne sont concrètement pas assimilables à des gestes d'un utilisateur.
D'autres dispositifs ont été développés qui sont d'une manière générale des gants qui reproduisent la position de la main de l'utilisateur, que ce soit par le biais de capteurs optiques, magnétiques, sonores ou mécaniques.
Ces dispositifs sont particulièrement volumineux et peu ergonomiques, notamment du fait que le maintien d'une position par l'utilisateur est très fatiguant.
Enfin, il existe des périphériques à 6 degrés de liberté utilisable à une seule main, comme le SpaceNavigator (marque déposée). Cependant, ces dispositifs ne permettent que la seule navigation, et ne permettent pas de prendre en compte le mouvement des doigts d'une main par exemple.
Comme cela apparaît, aucune des solutions proposées à ce jour n'apporte une solution satisfaisante. L'invention vient améliorer la situation.
À cet effet, l'invention propose un périphérique d'entrée, comportant une poignée reliée à une embase, mobile dans un nombre choisi de degrés de liberté par rapport à l'embase. Ce périphérique comporte également des capteurs agencés pour délivrer un signal caractéristique d'un déplacement de la poignée par rapport à l'embase.
Ce périphérique comporte en outre au moins un capteur de force relié à ladite poignée de manière sensiblement solidaire en déplacement, à la périphérie de celle-ci, de sorte que ladite poignée et ledit capteur de force puissent être sollicités simultanément par une main d'utilisateur.
Un tel périphérique est extrêmement intéressant car il est efficace et ergonomique, tout en permettant de prendre en compte une action de l'utilisateur par le biais de ses doigts, ce qui améliore la reproduction du mouvement d'une main.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit, tirée d'exemples donnés à titre illustratif et non limitatif, tirés des dessins sur lesquels : la figure 1 représente une vue schématique en perspective d'un périphérique selon l'invention, relié à un ordinateur ; la figure 2 représente une vue de face du périphérique de la figure 1 ; et la figure 3 représente une vue de dessus du périphérique de la figure 1.
Les dessins et la description ci-après contiennent, pour l'essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la présente invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant.
La figure 1 représente une vue schématique en perspective d'un périphérique d'entrée 2 selon l'invention, relié à un ordinateur 4. Le périphérique 2 est également relié à un convertisseur analogique numérique 6 appelé ci-après CAN. Le périphérique 2 permet, dans l'exemple décrit ici, de commander l'interaction d'une main virtuelle avec de l'argile virtuelle sur un écran 8 de l'ordinateur 4. Pour cela, le périphérique 2 comporte une embase 10 et une poignée 12 à laquelle sont reliés des capteurs de force 14 disposés à la périphérie de la poignée 12.
Le périphérique 2 sera décrit plus avant avec les figures 2 à 4. L'embase 10 est reliée directement à l'ordinateur 8, et chaque capteur de force 14 est relié au CAN 6 par des fils 16. Enfin, le CAN 6 est également relié à l'ordinateur 4 pour transmettre les données de force des capteurs de force 14.
L'ordinateur 4 comporte un logiciel de saisie des données envoyées par le périphérique 2. Un exemple d'un tel logiciel est un pilote matériel qui va transformer les données du périphérique 2 en entrées pour un modèle de reproduction du mouvement d'une main.
Ainsi, les données envoyées par l'embase 10 peuvent être interprétées comme décrivant les forces appliquées à la paume d'une main, et les données envoyées par les capteurs 14 peuvent être interprétées comme décrivant une force appliquée à l'extrémité d'un doigt relié à cette paume dans une direction contrainte.
Ensuite, un modèle d'articulation de main virtuelle permet de transformer ces données pour restituer le mouvement de la main sur l'écran 8. Un exemple d'un tel modèle est donné dans l'article "Interaction Capture and Synthesis" ACM Transactions on Graphics (2006), 25:3, 872-880 par Kry, P. et Pai, D.K.
Un logiciel approprié, par exemple un logiciel de modelage virtuel, peut alors restituer l'interaction de cette main avec de l'argile, pour permettre de réaliser des ébauches virtuelles de manière extrêmement fidèle à ce qu'un artiste ferait lors d'un modelage "physique".
Le périphérique 2 va maintenant être décrit plus avant à l'aide des figures 2 et 3. Comme on peut le voir sur la figure 2, l'embase 10 et la poignée 12 du mode de réalisation décrit correspondent aux éléments constituant un Space Navigator (marque déposée) qui est disponible dans le commerce.
La poignée 12 est montée sur l'embase 10 avec 6 degrés de liberté (3 degrés de liberté de rotation et 3 degrés de liberté de déplacement), et sert à capturer les forces appliquées par la paume de la main. L'embase 10 loge des capteurs (non représentés) et qui émettent un signal caractéristique du mouvement de la poignée 12 par rapport à l'embase 10.
Dans une partie supérieure, la poignée 12 reçoit à sa périphérie des logements ou bras 18. Dans l'exemple décrit ici, la poignée 12 reçoit cinq bras 18, correspondant chacun à un doigt d'une main
Comme cela se voit le mieux sur la figure 2, un bras 18 comprend une armature 20 sensiblement en forme de U. L'armature 20 en U présente deux branches respectivement numérotées 22 et 24, la branche 22 étant la plus éloignée de la poignée 12, et la branche 24 étant la plus proche de la poignée 12.
La branche 22 s'étend sensiblement verticalement par rapport à la surface sur laquelle repose le périphérique 2. La branche 24 s'étend également sensiblement verticalement, et est légèrement penchée vers la poignée 12, à laquelle elle est reliée par serrage à une ceinture 26.
Comme on le voit le mieux sur la figure 3, la ceinture 26 entoure la périphérie de la poignée 12, et le serrage des bras 18 est assuré par un système à écrou 28.
En outre, pour assurer le confort d'utilisation, chaque bras 18 comprend un pétale 30 rigide recouvert d'un matériau souple sur lequel vient reposer le doigt d'un utilisateur lors du fonctionnement du périphérique 2. Dans l'exemple décrit ici, le matériau est une mousse. D'autres matériaux peuvent être utilisés pour recouvrir les pétales 30, comme du latex. Les pétales 30 pourraient également être directement réalisés en plastique, ou en une feuille de métal mince.
En plus du confort d'utilisation, les pétales 30 assurent la réception du doigt de sorte que les capteurs 14 peuvent être actionnés avec la phalange distale de chaque doigt, tandis que les autres phalanges peuvent être utilisées avec la paume pour manipuler la poignée 12. Ainsi, l'utilisateur peut facilement commander de manière indépendante la poignée 12 d'une part, et les capteurs 14 d'autre part.
En option, le bras 18 comprend également un pétale disposé à l'extrémité de la branche 22, et qui a une fonction semblable à celle du pétale 30.
Le bras 22 et le bras 24 reçoivent chacun un capteur de force 14. Le capteur de force 14 permet de mesurer une pression d'un doigt de l'utilisateur dans une direction associée à chacun de ces deux capteurs. On notera que les sorties des fils pour liaison au CAN 6 sont volontairement omises sur les figures 3 et 4.
Dans l'exemple décrit ici, le périphérique 2 est utilisé de manière à reproduire de manière fidèle sur l'ordinateur 4 les mouvements d'une main le manipulant. Comme cela a été mentionné plus haut, l'ordinateur 4 stocke à cet effet un modèle de déformation de main, qui modélise celle-ci comme une paume à laquelle sont rattachés des doigts articulés.
Le signal délivré par l'embase 10 caractérise le mouvement de la paume. Les capteurs 14 délivrent des signaux caractérisant une force appliquée dans une direction choisie à l'extrémité du doigt concerné.
Par exemple le capteur 14 disposé sur la branche 22 est associé à une force tendant à refermer le doigt vers la paume, et le capteur 14 disposé sur la branche 24 est associé à une force dans une direction opposée à celle-ci. Ensuite, le modèle dans l'ordinateur 4 utilise les données issues du CAN 6 et de l'embase 10 pour calculer une position équivalente de la main sur l'écran 8.
Dans d'autres modes de réalisations, les forces peuvent être prévues selon d'autres directions et être appliquées ailleurs qu'à l'extrémité du doigt. En outre d'autres modèles existent pour caractériser la déformation d'une main. Par ailleurs, bien que chaque bras comporte deux branches, il serait possible d'en ajouter d'autres, pour mesurer des pressions du doigt dans d'autres directions.
Ainsi, grâce au périphérique 2, un utilisateur peut commander un premier élément dans 6 dimensions, et utiliser ses doigts de manière indépendante pour les commander virtuellement. Cela est particulièrement utile pour la sculpture virtuelle.
Par ailleurs, comme cette solution est basée sur la mesure des forces exercées, lorsque l'utilisateur retire ses doigts, la main reste dans la dernière position prise. Cela est extrêmement avantageux par rapport aux solutions à base de gants, dans lesquelles le seul maintien d'une position est très éprouvant.
Enfin, bien que l'application décrite ici soit particulièrement tournée vers la sculpture virtuelle, il existe de nombreuses autres applications possibles.
En premier lieu, l'invention n'est pas limitée au seul domaine de la sculpture virtuelle, mais s'étend naturellement à tout type d'environnements virtuels dans lesquels une main virtuelle peut être utilisée, ou dans lesquels plus de six degrés de libertés sont utiles.
En outre, l'invention pourrait aussi être utilisée pour la manipulation d'objets réels. Ainsi, au lieu d'une main, le périphérique 2 pourrait par exemple être utilisé pour commander une grue, l'embase et la poignée servant à manipuler la flèche, et les bras permettant de commander d'autres éléments.
La description qui précède a pour but de décrire un mode de réalisation particulier de l'invention. Elle ne saurait être considérée comme limitant ou décrivant celle-ci de manière limitative, et couvre notamment l'ensemble des combinaisons entre elles des caractéristiques des variantes décrites.

Claims

Revendications
1. Périphérique d'entrée, comportant une poignée reliée (12) à une embase (10), ladite poignée (12) étant mobile dans un nombre choisi de degrés de liberté par rapport à l'embase (10), ainsi que des capteurs agencés pour délivrer un signal caractéristique d'un déplacement de la poignée (12) par rapport à l'embase (10), caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins un capteur de force (14) relié à ladite poignée (12) de manière sensiblement solidaire en déplacement, à la périphérie de celle-ci, de sorte que ladite poignée (12) et ledit capteur de force (14) puissent être sollicités simultanément par une main d'utilisateur.
2. Périphérique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un logement (18) propre à recevoir un doigt d'une main posée sur ladite poignée (12), et en ce que ledit capteur de force (14) est reçu dans ledit logement.
3. Périphérique selon la revendication 2, caractérisé en ce que le logement est un bras (18) relié à une ceinture (26) serrée autour de la périphérie de la poignée (12).
4. Périphérique selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit bras (18) a une forme sensiblement en U et comporte deux branches (22, 24) dont une (24) est reliée à ladite ceinture (26).
5. Périphérique selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'une desdites branches (22, 24) comporte un pétale (30) propre à recevoir l'extrémité d'un doigt d'une main d'utilisateur au niveau de ladite ceinture (26).
6. Périphérique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs capteurs de force (14) disposés à la périphérie de ladite poignée (12).
7. Périphérique selon la revendication 6, caractérisé en ce que certains au moins des capteurs de force (14) sont associés par paire.
8. Périphérique selon la revendication 7, caractérisé en ce que chaque les capteurs de force (14) associés par paire sont disposés sensiblement en regard au niveau de la périphérie de la poignée.
EP09784247A 2008-07-08 2009-07-02 Périphérique d'entrée amélioré Withdrawn EP2307944A2 (fr)

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EP (1) EP2307944A2 (fr)
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FR2933787B1 (fr) 2010-09-17
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