FR2983989A1

FR2983989A1 - Dispositif haptique a resonateurs

Info

Publication number: FR2983989A1
Application number: FR1103774A
Authority: FR
Inventors: Laurent Mozer; Philippe Coni
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2011-12-09
Filing date: 2011-12-09
Publication date: 2013-06-14
Anticipated expiration: 2031-12-09
Also published as: FR2983989B1

Abstract

Le domaine général de l'invention est celui des dispositifs d'interface homme-machine haptique comprenant une surface sensible (S) et au moins un actuateur électromécanique (A) agencé de façon à mettre en vibrations à une fréquence prédéterminée ladite surface sensible. Le dispositif selon l'invention comprend au moins un résonateur (R) solidaire de la surface sensible. Ce résonateur comprend un élément mécanique (2) dont la fréquence de résonance est sensiblement égale à la fréquence prédéterminée. L'invention s'applique tout particulièrement aux dispositifs comprenant des actuateurs piézoélectriques.

Description

Dispositif haptique à résonateurs Le domaine général de l'invention est celui des interfaces homme-machine. Plus précisément, le domaine est celui des interfaces connues sous le nom d' « haptiques » permettant de remonter une information sensorielle tactile en retour d'une action effectuée par le doigt ou la main d'un utilisateur. Ce type d'interface est utilisé dans différents domaines techniques et en particulier en avionique où il trouve son utilisation en complément de l'utilisation de surfaces tactiles. Le pilote retrouve ainsi des sensations proches de celles qu'il obtient par l'utilisation de boutons de commande classiques. Ces surfaces tactiles peuvent être utilisées soit seules soit disposées sur un dispositif de visualisation comportant des interfaces graphiques. L'emploi des surfaces haptiques correspond au besoin opérationnel de fournir l'information, lors d'une action sur une surface tactile, que cette action a bien été prise en compte par le système. Dans les systèmes haptiques les plus évolués, ces informations sont modulables permettant ainsi de reproduire, par exemple, les sensations d'appui sur un bouton ou des sensations de texture ou encore de reproduire des sensations désagréables sans danger pour l'utilisateur afin de l'informer qu'il tente une utilisation inappropriée ou interdite du système. Les qualités principales d'un dispositif haptique sont : - La précision intrinsèque du signal, c'est-à-dire que le signal soit non déformé et homogène ; - l'homogénéité sur toute la surface tactile du signal afin que les sensations reçus par l'utilisateur ne dépendent pas de la zone activée ; - le niveau de signal qui doit être suffisant pour être perçu dans des ambiances vibratoires variables allant d'une ambiance de « salon » à des ambiance plus contraignantes telles que celles que l'on rencontre dans 30 des véhicules automobiles ou des aéronefs ; - le degré de maturité de la technologie utilisée pour réaliser le signal haptique de façon à réaliser un dispositif fiable et peu coûteux.

Généralement, pour réaliser la sensation haptique, on utilise des surfaces sensibles activées par des actuateurs piézo-électriques. Ces derniers assurent la vibration à une fréquence déterminée et identifiable des surfaces sensibles qui sont également des surfaces tactiles, c'est-à-dire des surfaces comprenant des moyens optiques ou électroniques agencés à détecter précisément la position d'un contact d'un objet avec elles. Il est clair que la sensation haptique n'a d'intérêt que si elle est facilement reconnaissable par l'opérateur humain. Or, lorsque la surface sensible est de taille importante, la mise en oeuvre d'un seul actuateur piézoélectrique ne permet pas d'atteindre les performances souhaitées. On peut, bien entendu, mettre en oeuvre plusieurs actuateurs sur une même surface. La figure 1 représente une vue éclatée simplifiée d'un tel système comprenant un cadre statique C, une surface haptique sensible S et quatre actuateurs A disposés sous la périphérie de la surface sensible. Cette solution permet d'améliorer essentiellement l'homogénéité du signal. Cette solution ne permet pas d'amplifier le signal. Le coût du système est alors plus important dans la mesure où les actuateurs haptiques de qualité sont chers. Enfin, la consommation de courant instantanée peut devenir délicate à gérer. Il est également possible de remplacer les actuateurs piézoélectriques par d'autres dispositifs comme des vibreurs. Ces systèmes ont l'inconvénient d'être moins précis et de fournir des signaux vibratoires qui ne sont plus aussi clairement identifiables. De manière générale, la nécessité de positionner plusieurs actuateurs reste vraie pour obtenir un signal suffisamment fort. Le dispositif selon l'invention ne présente pas ces inconvénients. Il met en effet en oeuvre un seul actuateur piézoélectrique et plusieurs résonateurs passifs. On remplace ainsi plusieurs actuateurs piézoélectriques par un seul actuateur piézo-électrique qui envoie la même information sensorielle. On amplifie l'onde non pas en assurant un déplacement homogène de la surface par plusieurs éléments actifs, mais en ajoutant des éléments qui amplifient l'onde localement en utilisant le principe de résonance lié aux fréquences propres des pièces mécaniques.

Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif d'interface homme-machine haptique comprenant une surface sensible et au moins un actuateur électromécanique agencé de façon à mettre en vibrations à une fréquence prédéterminée ladite surface sensible, caractérisé en ce que le dispositif comprend au moins un résonateur solidaire de la surface sensible et comprenant un élément mécanique dont la fréquence de résonance est sensiblement égale à ladite fréquence prédéterminée. Avantageusement, le dispositif comporte un et un seul actuateur.

Avantageusement, le dispositif comprend au moins un premier résonateur et un second résonateur solidaires de la surface sensible, le premier résonateur comprenant un premier élément mécanique dont la fréquence de résonance est sensiblement égale à une première fréquence prédéterminée et le second résonateur comprenant un second élément mécanique dont la fréquence de résonance est sensiblement égale à une seconde fréquence prédéterminée différente de la première fréquence. Avantageusement, la fréquence prédéterminée est sensiblement égale à la fréquence de résonance de la surface sensible. Avantageusement, les résonateurs sont disposés de façon à obtenir soit un effet haptique uniforme sur toute la surface sensible, soit à privilégier un effet haptique dans certaines zones de la surface sensible. Avantageusement, l'actuateur électromécanique est un actuateur piézoélectrique. Avantageusement, l'élément mécanique résonant est une lame-25 ressort, le résonateur comporte : - une pièce mécanique mobile solidaire de l'élément mécanique résonant et de la surface sensible et des moyens de guidage en translation dans une direction privilégiée de ladite pièce mécanique mobile et ; - des moyens mécaniques permettant de limiter la course de la 30 pièce mécanique mobile. L'invention concerne également un dispositif d'interface homme-machine tactile comportant un dispositif d'interface homme-machine haptique comme défini ci-dessus. Elle concerne enfin un dispositif de visualisation comprenant un écran de visualisation comportant un tel dispositif d'interface 35 homme-machine tactile.

L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : La figure 1 représente une vue éclatée d'une surface sensible haptique selon l'art antérieur ; La figure 2 représente une vue éclatée d'une surface sensible haptique selon l'invention ; La figure 3 représente une vue en coupe d'un résonateur selon l'invention. Le principe du dispositif selon l'invention est de modifier la manière dont on gère l'onde vibratoire. Plutôt que d'essayer d'imposer un déplacement suffisamment important de la surface sensible en multipliant les actuateurs, on utilise les propriétés de résonance des éléments mécaniques. On sait que, si on sollicite un élément mécanique appelé résonateur à sa fréquence de résonance, la vibration de ce dernier est considérablement amplifiée. Par exemple, un système dit masse-ressort a une fréquence propre coo de résonance. Cette fréquence de résonance dépend de la masse, de la raideur du ressort et des coefficients d'amortissement du système. Si le système est excité à cette fréquence, il entre en résonance tant que l'excitation est entretenue, l'amplitude de vibration est amplifiée, pouvant aller jusqu'à la destruction du système. Le dispositif selon l'invention utilise cette propriété. On remplace les actuateurs complémentaires des systèmes classiques par des résonateurs dimensionnés pour résonner à certaines fréquences de résonance pouvant être différentes entre elles. On amplifie ainsi l'onde initiale fournie par l'unique actuateur piézo-électrique du dispositif. A titre d'exemple, la figure 2 représente une vue éclatée simplifiée d'un système selon l'invention comprenant un cadre statique C, une surface haptique sensible S, un seul actuateur A et quatre résonateurs R représentés symboliquement par des ressorts disposés sous la périphérie de la surface sensible. Le nombre et la disposition des différents éléments dépendent bien entendu de l'effet que l'on souhaite obtenir.

Les résonateurs comprennent donc une pièce mécanique mobile qui assure la résonance et qui est liée à la surface sensible. Il est nécessaire de favoriser un degré de liberté particulier de cette pièce mécanique afin de diriger l'énergie dans une direction privilégiée, il est donc nécessaire de limiter au maximum les mouvements de cette pièce mécanique dans les directions non fonctionnellement intéressantes. Cette limitation doit se faire en évitant au maximum tout élément générant de l'amortissement. On doit donc limiter au mieux les frottements. Il est également important de limiter les déplacements de la pièce résonante de façon à rester en dessous des zones de déformés anélastiques des matériaux composant ladite pièce. Pour une pièce de forme donnée, la fréquence propre évolue en fonction du matériau retenu pour la pièce mécanique résonante. Ce matériau est choisi en fonction des fréquences retenues pour les signaux haptiques. En effet, pour être ressenties par les doigts de l'utilisateur, les fréquences doivent rester dans une fourchette restreinte. On utilise préférentiellement comme pièces résonantes des lames ressort qui conviennent parfaitement à l'application recherchée. Dans une variante, on définit les résonateurs de manière à favoriser la résonance de la surface tactile elle-même. Le résonateur sert ainsi à amplifier la résonance du système. Ceci n'est utilisable que si la fréquence de résonance du système se situe dans les fréquences que l'on souhaite activer pour la reconnaissance au toucher. Il faut également souligner que l'utilisation de résonateurs réglés à différentes fréquences de résonance permet d'éviter ou de réduire l'influence des vibrations parasites dans la mesure où le dispositif peut travailler en ambiance vibratoire importante. On peut déterminer les fréquences de résonance par simulation, mais aussi par mesure directe. Il suffit de faire effectuer un balayage en fréquences par un actuateur pour déterminer les fréquences de résonance soit de la surface tactile soit des résonateurs. A titre d'exemple non limitatif, la figure 3 représente une vue en coupe d'un résonateur mécanique R selon l'invention. Il comprend 35 essentiellement : - un carter rigide 1 fixé sur la partie statique C ; - une lame de ressort 2 en hachurés sur la figure 3 qui est l'élément résonant calibré pour résonner à une fréquence particulière. La forme de la lame 2 et le matériau qui la compose sont choisis afin de garantir un déplacement prédéterminé suivant l'axe privilégié Z. Les deux extrémités de cette lame sont solidaires du carter 1 au moyen de fixations appropriées ; - La pièce cylindrique 3 représentée rayée verticalement sur la figure 3 est solidaire de la lame 2. Elle est mobile en translation selon cet axe Z et transmet le déplacement de la lame 2 à la surface sensible S à laquelle elle est liée. Elle est guidée dans un logement cylindrique de la pièce 1. Les parties 4 et 5 de la pièce 3 servent de butées de façon que le déplacement de la pièce 2 soit limité et reste dans la zone anélastique de cette pièce 2. Ce système peut s'adapter sur tout système tactile pour lequel un retour de force est attendu après une action manuelle. On citera, comme 20 exemples d'application : - Les tablettes tactiles ; - Les téléphones mobiles ; - Les interfaces homme-machine des tableaux de bord de voiture ; 25 - Les interfaces homme-machine des cockpits d'aéronef où ces dispositifs peuvent être utilisés soit sur des surfaces tactiles, soit sur des dispositifs de visualisation ; - Les manettes de jeux vidéo.

30 Les avantages de ces résonateurs sont détaillés ci-dessous. Sur le plan de la réalisation, on peut mettre en oeuvre de simples lames ressort extrêmement faciles à fabriquer, à adapter et à modifier. Sur le plan fonctionnel, les avantages sont nombreux : - Il est possible de pouvoir régler la résonance des 35 résonateurs sur des fréquences privilégiées, ce qui permet de s'éloigner des fréquences propres du système dans lequel l'élément haptique est installé ; - Le dispositif est purement passif, ne nécessitant ni sources d'alimentation ni raccordement ; - Il est possible en jouant sur le nombre et la position des résonateurs d'activer préférentiellement certaines zones de la surface sur laquelle on envoie l'information sensorielle. - On peut facilement changer la géométrie des lames afin de régler la réponse par zone. On peut ainsi choisir d'activer de manière homogène toute la surface active ou préférentiellement certaines zones de la surface. - Ces résonateurs peuvent fonctionner avec tous types d'actuateurs, non seulement des actuateurs piézoélectriques mais encore des vibreurs ou des systèmes électromagnétiques ; - les niveaux de surtensions pouvant être importants. On peut obtenir avec l'énergie d'un seul actuateur le même niveau mesuré qu'avec plusieurs actuateurs. - Sur le plan commercial et industriel, ces résonateurs sont 20 simples à réaliser et peu onéreux.

Claims

REVENDICATIONS1. Dispositif d'interface homme-machine haptique comprenant une surface sensible (S) et au moins un actuateur électromécanique (A) agencé de façon à mettre en vibrations à au moins une fréquence prédéterminée ladite surface sensible, caractérisé en ce que le dispositif comprend au moins un résonateur (R) solidaire de la surface sensible et comprenant un élément mécanique (2) dont la fréquence de résonance est sensiblement égale à ladite fréquence prédéterminée.
2. Dispositif d'interface homme-machine haptique selon la 10 revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif comporte un et un seul actuateur (R).
3. Dispositif d'interface homme-machine haptique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif comprend au 15 moins un premier résonateur et un second résonateur solidaires de la surface sensible, le premier résonateur comprenant un premier élément mécanique (2) dont la fréquence de résonance est sensiblement égale à une première fréquence prédéterminée et le second résonateur comprenant un second élément mécanique (2) dont la fréquence de résonance est 20 sensiblement égale à une seconde fréquence prédéterminée différente de la première fréquence.
4. Dispositif d'interface homme-machine haptique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fréquence 25 prédéterminée est sensiblement égale à la fréquence de résonance de la surface sensible.
5. Dispositif d'interface homme-machine haptique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les résonateurs sont disposés de 30 façon à obtenir un effet haptique uniforme sur toute la surface sensible.
6. Dispositif d'interface homme-machine haptique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les résonateurs sont disposés de façon à privilégier un effet haptique dans certaines zones de la surface sensible.
7. Dispositif d'interface homme-machine haptique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'actuateur électromécanique est un actuateur piézoélectrique.
8. Dispositif d'interface homme-machine haptique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément mécanique résonant (2) est une lame-ressort.
9. Dispositif d'interface homme-machine haptique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le résonateur comporte une pièce mécanique (5) mobile solidaire de l'élément mécanique résonant et de la surface sensible et des moyens (1) de guidage en translation dans une direction privilégiée de ladite pièce mécanique mobile.
10. Dispositif d'interface homme-machine haptique selon la revendication 9, caractérisé en ce que le résonateur comporte des moyens mécaniques (4, 5) permettant de limiter la course de la pièce mécanique mobile.
11. Dispositif d'interface homme-machine tactile, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'interface homme-machine haptique selon l'une des revendications précédentes.
12. Dispositif de visualisation comprenant un écran de 30 visualisation comportant un dispositif d'interface homme-machine tactile, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'interface homme-machine haptique selon l'une des revendications 1 à 10.