FR3054073A1 - Objet tangible a retour haptique ameliore et a structure simplifiee et a un systeme comportant au moins un tel objet tangible. - Google Patents

Abstract

Objet tangible (01) destiné à coopérer avec un surface (S), comportant un corps (2) muni d'une première extrémité d'interaction avec l'utilisateur et une deuxième extrémité comportant moins un résonateur (9) muni d'une face de contact (8) destinée à venir en contact avec ladite surface (S), ledit résonateur (9) comportant un matériau piézoélectrique apte à mettre en vibration le résonateur (9) lorsqu'il est connecté à une source d'électricité, ledit objet étant commandé par une unité de contrôle telle qu'elle excite le matériau piézoélectrique est apte à mettre en vibration le résonateur (9) selon au moins un motif haptique.

Description

Titulaire(s) : COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES Etablissement public.

Demande(s) d’extension

Mandataire(s) : BREVALEX Société à responsabilité limitée.

OBJET TANGIBLE A RETOUR HAPTIQUE AMELIORE ET A STRUCTURE SIMPLIFIEE ET A UN SYSTEME COMPORTANT AU MOINS UN TEL OBJET TANGIBLE.

FR 3 054 073 - A1 (57) Objet tangible (01 ) destiné à coopérer avec un surface (S), comportant un corps (2) muni d'une première extrémité d'interaction avec l'utilisateur et une deuxième extrémité comportant moins un résonateur (9) muni d'une face de contact (8) destinée à venir en contact avec ladite surface (S), ledit résonateur (9) comportant un matériau piézoélectrique apte à mettre en vibration le résonateur (9) lorsqu'il est connecté à une source d'électricité, ledit objet étant commandé par une unité de contrôle telle qu'elle excite le matériau piézoélectrique est apte à mettre en vibration le résonateur (9) selon au moins un motif haptique.

OBJET TANGIBLE A RETOUR HAPTIQUE AMELIORE ET A STRUCTURE SIMPLIFIEE ET A UN SYSTEME COMPORTANT AU MOINS UN TEL OBJET TANGIBLE.

DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE ET ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE

La présente invention se rapporte à un objet tangible à retour haptique amélioré et à structure simplifiée et à un système comportant au moins un tel objet tangible.

II existe plusieurs techniques pour permettre à un utilisateur d'interagir avec une interface tactile ou un écran.

L'une de ces techniques met en œuvre un écran apte à vibrer et les doigts de l'utilisateur sont directement en contact avec l'écran et ressentent les vibrations qui forment un retour haptique. Un tel écran est décrit dans le document M. Biet, F. Giraud, and B. Lemaire-Semail, Squeezefilm effectfor the design ofan ultrasonic tactile plate, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control, vol. 54, no. 12, pp. 26782688, Dec. 2007. Des céramiques piézoélectriques sont fixées à la plaque formant par exemple un écran, et elles sont alimentées de sorte à produire des vibrations ultrasonique qui génèrent un phénomène de « squeeze film » ce qui permet de simuler une friction variable sur la surface de la plaque qui est ressentie par le ou les doigts. Cependant des dispositifs avec des grands écrans ou grandes plaques sont complexes à réaliser. En outre, les sensations ressenties sont faibles.

Une autre technique consiste à mettre en œuvre un objet, dit objet tangible, qui est destiné à être manipulé par l'utilisateur cet objet se déplaçant sur la surface de la plaque et transmettant le retour haptique à l'utilisateur.

Le document E. W. Pedersen and K. Hornbæk, Tangible Bots: Interaction with Active Tangibles in Tobletop Interfaces, in Proceedings of the SIGCHI Conférence on Humon Factors in Computing Systems, New York, NY, USA, 2011, pp. 29752984 décrit un objet tangible équipé de moteurs à courant continu actionnant des roues, les moteurs sont commandés par exemple pour actionner les roues afin d'opposer une force à l'utilisateur qui souhaite déplacer l'objet dans une direction, par exemple pour simuler une butée.

Le document D. Nowacka, K. Ladha, N. Y. Hommerlo, D. Jackson, C. Lad ha, E. Rukzio, and P. Olivier, Touchbugs: Actuated Tangibles on Multi-touch Tables, in Proceedings of the SIGCHI Conférence on Humon Factors in Computing Systems, New York, NY, USA, 2013, pp. 759-762 décrit un objet tangible comportant des cils reposant sur la surface et des moteurs produisant des vibrations qui génèrent un retour haptique.

Le document G. Pangaro, D. Maynes-Aminzade, and H. Ishii, The Actuated Workbench: Computer-controlled Actuation in Tobletop Tangible Interfaces, in Proceedings of the 15th Annual ACM Symposium on User Interface Software and Technology, New York, NY, USA, 2002, pp. 181-190 décrit une table équipée d'un réseau d'électroaimants et un objet tangible comportant des aimants permanents, l'activation des électroaimants permet de déplacer l'objet tangible.

Ces systèmes mettant en oeuvre des objets tangibles actifs sont complexes à réaliser, requièrent pour ceux mettant en œuvre des moteurs un grand nombre de pièces mécaniques, ce qui limite leur miniaturisation et entraîne un coût de revient important. Dans le cas du système comportant des électroaimants, le déplacement de l'objet tangible dépend de la densité d'électroaimants, le déplacement n'est pas très réaliste.

EXPOSÉ DE L'INVENTION

C'est par conséquent un but de la présente invention d'offrir un objet tangible offrant un retour haptique réaliste, de réalisation simple et d'encombrement réduit.

Le but énoncé ci-dessus est atteint par un objet tangible comportant une première extrémité destinée à être en contact avec une surface et à être déplacée par rapport cette surface et une deuxième extrémité destinée à être manipulée par un utilisateur, l'extrémité destinée à être en contact avec la surface comporte un matériau apte à générer des vibrations et des moyens de mise en vibration de celui-ci de sorte à générer une lubrification entre la surface et la face de l'objet.

Le matériau apte à générer des vibrations est de préférence un matériau piézoélectrique. En variante il pourrait s'agir d'un matériau magnétostrictif.

En contrôlant le mode de vibration du matériau apte à générer des vibrations et/ou l'amplitude des vibrations produites dans le matériau piézoélectrique apte à générer des vibrations, le niveau de lubrification est contrôlé. Le déplacement de l'objet tangible par rapport à la surface peut être facilité ou freiné en fonction de la position de l'objet tangible par rapport à la surface. Il est par exemple possible de simuler des crans, une texture, une butée et/ou des guides.

La génération du retour haptique est obtenue en activant électriquement un matériau piézoélectrique apte à générer des vibrations, l'objet tangible peut être de réalisation simple et ne met pas en oeuvre plusieurs éléments mécaniques en mouvement les uns par rapport aux autres. Il présente en outre une certaine robustesse. En outre, la pièce en matériau apte à générer des vibrations peut être une pastille très fine, l'encombrement de l'objet tangible est alors sensiblement réduit.

De manière préférée, l'activation du matériau apte à générer des vibrations est telle qu'elle génère une vibration ultrasonique.

De manière très avantageuse, le matériau apte à générer des vibrations peut être excité dans un mode de vibration dans le plan.

Dans un mode de réalisation, l'objet tangible peut comporter des moyens de déplacement aptes à déplacer l'objet tangible par rapport à la surface.

En gérant l'excitation du matériau apte à générer des vibrations et l'activation des moyens de déplacement, il est possible de déplacer l'objet de manière contrôlée.

L'objet tangible est destiné à être utilisé dans un système comportant une surface, par exemple un écran, et au moins un capteur de position de l'objet tangible par rapport à la surface.

La présente invention a alors pour objet un objet tangible destiné à coopérer avec un surface, comportant un corps muni d'une première extrémité d'interaction avec l'utilisateur et une deuxième extrémité comportant moins un résonateur destiné à venir en contact avec ladite surface, ledit résonateur comportant un matériau apte à mettre en vibration le résonateur lorsqu'il est excité, ledit objet étant commandé par une unité de contrôle telle qu'elle alimente le matériau apte à mettre en vibration le résonateur selon au moins un motif haptique.

De préférence, le matériau apte à mettre en vibration le résonateur est un matériau piézoélectrique.

Dans un exemple de réalisation, le résonateur comporte un élément solidaire du matériau apte à mettre en vibration le résonateur, ledit élément étant destiné à venir en contact avec ladite surface.

Dans un mode de réalisation, le résonateur est destiné à venir en contact avec la surface par un contact plan.

L'objet tangible peut comporter des moyens de déplacement de l'objet par rapport à la surface. Les moyens de déplacement peuvent comporter un moteur électrique et une masselotte excentrée mobile en rotation sous l'action du moteur électrique et dans lequel l'unité de contrôle synchronise la rotation de la masselotte et la mise en vibration du résonateur.

Dans un exemple de réalisation, l'objet tangible comporte un aimant destiné à coopérer avec une partie ferromagnétique de la surface.

L'objet tangible peut comporter plusieurs résonateurs et l'unité de contrôle peut être apte à mettre en vibration chaque résonateur indépendamment les uns des autres.

L'objet tangible comporte avantageusement une alimentation électrique embarquée.

De manière très avantageuse, le matériau apte à mettre en vibration le résonateur est excité de sorte que le résonateur vibre a au moins une fréquence de résonance telle que la fréquence de résonance génère dans le résonateur un mode de vibration dans le plan.

De préférence, l'unité de contrôle peut alimenter le matériau apte à mettre en vibration le résonateur à au moins une fréquence de résonance du résonateur dans le domaine ultrasonique.

La présente invention a également pour objet un système haptique comportant au moins une surface, au moins un objet tangible selon l'invention, des moyens de détection de la position de l'objet tangible sur la surface et une unité de contrôle dudit objet.

Le système peut également comporter des moyens de détection de la présence de l'objet à un emplacement donné sur la surface.

Dans un exemple de réalisation, les moyens de détection de la position de l'objet tangible sont des moyens capacitifs, le matériau apte à mettre en vibration le résonateur formant avec au moins une partie de la surface un condensateur. Avantageusement, l'objet tangible comporte plusieurs résonateurs, l'élément apte à mettre en vibration le résonateur formant avec au moins une partie de la surface un condensateur.

L'unité de contrôle peut utiliser les variations de capacités pour déterminer l'orientation de l'objet.

Selon une caractéristique additionnelle avantageuse, le système haptique peut comporter un capteur de détection de l'intention de l'utilisateur.

Le système peut comporter des moyens d'alimentation électrique de l'objet tangible, par voie filaire ou à par induction.

Dans le cas où l'objet tangible comporte au moins un aimant, la surface peut être au moins en partie ferromagnétique.

Selon une caractéristique additionnelle, l'unité de contrôle peut commander l'émission d'un signal, par exemple un affichage du signal sur la surface, lorsque l'objet tangible est dans une position donnée sur la surface.

La surface peut avantageusement être un écran d'affichage.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

La présente invention sera mieux comprise sur la base de la description qui va suivre et des dessins en annexe sur lesquels:

- la figure 1 est une vue en perspective d'un exemple de réalisation d'un objet tangible selon l'invention,

- la figure 2 est une représentation schématique de l'objet tangible de la figure 1 vu de côté et vu de dessous,

- la figure 3 est une représentation schématique d'un système formant interface mettant en œuvre un objet tangible selon l'invention,

- la figure 4 est une représentation schématique de l'objet tangible selon un autre exemple de réalisation vu de côté et vu de dessous,

- la figure 5 est une représentation schématique de l'objet tangible selon un autre exemple de réalisation vu de côté et vu de dessous,

- les figures 6A à 6E sont des représentations schématiques d'un autre exemple de réalisation d'un objet tangible selon l'invention comportant des moyens de déplacement, dans différents états de fonctionnement,

- la figure 7 est une représentation schématique d'une vue en coupe d'autre exemple de réalisation d'un objet tangible,

- la figure 8 est une représentation graphique de la variation du coefficient de frottement entre les surfaces en contact en fonction de l'amplitude de vibration,

- la figure 9 est une représentation graphique de la variation du rapport couple maximal/couple minimal exercé sur l'élément d'interaction en fonction de l'amplitude de vibration.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS

Sur les figures 1 et 2, on peut voir un exemple de réalisation d'un objet tangible 01 selon l'invention. L'objet tangible 01 est destiné à se déplacer ou à être déplacé par rapport à une surface S qui est représentée sur la figure 3.La surface S est par exemple celle d'une interface tactile, telle qu'un écran.

L'objet tangible 01 est particulièrement adapté pour former un bouton déplacé en rotation autour d'un axe X perpendiculaire à la surface S mais ceci n'est en aucun cas limitatif, l'objet tangible peut être déplacé en translation et/ou en rotation.

L'objet tangible 01 comporte un corps 2, une partie proximale 4 et une partie distale 6. Le corps 2 a, dans cet exemple, une forme cylindrique de section circulaire. Cette forme est adaptée à la manipulation en rotation mais n'est pas limitative.

Les termes « proximale » et « distale» sont à considérer par rapport à la surface S. La partie proximale 4 est destinée à être disposée du côté de la surface S et la partie distale 6 est destinée à être disposée en éloignement de la surface S par rapport à la partie proximale. La partie distale est destinée à être saisie par un utilisateur, par exemple avec ses doigts, elle est par exemple formée par une portion du corps.

La partie proximale 4 comporte une face 8 destinée à être en contact avec la surface S. La face 8 est portée par un résonateur 9 comprenant au moins un actionneur formé par un élément en un matériau apte à générer des vibrations 10.

Le matériau apte à générer des vibrations est de préférence un matériau piézoélectrique. En variante il pourrait s'agir d'un matériau magnétostrictif, par exemple le galfenol.

A des fins de simplicité, le matériau apte à générer des vibrations sera désigné dans la suite de la description par « matériau piézoélectrique ».

Dans l'exemple représenté le résonateur 9 comporte également un élément mécanique 11 destiné à être en contact avec la surface S et portant la face 8. En outre il présente une résistance à l'usure élevée par rapport au matériau de la surface S.

Le coefficient de frottement entre la face 8 et la surface S est suffisant pour obtenu un bon ressenti haptique. De préférence, le coefficient de frottement est supérieur ou égal à 0,25. Dans l'exemple représenté, c'est le matériau de l'élément mécanique 11 qui présente un coefficient de frottement par rapport à la surface S suffisant pour obtenu un bon ressenti haptique. En outre il présente une résistance à l'usure élevée par rapport au matériau de la surface S. De préférence, le matériau de l'élément mécanique 11 présente de bonnes propriétés acoustiques afin d'avoir un objet de fonctionnement silencieux et de faibles pertes d'énergie lors de la vibration.

L’actionneur 10 est de manière très avantageuse en forme de pastille fine. La pastille piézoélectrique est par exemple en Titano-Zirconate de Plomb (PZT) ou

Polyfluorure de vinylidène (PVDF) et par exemple d'épaisseur comprise entre 0,1 et 1 mm.

L'élément mécanique 10 est avantageusement mis en œuvre lorsque le matériau piézoélectrique de l'actionneur 10 ne présente pas une tenue à l'usure suffisante. Il est par exemple avantageusement réalisé en laiton, en aluminium ou en matériau polymère, par exemple de type époxy.

En variante, on peut envisager de recouvrir au moins la face proximale de la pastille avec une couche d'un matériau polymère, par exemple de type époxy, cette couche étant destinée à entrer en contact avec la surface S.

Selon une autre variante, la pastille pourrait être réalisée en un matériau piézoélectrique résistant à l'usure et présentant un coefficient de frottement suffisant par rapport matériau de la surface S. La pastille serait alors directement en contact avec la surface S. La pastille pourrait être réalisée par exemple en un matériau polymère ayant des propriétés piézoélectriques.

L'élément piézoélectrique 10 a, dans l'exemple représenté, la forme d'un disque qui est particulièrement adaptée à l'utilisation de l'objet tangible en tant que bouton rotatif. L'élément 10 pourrait en variante avoir une forme d'anneau, qui est également adaptée à un déplacement en rotation.

L'élément piézoélectrique 10 peut avoir d'autres formes, telles qu'une forme prismatique comme par exemple un cube ou un pavé sans sortir du cadre de la présenté invention, de telles formes peuvent être par exemple mises en œuvre, mais non exclusivement, dans le cas d'une utilisation comme objet tangible destiné à être déplacé en translation. En outre, la forme du corps peut être quelconque.

L'élément mécanique 11 a une forme adaptée à la forme de l'actionneur.

Le résonateur est relié au corps par un élément de connexion 14.

De préférence, et en particulier dans le cas où le résonateur est excité dans un mode dans le plan, l'élément de connexion est tel qu'il amortit peu, voire n'amortit pas les vibrations du résonateur. Par exemple l'élément de connexion présente une section transversale faible par rapport à la surface du résonateur et est fixé sensiblement au centre de celui-ci. L'élément de connexion est par exemple en matériau plastique et est par exemple collé au résonateur.

Le corps est par exemple en aluminium.

De préférence, le corps présente une certaine masse, permettant à l'objet d'offrir un ressenti haptique amplifié à l'utilisateur.

En variante, le corps 2 pourrait être conformé de sorte que le résonateur soit directement fixé sur le corps. En outre, la forme du corps peut être quelconque.

Sur la figure 3, on peut voir une représentation schématique d'un système haptique comportant la surface S, au moins un objet tangible 01, une unité de contrôle U de l'objet tangible et des moyens d'alimentation électrique A de l'actionneur.

L'unité de contrôle commande l'alimentation électrique de l'actionneur en fonction de la position de l'objet tangible et/ou de son emplacement sur la surface et du ou des motifs haptiques préenregistrés. L'unité de commande peut être intégrée à l'objet ou déportée dans un boîtier indépendant. Dans ce dernier cas, un système de communication sans-fil ou filaire est mis en oeuvre. L'unité de commande permet d'activer le dispositif intelligemment en fonction d'entrées de capteurs tels que capteur de position ou de force par exemple, afin de fournir un rendu haptique utile et réaliste.

Les moyens d'alimentation peuvent être filaires, la source électrique étant éloignée et connectée à l'objet, en particulier l'actionneur par des fils conducteurs électriques.

Selon une variante avantageuse, l'alimentation électrique est embarquée et est par exemple formée par une batterie. La batterie est par exemple disposée à l'intérieur d'une cavité réalisée dans le corps.

Selon une autre variante, on peut envisager une alimentation à distance par induction, une ou des bobines électromagnétiques étant disposées sous la surface S et une ou des bobines électromagnétiques étant disposées dans le corps.

Le système peut comporter également des moyens pour détecter la position 20 de l'objet tangible, ou capteur de position, par exemple pour détecter la position angulaire dans le cas d'une rotation. Le système peut comporter en outre des moyens pour détecter la présence de l'objet tangible en un endroit donné de la surface ou capteur de présence. Les moyens de détection 20 et les moyens de détection de la position peuvent être confondus ou distincts.

Par exemple, il peut être envisagé que le capteur de présence soit de type RFID, l'objet portant une étiquette et RFID et la surface comportant un lecteur RFID. Le capteur de position peut être, quant à lui, réalisé par un capteur optique de type de celui utilisé dans les souris informatiques mettant en œuvre une diode électroluminescente.

La position de l'objet tangible 01 sur la surface S correspond à ses coordonnées dans l'espace bidimensionnel ou tridimensionnel suivant la surface.

Le capteur de position peut être du type optique, il peut par exemple être une caméra infrarouge intégrée sous la surface S et qui suit le déplacement de l'objet 01. Selon un autre exemple le capteur de position peut être porté par l'objet et mettre en œuvre un faisceau laser.

Le capteur de position peut être de type capacitif, de manière très avantageuse la surface S est portée par un écran capacitif et forme une capacité avec l'élément piézoélectrique 10.

Le système peut comporter en plus un capteur d'intention de l'utilisateur qui peut par exemple comprendre un capteur de force.

Un système ne comportant pas de capteur de position et uniquement un capteur d'intention ne sort pas du cadre de la présente invention.

La génération de la lubrification entre l'objet et la surface S est déterminée à partir de motifs haptiques prédéfinis en fonction du rendu haptique que Γοη souhaite reproduire, ces motifs sont enregistrés dans une base de données.

Un motif est défini par un effort résistant ou effort de freinage à appliquer en fonction des données suivantes dans le cas d'un bouton rotatif:

- la position angulaire courante du bouton,

- le sens de rotation courant du bouton,

- la vitesse de déplacement.

Un motif haptique est donc un ensemble de valeurs d'effort de freinage à appliquer au bouton, i.e. un ensemble de valeurs définissant le motif, chaque valeur du motif haptique est associée à une position angulaire donnée du bouton et à un sens de rotation du bouton. Chaque valeur d'effort de freinage correspond à une valeur de coefficient de frottement entre la surface S et la face de contact 8 qui correspond à une valeur de l'amplitude de vibration du résonateur qui correspond à une intensité de courant alimentant l'actionneur.

Il sera compris que la même valeur du motif peut être affectée pour des positions angulaires différentes ou plusieurs positions linéaires différentes. En outre, des valeurs différentes peuvent être affectées suivant le sens de déplacement.

Dans le dispositif selon l'invention, l'effort de freinage maximal est obtenu lorsqu'aucune excitation n'est appliquée à l'actionneur.

En variante, on peut envisager de ne pas utiliser de capteur de position et de moduler l'amplitude de vibration en fonction du temps.

Le fonctionnement de l'objet tangible 01 va maintenant être décrit.

L'objet tangible 01 est disposé sur la surface S, par exemple formant écran sa face 8 en contact avec la surface S. Le poids P de l'objet et éventuellement la pression de l'utilisateur tenant l'objet crée une force de frottement entre la face 8 et la surface S. Le déplacement de l'objet est freiné par les frottements.

L'objet est par exemple destiné à former un bouton rotatif de contrôle de l'intensité d'une grandeur, par exemple un volume sonore. L'objet 01 est alors disposé sur une zone de la surface S dédiée à ce contrôle.

Le capteur de présence détecte la présence de l'objet 01 à l'emplacement dédié au contrôle du volume sonore. L'unité de contrôle sait alors que la manipulation du bouton doit commander le volume sonore. Avantageusement, un message ou une icône peut s'afficher sur l'écran pour informer l'utilisateur de la commande sélectionnée.

La position angulaire de l'objet sur la surface S est déterminée, et l'unité de contrôle commande l'alimentation électrique de l'actionneur. Le résonateur est alors mis en vibration. En excitant le résonateur à une de ses fréquences de résonances, un effet de lubrification apparaît entre la face 8 et la surface S.

Le fréquence du résonateur est au moins de 10 kHz et de préférence est une fréquence ultrasonique, supérieure à environ 20 KHz.

De manière préférée, l'actionneur est alimenté de sorte à exciter le résonateur à une fréquence de résonance telle que le résonateur est mis en vibration selon un mode de vibration dans le plan. La fréquence de résonance ayant un mode de vibration dans le plan est de préférence comprise entre 70 kHz et 200 kHz.

On entend par « mode de vibration dans le plan », un mode de vibration dans lequel les déplacements générés par excitation du matériau piézoélectrique ont des directions parallèles au plan de l'actionneur.

Dans un tel mode de vibration, les forces sont générées dans le plan entre la partie fixe et la partie mobile et l'amplitude des déplacements s'additionnent à l'extrémité radiale du résonateur provoquent un déplacement tangentiel, il en résulte un glissement tangentiel radial perpendiculaire à la direction de rotation et un effet de lubrification ultrasonique entre la partie fixe et la partie mobile. Le coefficient de frottement entre la face 8 et la surface S est fortement diminué L'utilisateur peut tourner le bouton presque sans frottement. En attribuant à chaque position de l'objet un motif haptique, il est possible de simuler une butée, une texture, des crans.

Un seul motif haptique peut être associé à l'emplacement donné du bouton sur la surface ou plusieurs motifs haptiques. Par exemple, une butée peut être simulée lorsque le volume sonore maximal est atteint ou alors l'effet de lubrification peut être réduit afin de freiner la rotation du bouton lorsque le niveau sonore est considéré comme dangereux.

Simultanément l'unité de contrôle commande le niveau sonore en fonction de la position du bouton.

Le bouton peut ensuite être déplacé sur la surface vers un autre emplacement dédié à une autre fonction, par exemple le réglage de la température. Le fonctionnement du bouton est similaire.

Alternativement, l'objet peut être destiné à n'être déplacé qu'en translation sur la surface, pour par exemple former un curseur. D'une part, les déplacements en rotation de l'objet sont empêchés et le déplacement en translation de l'objet est guidé. Par exemple une lubrification est générée pour faciliter le déplacement de l'objet lorsqu'il se déplace dans une direction donnée et le niveau de lubrification peut être réduit lorsque l'objet tend à se déplacer selon d'autres directions. On peut alors réaliser des guides virtuels du déplacement de l'objet tangible.

L'objet 01 peut être destiné à être déplacé en rotation et/ou en translation.

Sur la figure 8, on peut voir représentée l'évolution du coefficient de frottement en fonction de l'amplitude tangentielle de vibration en pm pour un bouton de diamètre de 35mm en estimant la vitesse maximale angulaire atteinte à ltr/s (V0max=0,lm/s). La fréquence de résonance est de l'ordre de 75 kHz.

En général, avec les actionneurs mis en œuvre on peut atteindre une amplitude tangentielle de l'ordre de 3 pm. Pour une telle amplitude, le coefficient de frottement est fortement abaissé.

Sur la figure 9, on peut voir l'évolution du rapport entre le couple maximal et le couple minimal Cmax/Cmin appliqués sur bouton en fonction de l'amplitude tangentielle de la vibration. Pour une amplitude de l'ordre de 3 pm, on obtient un rapport de couple de 5. Le couple qui peut donc être exercé sur le bouton est d'autant plus grand que le coefficient de frottement diminue, et donc que l'amplitude de vibration augmente.

Le type de sensation simulée peut être choisi en faisant varier l'amplitude de la vibration comme cela est illustré par la figure 8. En augmentant ou diminuant l'amplitude de la vibration, on diminue ou on augmente les frottements respectivement. L'unité de contrôle modifie donc l'amplitude de vibration en fonction de la position du bouton suivant le motif haptique à reproduire. L'amplitude de vibration dépend de la norme du courant ou de la tension d'excitation alimentant le ou les actionneurs.

En outre en modulant la fréquence spatiale de la vibration, i.e. en modifiant la variation de l'amplitude de la vibration en fonction du déplacement du bouton, il est possible de modifier la sensation ressenti par l'utilisateur. Par exemple, lorsque la modulation a une fréquence spatiale élevée inférieure au mm, on peut reproduire une sensation de texture, et lorsque la vibration a une fréquence spatiale faible, on peut reproduire des crans individuels.

Sur la figure 4, on peut voir un autre exemple d'objet tangible 02 comportant un aimant 12 disposé par exemple dans le corps et la surface est en matériau ferromagnétique. Le résonateur a alors contraint contre la surface S sous l'effet de l'attraction entre l'aimant et la surface S. Cet objet 02 présente l'avantage de pouvoir utiliser une surface S qui ne soit pas horizontale, elle peut être inclinée voire verticale, l'objet 02 restant solidaire de la surface S. il peut être envisagé que la surface S soit mobile. Avantageusement l'aimant pourrait être détecté par des moyens magnétiques pour détecter la présence et/ou position de l'objet.

Sur la figure 5, on peut voir un autre exemple de réalisation d'un objet tangible 03 selon l'invention comportant plusieurs résonateurs 9. Dans l'exemple représenté, ils sont au nombre de quatre mais ils pourraient être au nombre de deux, trois, et voire plus de quatre.

Tous les actionneurs des résonateurs peuvent être activés simultanément et l'objet tangible fonctionne alors comme l'objet 01.

On peut envisager d'actionner différemment les différents actionneurs, par exemple pour favoriser la rotation de l'objet 03 autour de l'un des résonateurs qui forme alors un axe de rotation.

De manière très avantageuse, dans le cas où les pastilles forment avec la surface des condensateurs, la mise en oeuvre de plusieurs pastilles permet de détecter l'orientation et la position de l'objet en détectant la position de chacune des pastilles à l'aide d'un système de détection capacitif. La disposition des résonateurs peut être quelconque.

Sur les figures 6A à 6E, on peut voir un autre exemple de réalisation d'un objet tangible 04 comportant des moyens 14 assurant le déplacement de l'objet tangible 04.

Dans l'exemple représenté, les moyens 14 comporte un vibreur excentrique fixé sur une extrémité distale du corps. Il comporte un moteur électrique 16 et une masselotte excentrée 18 entraînée en rotation autour d'un axe horizontal y. la masselotte 18 est par exemple en prise directe avec l'axe du moteur 16. Le moteur 16 peut être alimenté par la même source d'alimentation que l'actionneur ou par une source d'alimentation différente.

L'axe y est destiné à être disposé perpendiculairement à la direction de déplacement de l'objet.

L'unité de contrôle est telle qu'elle synchronise la génération d'une lubrification et la position de la masselotte. On peut décomposer le déplacement en rotation de la masselotte en deux phases : une phase descendante I et une phase ascendante II repérées sur la figure 4.

De préférence, le moteur et la masselotte sont recouverts d'un capot permettant à un utilisateur de saisir l'objet.

Le fonctionnement de l'objet 04 va maintenant être décrit.

Le moteur 16 fonctionne en permanence, entraînant la masselotte en rotation autour de l'axe y.

L'actionneur n'est pas activé. Lorsque la masselotte est dans la phase I, elle tend à déplacer l'objet vers la droite dans la représentation des figures 6A à 6E et lorsque la masselotte est dans la phase II, elle tend à le déplacer vers la gauche.

Tant qu'aucune lubrification n'est générée ou si une lubrification permanente et constante est générée, l'objet 04 ne se déplace pas sur un tour complet de la masselotte.

La génération d'une lubrification est schématisée par le trait ondulé désigné L.

Si l'activation de l'actionneur est synchronisé par exemple avec un demicycle du moteur, i.e. avec l'une des phases de déplacement I ou II de la masselotte, on favorise le déplacement de l'objet dans un sens ou dans l'autre. Par exemple, en générant une lubrification pendant la phase I uniquement l'objet se déplacera vers la droite (Figure 6A et 6B) et en interrompant cette lubrification pendant la phase II (figure 6C et 6D), l'objet se déplacera vers la gauche mais d'une amplitude beaucoup plus faible que celle de son déplacement vers la gauche. En synchronisant la génération de la lubrification avec la phase I de la masselotte, on crée un effet d'entraînement asymétrique et un déplacement net de l'objet vers la droite (figure 6E).

L’actionneur peut être synchronisé avec le moteur sur moins d'un demicycle, par exemple un quart de cycle. Le choix de la synchronisation permet de fixer le sens de déplacement et la vitesse de déplacement.

Par ailleurs, en modulant l'amplitude des vibrations, on peut également faire varier la vitesse de déplacement de l'objet.

L'utilisateur qui manipule l'objet peut alors ressentir un déplacement de l'objet, par exemple signalant que l'objet n'est pas à sa place sur la surface. Ce système peut également être utilisé pour repositionner les objets de manière autonome sur la surface, par exemple déplacer un bouton glissière ou rotatif. Avantageusement, un moteur dont l'axe de rotation est normal au plan de translation peut permettre de déplacer l'objet en translation dans les deux directions de l'espace. L'objet 04 fonctionne sinon de manière similaire à l'objet 01.

Sur la figure 7, on peut voir un autre exemple d'un objet tangible selon l'invention dans lequel l'élément mécanique 111 est tel que le contact entre l'objet tangible et la surface S est une arête, de forme circulaire dans l'exemple représenté. De manière plus générale, le contact entre l'objet tangible et la surface S peut être un contact linéique, voir ponctuel en mettant en œuvre des pieds, avantageusement trois, de forme pyramidale ou conique.

L'élément mécanique 111 a la forme d'un anneau de section transversale triangulaire, l'un des sommets 111.1 du triangle étant en contact avec la surface S, l'élément piézoélectrique 110 a la forme d'un anneau en contact avec une face 111.2 du triangle opposé au sommet. D'autres formes sont envisageables, par exemple dans le cas d'objets destinés à se déplacer en translation.

Comme cela a été indiqué ci-dessus, la surface S peut être une surface en trois dimensions, les moyens de détection de la position étant adaptés à une telle géométrie. L'objet 02 comportant un aimant est particulièrement adapté à l'utilisation avec une surface tridimensionnelle.

La présente invention permet donc de réaliser des objets tangibles sur des surfaces, par exemple des surfaces tactiles de moyenne ou grande taille d'une diagonale en général supérieure à 25 cm et inférieure à 2 m. Elle permet de réaliser des interfaces à retour multidirectionnel, i.e. en rotation et/ou en translation, par exemple pour des applications dans différents domaines techniques tels que l'automobile, l'aéronautique. L'invention peut également être mise en oeuvre dans le domaine médical, par exemple pour la rééducation.

Plusieurs objets tangibles peuvent être déplacés/manipulés en même temps, par exemple deux objets, chacun dans une main d'un utilisateur sur une même surface et leurs actionneurs peuvent être activés différemment délivrant des sensations haptiques différentes.

Claims (21)

1. REVENDICATIONS

   1. Objet tangible destiné à coopérer avec un surface (S), comportant un corps (2) muni d'une première extrémité d'interaction avec l'utilisateur et une deuxième extrémité comportant moins un résonateur (9) destiné à venir en contact avec ladite surface (S), ledit résonateur (9) comportant un matériau (10) apte à mettre en vibration le résonateur (9) lorsqu'il est excité, ledit objet étant destiné à être commandé par une unité de contrôle telle qu'elle alimente le matériau (10) apte à mettre en vibration le résonateur selon au moins un motif haptique.
2. 2. Objet tangible selon la revendication 1, dans lequel le matériau apte à mettre en vibration le résonateur est un matériau piézoélectrique (10).
3. 3. Objet tangible selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le résonateur (9) comporte un élément solidaire du matériau apte à mettre en vibration le résonateur, ledit élément étant destiné à venir en contact avec ladite surface.
4. 4. Objet tangible selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le résonateur est destiné à venir en contact avec la surface par un contact plan.
5. 5. Objet tangible selon l'une des revendications 1 à 4, comportant des moyens de déplacement (14) de l'objet par rapport à la surface (S).
6. 6. Objet tangible selon la revendication 5, dans lequel les moyens de déplacement (14) comportent un moteur électrique (16) et une masselotte (18) excentrée mobile en rotation sous l'action du moteur électrique (16) et dans lequel l'unité de contrôle (U) synchronise la rotation de la masselotte (18) et la mise en vibration du résonateur (9).
7. 7. Objet tangible selon l'une des revendications 1 à 6, comportant un aimant (12) destiné à coopérer avec une partie ferromagnétique de la surface.
8. 8. Objet tangible selon l'une des revendications 1 à 7, comportant plusieurs résonateurs (9) et dans lequel l'unité de contrôle (U) est apte à mettre en vibration chaque résonateur (9) indépendamment les uns des autres.
9. 9. Objet tangible selon l'une des revendications 1 à 8, comportant une alimentation électrique embarquée.
10. 10. Objet tangible selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel le matériau apte à mettre en vibration le résonateur (10) est excité de sorte que le résonateur (9) vibre a au moins une fréquence de résonance telle que la fréquence de résonance génère dans le résonateur (9) un mode de vibration dans le plan.
11. 11. Objet tangible selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel l'unité de contrôle alimente le matériau apte à mettre en vibration le résonateur (10) à au moins une fréquence de résonance du résonateur (9) dans le domaine ultrasonique.
12. 12. Système haptique comportant au moins une surface (S), au moins un objet tangible selon l'une des revendications 1 à 11, des moyens de détection de la position (20) de l'objet tangible sur la surface et une unité de contrôle dudit objet.
13. 13. Système selon la revendication 12, comportant également des moyens de détection de la présence de l'objet à un emplacement donné sur la surface.
14. 14. Système haptique selon la revendication 12 ou 13, dans lequel les moyens de détection de la position (20) de l'objet tangible sont des moyens capacitifs, le matériau (10) apte à mettre en vibration le résonateur (9) formant avec au moins une partie de la surface un condensateur.
15. 15. Système haptique selon la revendication 14, l'objet tangible comportant plusieurs résonateurs (9), l'élément (10) apte à mettre en vibration le résonateur (9) formant avec au moins une partie de la surface un condensateur.

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16. 16. Système haptique selon la revendication 15, dans lequel l'unité de contrôle (U) utilise les variations de capacités pour déterminer l'orientation de l'objet.
17. 17. Système haptique selon l'une des revendications 12 à 16, comportant un capteur de détection de l'intention de l'utilisateur.
18. 18 Système haptique selon l'une des revendications 12 à 17, comportant des moyens d'alimentation électrique de l'objet tangible, par voie filaire ou à par induction.

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19. 19. Système haptique selon l'une des revendications 12 à 18, l'objet tangible comportant au moins un aimant (12), dans lequel la surface (S) est au moins en partie ferromagnétique.
20. 20. Système haptique selon l'une des revendications 12 à 19, dans

    20 lequel l'unité de contrôle (U) commande l'émission d'un signal, par exemple un affichage du signal sur la surface (S), lorsque l'objet tangible est dans une position donnée sur la surface.
21. 21. Système haptique selon l'une des revendications 12 à 20, dans lequel la surface (S) est un écran d'affichage.

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    S.60502