FR3056316A1 - Interface haptique a stimulations kinesthesique et vibrotactile - Google Patents

Interface haptique a stimulations kinesthesique et vibrotactile Download PDF

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Abstract

Interface haptique pour la commande d'un système comportant : - une manette (4), - un dispositif de stimulation kinesthésique (6, 8) connecté mécaniquement à la manette (4) - un dispositif de stimulation vibrotactile comportant trois actionneurs vibrants (A1, A2, A3) générant une stimulation vibrotactile au niveau de la manette (4) avec l'utilisateur, les actionneurs vibrants (A1, A2, A3) étant tels que chaque actionneur vibrant génère des vibrations dans une gamme de fréquence et/ou une gamme de d'amplitude au moins en partie distinctes de celles des autres actionneurs vibrants, - des moyens de mesure d'une position de la manette (4), - une unité de commande apte à envoyer des ordres audit dispositif de stimulation kinesthésique et au dispositif de stimulation vibrotactile au moins en fonction des signaux transmis par les moyens de mesure de la position de la manette et/ou d'informations sur l'état du système et/ou son environnement.

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.
INTERFACE HAPTIQUE A STIMULATIONS KINESTHESIQUE ET VIBROTACTILE.
FR 3 056 316 - A1 (57) interface haptique pour la commande d'un système comportant:
- une manette (4),
- un dispositif de stimulation kinesthésique (6, 8) connecté mécaniquement à la manette (4)
- un dispositif de stimulation vibrotactile comportant trois actionneurs vibrants (A1, A2, A3) générant une stimulation vibrotactile au niveau de la manette (4) avec l'utilisateur, les actionneurs vibrants (A1, A2, A3) étant tels que chaque actionneur vibrant génère des vibrations dans une gamme de fréquence et/ou une gamme de d'amplitude au moins en partie distinctes de celles des autres actionneurs vibrants,
- des moyens de mesure d'une position de la manette (4),
- une unité de commande apte à envoyer des ordres audit dispositif de stimulation kinesthésique et au dispositif de stimulation vibrotactile au moins en fonction des signaux transmis par les moyens de mesure de la position de la manette et/ou d'informations sur l'état du système et/ou son environnement.
Figure FR3056316A1_D0001
Figure FR3056316A1_D0002
INTERFACE HAPTIQUE A STIMULATIONS KINESTHESIQUE ET VIBROTACTILE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE ET ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
La présente invention se rapporte à une interface haptique à retour haptique amélioré.
Une interface haptique peut être utilisée pour commander ou contrôler un système tel que par exemple un engin de chantier ou différents dispositifs dans un véhicule automobile, comme par exemple la climatisation et un système de géolocalisation. Une interface haptique est particulièrement intéressante lorsque l'utilisateur doit garder son attention, notamment visuelle, sur l'environnement par exemple lorsqu'il conduit.
L'interface haptique peut prendre la forme d'une manette, également appelée joystick, à deux degrés de liberté. Un effort résistant s'oppose au déplacement de la manette en fonction par exemple de sa position. En modulant l'effort résistant en fonction de la position de la manette, il est possible de définir des motifs haptiques qui seront ressentis par l'utilisateur lorsqu'il déplace la manette.
L'interface peut comporter un ou plusieurs freins magnétorhéologiques, et l'effort résistant peut être transmis à la manette par l'intermédiaire d'un fluide magnétorhéologique dont la viscosité apparente est modifiée par l'application d'un champ magnétique afin de définir les motifs haptiques prédéfinis.
Cet effort résistant appliqué par le ou les freins est désigné effet kinesthésique. Cet effet kinesthésique ne survient que lorsque l'utilisateur déplace effectivement la manette. Ainsi l'utilisateur ne ressent un retour haptique que lorsqu'il exerce une action sur la manette, mais il peut être intéressant de pouvoir transmettre des informations à l'utilisateur alors même que la manette n'est pas en mouvement, par exemple pour informer l'utilisateur sur l'état courant de du système contrôlé.
Il a alors été envisagé d'associer à cet effet kinesthésique un effet vibratoire en associant aux freins des vibrations. Par exemple, une telle interface est décrite dans le document US20080024440, celle-ci comporte un frein électromagnétique qui est commandé de sorte à également produire des vibrations. Mais l'utilisation du même actionneur pour générer les deux effets limite la richesse des messages vibrotactiles. En outre l’actionneur n'est capable de délivrer que des messages de type « secousses » ou « buzz ».
De plus, on cherche à délivrer des stimulations dont la signification peut être comprise par le plus grand nombre d'utilisateurs, même dans le cas de nouveaux utilisateurs ou d'utilisateurs occasionnels.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
C'est par conséquent un but de la présente invention d'offrir une interface haptique à ressenti enrichi et capable de transmettre des messages particulièrement significatifs et compréhensibles par l'utilisateur, notamment dans le cas d'un utilisateur néophyte ou occasionnel.
Le but de la présente invention est atteint par une interface haptique comportant un élément d'interaction avec l'utilisateur, au moins un frein apte à générer au moins un effort résistant sur l'élément d'interaction, au moins un capteur de position de l'élément d'interaction avec l'utilisateur et au moins deux actionneurs vibrants aptes à générer des vibrations dans des gammes de fréquence différentes et/ou des gammes d'amplitude différentes.
Grâce à l'invention, d'une part l'utilisateur peut être sollicité alors qu'il n'exerce pas d'action sur l'élément d'interaction, afin par exemple de l'informer sur l'état courant du système commandé par l'interface et/ou sur une modification de l'environnement d'utilisation du système commandé. D'autre part, la mise en œuvre d'aux moins deux actionneurs vibrants différents mettant en jeu des gammes d'amplitude et/ou de fréquences vibratoires différentes offre une grande richesse spectrale qui permet d'appliquer à l'élément d'interaction des motifs haptiques vibratoires significatifs pour l'utilisateur.
Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, l'unité de commande envoie des ordres aux freins et aux actionneurs vibrants en tenant compte également de l'historique des stimulations déjà générées afin d'améliorer encore la perception du message par l'utilisateur et de ne pas surcharger l'utilisateur d'information, afin que les messages restent efficaces.
De manière très avantageuse, l'interface met en œuvre trois actionneurs vibrants, le premier générant des basses fréquences, le deuxième générant des moyennes fréquences et le troisième générant des hautes fréquences.
De préférence, les actionneurs vibrants sont de type rotatif présentant un faible encombrement.
L'interface haptique peut être de préférence à au moins deux degrés de liberté, et comporter deux freins appliquant chacun un couple résistant autour d'un axe de rotation.
La présente invention a alors pour objet une interface haptique pour la commande d'un système comportant :
- au moins un élément d'interaction avec un utilisateur,
- au moins un dispositif de stimulation kinesthésique connecté mécaniquement à l'élément d'interaction
- un dispositif de stimulation vibrotactile comportant n actionneurs vibrants aptes à générer une stimulation vibrotactile au niveau de l'élément d'interaction avec l'utilisateur, n étant un entier supérieur ou égal à 2, lesdits n actionneurs vibrants étant tels que chaque actionneur vibrant génère des vibrations dans une gamme de fréquence et/ou une gamme de d'amplitude au moins en partie distinctes de celles des autres actionneurs vibrants,
- des moyens de mesure d'une position de l'élément d'interaction avec un utilisateur,
- une unité de commande apte à envoyer des ordres audit dispositif de stimulation kinesthésique et au dispositif de stimulation vibrotactile au moins en fonction des signaux transmis par les moyens de mesure de la position de l'élément d'interaction avec un utilisateur et/ou d'informations sur l'état du système et/ou son environnement.
De manière préférée, les n actionneurs sont disposés dans l'élément d'interaction avec l'utilisateur.
Avantageusement, n est égal à 3, un premier actionneur vibrant générant des vibrations à basses fréquences, un deuxième actionneur vibrant générant des vibrations à moyennes fréquences et un troisième actionneur vibrant générant des vibrations à hautes fréquences.
De préférence, les gammes de fréquences et/ou d'amplitudes des actionneurs vibrants se recouvrent au moins en partie ou au moins deux à deux.
Au moins l'un des actionneurs vibrants est avantageusement monté sur une partie de l'élément d'interaction avec l'utilisateur de sorte que le reste de l'élément d'interaction avec l'utilisateur soit isolé des vibrations générées par ledit actionneur vibrant.
Par exemple, l'élément d'interaction avec l'utilisateur est destiné à être saisie par une main de l'utilisateur et dans laquelle les n actionneurs sont répartis sur l'élément d'interaction avec l'utilisateur en fonction de la répartition de mécanorécepteurs dans la main et/ou des parties de l'élément d'interaction qu'on souhaite actionner.
Au moins une partie des n actionneurs vibrant peuvent être des actionneurs rotatifs à masselotte.
Selon une caractéristique additionnelle, le dispositif de stimulation kinesthésique comporte au moins un premier frein comprenant un fluide dont la viscosité apparente varie en fonction d'un stimulus extérieur, par exemple un fluide magnétorhéologique, et un système de génération dudit stimulus sur commande dans ledit fluide et un élément d'interaction avec le fluide disposé dans le fluide et connecté mécaniquement à l'élément d'interaction avec l'utilisateur. Le dispositif de stimulation kinesthésique peut comporter au moins un deuxième frein comprenant un fluide dont la viscosité apparente varie en fonction d'un stimulus extérieur, par exemple un fluide magnétorhéologique, et un système de génération dudit stimulus sur commande dans ledit fluide et un élément d'interaction avec le fluide disposé dans le fluide et connecté mécaniquement à l'élément d'interaction avec l'utilisateur.
Par exemple, la connexion mécanique entre l'élément d'interaction avec l'utilisateur et le dispositif à stimulation kinesthésique est une articulation à cardans.
Les moyens de mesure d'une position de l'élément d'interaction peuvent comporter au moins un capteur de position au niveau du premier frein ou des premier et deuxième freins.
Dans un exemple de réalisation, l'élément d'interaction ou les éléments d'interaction avec le fluide est ou sont mobile(s) en rotation.
De manière avantageuse, l'interface haptique comporte des moyens de détection de l'intention de l'utilisateur. Les moyens de détection de l'intention d'action de l'utilisateur sont par exemple aptes à mesurer un couple dans le premier frein ou dans les premier et deuxième freins.
Avantageusement, l'unité de commande est apte à envoyer des ordres aux dispositifs de stimulation kinesthésique et vibrotactile de sorte qu'ils génèrent des stimulations kinesthésiques et vibrotactile simultanément ou successivement.
Selon une caractéristique additionnelle, l'unité de commande est telle que pour un même message à transmettre à l'utilisateur, elle génère des ordres au dispositif de stimulation kinesthésique ou au dispositif de stimulation vibrotactile en tenant compte du type de stimulation précédemment généré.
Dans le cas d'un message d'alerte, l'unité de commande envoie un premier ordre au dispositif de stimulation vibrotactile pour générer une stimulation vibrotactile et envoie ensuite un deuxième ordre au dispositif de stimulation kinesthésique pour générer une stimulation kinesthésique. L'unité de commande peut répéter l'envoi du deuxième ordre jusqu'à ce que l'utilisateur tienne compte du message d'alerte.
L'interface haptique est par exemple à au moins à deux degrés de liberté.
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 IA est une vue en perspective d'un exemple de réalisation d'une interface haptique selon l'invention, certains éléments étant représentés en transparence,
- la figure IB est une vue de détail de la figure IA au niveau de la connexion à cardans,
- les figures 2A et 2B sont des vues de détails de la figure IA, le pommeau étant représenté en transparence sur la figure 2B,
- les figures 3A à 3D sont des représentations schématiques d'exemples d'effecteurs pouvant être mis en oeuvre dans l'interface haptique selon l'invention,
- la figure 4 est une représentation des variations de fréquence et d'amplitude en fonction de la tension de commande d'un actionneur vibrant à masselotte rotative pouvant être mis en oeuvre dans l'interface haptique,
- la figure 5 est une représentation des variations de fréquence et d'amplitude en fonction de la tension de commande de trois actionneurs vibrants à masselotte rotative pouvant être mis en oeuvre dans l'interface haptique, les gammes d'amplitude et de fréquence se recoupant partiellement,
- la figure 6 représente un organigramme d'un exemple d'interface haptique selon l'invention,
- la figure 7 est une représentation schématique des exemples de messages délivrés à l'utilisateur par l'interface par stimulation kinesthésique et stimulation vibrotactile.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Sur les figures IA et IB, on peut voir un exemple d'interface haptique à deux degrés de liberté selon l'invention. Il sera compris que cet exemple n'est en aucun cas limitatif comme cela sera décrit dans la suite de la description.
L'interface haptique comporte un bâti 2, un élément d'interaction 4 avec un utilisateur articulé sur le bâti 2 et deux freins magnétorhéologiques 6, 8, désignés freins dans la suite de la description.
L'élément d'interaction 4 a la forme d'une manette et sera désigné manette ou effecteur dans la suite de la description.
La manette 4 s'étend, en position repos, le long d'un axe longitudinal Z perpendiculaire sensiblement au plan du bâti 2 et comporte une première extrémité longitudinale 4.1 destinée à être saisie par la main de l'opérateur et équipée par exemple d'un pommeau 5 et une deuxième extrémité longitudinale 4.2 connectée mécaniquement aux freins. Le pommeau est monté sur une tige 7 comportant la deuxième extrémité longitudinale 4.2.
Dans l'exemple représenté, le frein 6 est orienté le long d'un axe X et le frein 8 est orienté le long d'un axe Y orthogonal à l'axe X et tous deux sont orthogonaux à l'axe Z. Les axes X et Y définissent un plan parallèle au plan du bâti. Le frein 6 comporte un arbre 10 (figure IB) s'étendant le long de l'axe X et le frein 8 comporte un arbre (non visible) s'étendant le long de l'axe Y.
Dans l'exemple représenté, les deux freins 6 et 8 ont des structures similaires, seul le frein 6 sera décrit en détail. II sera compris qu'une interface haptique comportant des freins de structures différentes ne sort pas du cadre de la présente invention.
Un exemple de frein est par exemple dans le document W02016050717. Le frein 6 comporte un arbre 10 mobile en rotation autour de l'axe X et monté dans un boîtier 12. L'arbre 10 comporte une extrémité connectée mécaniquement à la deuxième extrémité 4.2 de la manette 4 et une deuxième extrémité (non visible) interagissant avec un fluide magnétorhéologique. La deuxième extrémité de l'arbre est par exemple solidaire en rotation d'une jupe disposée dans une chambre remplie de fluide magnétorhéologique. Le frein comporte également des moyens pour générer un champ magnétique dans la chambre de sorte à provoquer une modification de la viscosité du fluide magnétorhéologique. Lorsque la viscosité augmente, un couple résistant s'applique sur la jupe et sur l'arbre 10, et de fait sur la manette via la connexion mécanique entre l'arbre 10 et la manette 4.
L'interface comporte au moins un capteur de position de la manette.
Dans l'exemple représenté, des capteurs de positions angulaires 14 et mesurent la position angulaire des arbres des freins 6, 8. II peut s'agir par exemple de codeurs optiques incrémentaux.
De préférence, l'interface comporte au moins un capteur d'intention d'action de l'utilisateur mesurant l'effort ou le couple appliqué par l'utilisateur sur la manette de sorte à identifier son intention avant qu'un changement de position de la manette soit effectivement détecté. Le ou les capteurs déterminent la direction et l'amplitude de l'effort ou du couple.
Dans l'exemple représenté, chaque frein 6, 8 comporte un capteur d'intention d'action de l'utilisateur 11, 13 respectivement. Un exemple d'un tel capteur est décrit dans le document W02016050717 . II comporte par exemple un corps d'épreuve dont la déformation provoquée par le couple appliqué par l'utilisateur est détectée par des capteurs d'effort. Le corps d'épreuve peut être fixé par une extrémité au bâti de l'interface et par une autre extrémité au frein magnétorhéologique, par exemple le boîtier 8. Les capteurs d'effort sont en contact avec le corps d'épreuve au niveau de son extrémité solidarisée au boîtier du frein.
Le corps d'épreuve peut comporter un corps de forme cylindrique à section circulaire. Le corps d'épreuve est par exemple en matériau plastique, tel que l'ABS.
Lorsqu'un couple est appliqué sur l'arbre du frein 6, celui-ci provoque une déformation par torsion du corps d'épreuve par l'intermédiaire du boîtier du frein luimême en interaction avec le fluide, lui-même en interaction avec la jupe qui est liée à l'arbre. Cette déformation est détectée par les capteurs d'effort.
Le matériau du corps d'épreuve et sa géométrie peuvent être déterminés en fonction du couple minimal et du couple maximal appliqués, de la sensibilité des capteurs d'effort et du seuil de détection souhaité. En outre, la déformation du corps d'épreuve est telle qu'elle n'est pas perceptible par l'utilisateur. Par exemple, on peut considérer qu'une déformation du corps d'épreuve de quelques microns n'est pas perceptible par l'utilisateur.
Alternativement, on pourrait mesurer les efforts directement sur le boîtier ou sur l'arbre rotatif, pour cela un capteur de couple serait mis en oeuvre.
Le capteur d'effort est par exemple réalisé à l'aide d'éléments piézorésistifs assemblés sous la forme d'un pont de Wheatstone, ils permettent une sensibilité de l'ordre de quelques dizaines de mV par Newton avec une raideur suffisamment élevée pour limiter le déplacement à quelques dizaines de microns à pleine charge. En variante, le ou les capteurs d'effort pourraient être remplacés par un ou des capteurs de déformation formés, par exemple, par des jauges de contrainte directement appliquées sur le corps d'épreuve pour détecter sa déformation.
La connexion mécanique 18 entre la manette 4 et les arbres est un système à cardans bien connu de l'homme du métier dont un exemple non limitatif est représenté sur les figures IA et IB.
Dans l'exemple représenté, la deuxième extrémité 4.2 de la manette 4 est montée dans une pièce 20 au moyen d'un pivot glissant 22. L'arbre 10 est relié à la pièce 20 par une pièce 24 en forme de L, une branche 24.1 du L étant solidaire en rotation sur l'arbre 10 et l'autre branche 24.2 du L étant articulée sur la pièce 20 par un pivot glissant 26.
L'arbre du frein 8 est connecté à la pièce 20 via deux pièces en L 28, 30. Les deux pièces en L 28, 30 sont articulées entre elles par une liaison pivot glissant 32, la pièce en L 28 est solidaire en rotation sur l'arbre du frein 8 et la pièce en L 30 est articulée en rotation sur la pièce 20.
L'interface comporte des butées pour limiter le déplacement dans le plan X et Y de la manette, dans l'exemple représenté les butées sont formées par un cadre 33 disposé autour de la manette au-dessus de l'articulation à cardans.
De manière avantageuse, l'interface comporte des moyens de rappel en position repos, i.e. la manette est coaxiale avec l'axe Z. Ces moyens sont par exemple de type magnétique disposés entre le bâti 2 et l'articulation à cardans. Il s'agit par exemple de deux aimants permanents en vis-à-vis et alignés avec l'axe Z et exerçant une force magnétique de rappel.
La manette peut alors être déplacée autour des deux axes X et Y et les freins 6, 8 sont aptes à appliquer des couples résistants autour de ses axes en fonction de la position de la manette et/ou de l'intention d'action de l'utilisateur.
D'une part, toute autre articulation entre la manette et les freins permettant de réaliser une interface à au moins deux degrés de liberté entre dans le cadre de la présente invention, telle que celle décrite par exemple dans le document Bin Liu. Development of 2d hoptic devices working with magnetorheological fluids. Moster's thesis, University of Wollongong, Australia, 2006 ou dans le document A. Milecki, P. Bachman, and M. Chciuk. Control of o smoll robot by hoptic joystick with magnetorheological fluid. Mechatron. Syst. Mater.-MSM, 7, 2011.
D'autre part, la structure de freins pourrait être différente. Au lieu d'une jupe, par exemple un disque pourrait interagir avec le fluide magnétorhéologique. Par ailleurs, le frein pourrait être de type électrorhéologique ou électromagnétique.
De plus, les axes des freins pourraient ne pas être perpendiculaires. En outre, l'interface pourrait comporter plus de deux freins.
En variante, on pourrait envisager un frein actif comportant un moteur électrique agissant sur la manette.
Par ailleurs, le capteur d'intention d'action de l'utilisateur pourrait être disposé au plus près de l'utilisateur et par exemple directement sur la manette, par exemple dans le pommeau.
L'interface comporte également au moins deux et avantageusement trois actionneurs vibrants Al, A2, A3 qui sont montés sur la manette, par exemple dans le pommeau comme cela est visible sur les figures IA et 2B.
Chaque actionneur est tel qu'il est apte à générer des vibrations dans une gamme de fréquence et/ou une gamme d'amplitude au moins en partie différentes de celles des deux autres actionneurs. Ainsi les actionneurs couvrent ensemble un large spectre de fréquence et/ou d'amplitude ce qui offre de grandes possibilités en termes de sensation vibrotactile.
De manière générale, l'interface peut comporter plusieurs actionneurs générant des vibrations dans une même gamme de fréquence et/ou une même gamme d'amplitude.
Ces actionneurs sont distincts des freins, notamment dans le cas d'un frein actif.
De préférence, trois actionneurs vibrants sont mis en oeuvre. Sur les figures ΙΑ, 2A et 2B, on peut voir un exemple de manette munie d'un pommeau comportant trois actionneurs vibrants Al, A2, A3. Le premier actionneur Al génère des vibrations de basse fréquence, le deuxième actionneur A2 génère des vibrations de moyennes fréquences et le troisième actionneur A3 génère des vibrations de hautes fréquences. On peut par exemple avoir une première gamme basse fréquence choisie dans la bande 10Hz-50Hz, une deuxième gamme moyenne fréquence choisie dans la bande 50Hz-200Hz et une troisième gamme haute fréquence dans la bande 30Hz-400Hz.
Dans le cas où les actionneurs fonctionneraient dans deux gammes différentes, on pourrait choisir une première gamme de fréquence dans la bande 10Hz200 Hz avec une deuxième gamme de fréquence dans la bande 200Hz-500Hz.
La disposition relative des actionneurs vibrants est donnée uniquement à titre d'exemple et n'est en aucun cas limitative.
De manière très avantageuse, les actionneurs sont fixés sur l'effecteur de sorte à les isoler mécaniquement les uns des autres, ce qui permet d'isoler la stimulation qu'ils génèrent et exciter des zones de la main de manière séparée.
Dans l'exemple représenté sur les figures 2A et 2B, le pommeau est en deux parties et comporte un corps 40 entourant la tige de la manette et une coupelle ou calotte 42 formant le sommet du pommeau 5 et connectée mécaniquement au corps 40 par des lamelles souples 44. L'actionneur A3est fixé sur le corps à l'intérieur de celui-ci, l'actionneur Al est sur la tige et l'actionneur A2 est fixé sur la coupelle 42 à l'intérieur de celle-ci. Cet arrangement permet d'isoler les vibrations engendrées par l'actionneur A2 du reste du pommeau et donc d'exciter spécifiquement la paume de main. La sensation haptique est alors améliorée.
Les actionneurs peuvent être disposés de manière quelconque par rapport à la surface de la manette. De manière préférée, on peut les disposer de sorte que les vibrations générées soient dans un plan normal ou dans un plan tangentiel à la surface de la peau.
De préférence les actionneurs sont disposés sur la manette à des emplacements donnés de sorte qu'ils peuvent solliciter localement la main en des zones données de celle-ci, et faire correspondre les gammes de fréquence et/ou d'amplitude aux zones de la main plus particulièrement sensibles à ces gammes. En effet, une main comporte différents types de mécanorécepteurs dont la densité varie suivant leur emplacement sur la main. En outre les mécanorécepteurs sont sensibles à des vibrations de fréquence et/ou d'amplitude différentes suivant leur type. Par exemple les corpuscules de Pacini sont sensibles à une gamme de fréquence entre 10Hz et 1000 Hz, avec une sensibilité maximale aux alentours de 200 Hz et ils permettent la détection de texture fine. Il existe également par exemple les corpuscules dits de Meissner et de Ruffini sensibles à des fréquences au moins en partie différentes.
Grâce à l'invention, on peut stimuler plus particulièrement certains mécanorécepteurs.
Par exemple sur les figures 3A à 3D, on peut voir plusieurs exemples de répartitions différentes des actionneurs sur une manette. Les croix représentent les actionneurs, les petites formes ovales représentent les extrémités des doigts et la grosse forme ovale représente la paume de la main.
Sur la figure 3A, la manette est conformée par une prise de précision, seules les extrémités des doigts étant en contact de la manette.
Sur la figure 3B, la manette est conformée par une prise de force pleine main, la paume de la main étant en contact avec l'extrémité libre de la manette, les doigts sont en contact avec le corps de la manette.
Sur la figure 3C, la manette est conformée par une prise de force pleine main, la paume de la main et les extrémités des doigts étant en contact avec la manette.
La paume est située d'un côté de la manette et la extrémités des doigts sont situées de l'autre coûté de la manette
Sur la figure 3D, il s'agit d'un autre exemple de manette conformée pour une prise de force, la paume de la main étant en contact avec l'extrémité libre de la manette. La manette a la forme d'un T.
Le fait de disposer les actionneurs dans la manette permet d'avoir une bande passante plus élevée et des énergies de mise en oeuvre plus faibles en comparaison d'un système de frein actif électromécanique comportant un moteur qui doit également exciter les pièces mécaniques du frein et du dispositif de couplage avec l'effecteur. En outre il est difficile dans un système à frein actif de couvrir une bonne largeur spectrale suite à l'excitation des pièces intermédiaires, du fait par exemple des phénomènes de résonance.
Les actionneurs vibrotactiles peuvent comporter une masse déplacée linéairement ou de préférence déplacent une masse en rotation. Les actionneurs rotatifs présentent un encombrement et un coût de revient réduit. En outre ils sont commandés uniquement par une tension électrique, dont la valeur détermine à la fois l'amplitude de la vibration et la fréquence de la vibration. La mise en oeuvre de petits actionneurs permet de les placer dans la manette et d'exciter localement différentes régions de la main.
Sur la figure 4, on peut voir une représentation graphique de la variation de l'amplitude Amp de la vibration en g et la fréquence Fq en Hertz en fonction de la tension U en volt pour un actionneur à masse rotative. La courbe I représente la variation d'amplitude et la courbe II représente la variation de fréquence en fonction de la tension de commande appliquée à l'actionneur. Par exemple si on souhaite une fréquence de vibration de 200 Hz, il faut appliquer une tension de l'ordre de 1.4V et alors l'intensité de vibration obtenue sera de l'ordre de 0.8g. Comme on peut le voir, il existe une dépendance directe entre la fréquence de la vibration et l'amplitude de la vibration dans le cas des actionneurs à masselotte rotative.
De manière préférée, les gammes de fréquence et d'amplitude des actionneurs se recouvrent partiellement de sorte à avoir des zones de fonctionnement communes et de sorte à offrir des gammes de fréquence et d'amplitude de fonctionnement continues.
On peut alors s'affranchir au moins en partie de la dépendance entre amplitude et vibration. En effet, comme le montre le graphe de la figure 5, on peut obtenir une même amplitude Amp avec des fréquences différentes, Fql, Fq2 ou Fq3. Les courbes Iai, Ia2, Ia3, représentent les variations de l'amplitude de vibration des actionneurs Al, A2, A3 respectivement et les courbes Haï, Ha2, Ha3 représentent les variations de fréquence des vibrations des actionneurs Al, A2, A3 respectivement. L'amplitude et la fréquence varie en fonction de la tension appliquée, celle-ci n'est pas représentée sur l'axe des abscisses.
Une interface dans laquelle les gammes de fréquence et/ou d'amplitude des actionneurs vibrants seraient entièrement distinctes et une interface dans laquelle les gammes de fréquence et/ou d'amplitude de certains des actionneurs vibrants se recouvriraient partiellement ne sortent pas du cadre de la présente invention.
Les actionneurs vibrants ne nécessitent pas de mouvement de l'interface pour être actionnés et générer une stimulation vibrotactile. Ils peuvent être activés pour envoyer un message de type alerte contextuelle à l'utilisateur, cette alerte pouvant dépendre du temps écoulé, par exemple un temps trop long s'est écoulé sans manipulation de la manette, ou peut être événementielle pour alerter l'utilisateur de la survenance d'un évènement. La mise en œuvre de plusieurs actionneurs vibrants générant des vibrations à des fréquences différentes et/ou à des amplitudes différentes, permet d'offrir une grande richesse de stimulations vibrotactiles. Par exemple, l'actionneur basse fréquence permet de nuancer les effets produits avec les actionneurs de moyenne et haute fréquences plus communément utilisés dans les interfaces vibrotactiles. En effet, l'intensité perçue est moins forte mais cet actionneur produit des sensations plus agréables, idéal pour des messages d'information non intrusifs. D'autre part les actionneurs moyenne et haute fréquences ont une intensité perçue plus forte, permettant ainsi de créer des alertes ou des messages d'erreur plus intenses.
En combinant les paramètres d'amplitude, de durée, de rythme, et de choix de l'actionneur, on peut obtenir un langage riche de motifs haptiques possibles allant de simples vibrations à des motifs plus complexes, et des vibrations agréables à des vibrations plus intenses voire désagréables. La variété des messages dépend de l'application, elle peut couvrir des alertes d'erreurs, d'obstacles, de problèmes, d'approche et de fin de déplacement, de collision ou encore des informations variées telles que la chute d'altitude, un réservoir vide, un point d'intérêt à proximité, par exemple dans un jeux ou des monuments dans le cadre d'une visite touristique en automobile, une ceinture non attachée, etc. Les différentes intensités de vibration générées par les actionneurs permettent de faire ressentir à l'utilisateur la criticité de l'information à transmettre. La fréquence de répétition des vibrations et la durée des vibrations peuvent participer à améliorer la compréhension du message par l'utilisateur.
Par exemple, des messages impliquant un danger ou un problème sérieux seront programmés de façon plus intense, avec les actionneurs le permettant, de sorte à reproduire avec des vibrations une alarme ou sirène et pourront être répétés plusieurs fois pour accentuer l'urgence de l'alerte. Alors que des messages à caractère informatif voire optionnel ou du moins ne requérant pas une réponse immédiate de la part de l'utilisateur sont retranscris avec les autres actionneurs les plus appropriés.
Les actionneurs vibrants peuvent être activés simultanément, alternativement selon des séquences données. La mise en oeuvre de plusieurs actionneurs vibrants permet de générer des stimulations complexes explicites pour l'utilisateur, i.e. compréhensibles par l'utilisateur qui peut les associer à des signaux qu'il connaît par ailleurs, généralement des signaux sonores telles qu'une sirène ou un ronronnement. On parle alors de métaphores haptiques vibratoires.
II est possible de reproduire des messages complexes d'autant plus en tenant compte de la distribution spatiale des actionneurs sur la manette. Par exemple, on peut ainsi décider de stimuler certaines parties de la main ou bien alors certaines parties de l'interface afin de transmettre les informations relatives à la tâche et la situation. Par exemple, il est possible de signaler un décollage d'un objet volant en transmettant tout d'abord des vibrations à la base de la manette pour signifier le début du décollage, puis de transmettre progressivement des vibrations jusqu'à l'extrémité libre de la manette de l'interface pour signifier l'avancement du décollage jusqu'à l'information de stabilité en vol.
Un exemple de fonctionnement de l'interface va maintenant être décrit.
L'utilisateur saisit la manette et la déplace. Le ou les capteurs de position mesurent la position de la manette autour des axes X et Y et/ou le ou les capteurs d'intention mesurent le couple exercé par l'utilisateur sur les axes X et Y. Les informations sont traitées par une unité de commande qui envoie des ordres aux freins de générer une résistance donnée autour des axes X et Y suivant des motifs kinesthésiques prédéterminés. Le vecteur vitesse de déplacement (direction et amplitude) de la manette et/ou le vecteur accélération (direction et amplitude) peuvent également être pris en compte, celles-ci peuvent être obtenues en dérivant les mesures faites par le capteur de position.
Des champs électromagnétiques sont générés dans les freins provoquant une augmentation de la viscosité du fluide magnétorhéologique.
Les freins magnétorhéologiques et électrorhéologiques présentent un temps de réponse très court, de l'ordre de quelques millisecondes, et une grande dynamique d'effort résistif. Ils peuvent alors produire une grande variété de motifs haptiques.
Les freins peuvent simuler des butées, indiquant par exemple à l'utilisateur qu'il a atteint une configuration limite qu'il n'a pas le droit de dépasser, des crans reprogrammables avec différentes fréquences spatiales et différentes formes, par exemple rectangulaires, sinusoïdales, triangulaires, une résistance variable... les motifs haptiques peuvent être tels qu'ils assurent un guidage de la manette dans une direction donnée.
Comme indiqué ci-dessus, le contrôle des freins est réalisé sur la base de l'état d'actionnement de la manette, i.e. de sa position et/ou de la direction et de l'amplitude du vecteur vitesse, et/ou de la direction et de l'amplitude du vecteur accélération de déplacement de la manette, du vecteur de la force appliquée par l'utilisateur sur la manette.
En outre, les freins peuvent être contrôlés en tenant compte de l'état du système contrôlé par la manette. Par exemple, lorsque le système présente une alerte grave : la manette peut présenter des directions d'actionnement présentant des sensations de raideur importante ou de butée, ou dans le cas d'un système manipulant une charge lourde : la raideur et la dynamique d'actionnement du joystick peuvent être contrôlées pour simuler une inertie de manipulation.
Grâce aux informations fournies par le capteur d'intention, les sensations haptiques fournies par les freins sont améliorées, notamment elles permettent de réduire la sensation de collage.
Les actionneurs vibrants peuvent également être activés par l'unité de commande pour générer une stimulation vibrotactile simultanément à la stimulation kinesthésique, séquentiellement, de manière complémentaire ou à la place de la stimulation kinesthésique.
En actionnant le ou les actionneurs vibrants simultanément au(x) frein(s), on génère un effet de redondance haptique, ce qui permet de renforcer le message à fournir.
En actionnant le ou les actionneurs vibrants séquentiellement avec le ou les freins, on peut renforcer une information ou la spécifier, par exemple on peut envisager d'expliquer la signification d'une butée générée par les freins. Si la butée correspond à un obstacle ou une fin de course, le message vibrotactile peut être tel qu'il indique à l'utilisateur d'arrêter son mouvement sur la manette.
On peut utiliser le ou les actionneurs vibrants de manière complémentaire aux freins. Par exemple on peut générer une stimulation vibrotactile quand un retour intrusif de type alerte ou message urgent est requis et on peut générer une stimulation via les freins lorsqu'un retour discret et continu est désiré.
La stimulation kinesthésique et la stimulation vibrotactile sont particulièrement complémentaires. En effet, la stimulation tactile en termes perceptifs est persistante, il est donc préférable de ne pas stimuler la peau en continu de manière vibrotactile. La stimulation vibrotactile est particulièrement efficace pour des stimulations relativement courtes à l'inverse des stimulations kinesthésiques qui n'engendrent pas ces mêmes effets de persistance. Il est donc possible d'appliquer des stimulations kinesthésiques de manière continue.
En disposant à la fois de moyens de stimulation vibrotactile et de moyens de stimulation kinesthésiques, on dispose de possibilités importantes de communication avec l'utilisateur et on peut choisir le type de stimulation le plus adapté au message que l'on souhaite transmettre. Par exemple, on choisit une stimulation vibrotactile à la place de la stimulation kinesthésique pour transmettre des informations contextuelles de l'environnement qui ne dépendent pas du mouvement de la manette. Et inversement, les stimulations kinesthésiques peuvent être utilisées à la place des stimulations vibrotactiles lorsque les informations sont difficilement transmissibles par stimulation vibrotactile, par exemple lorsque l'on veut reproduire un effet d'inertie, effet ressort, etc.
De manière particulièrement avantageuse, l'invention permet à l'unité de commande de combiner les deux types de stimulation pour rendre la communication avec l'utilisateur la plus efficace possible. L'unité de commande adapte le type de stimulation à appliquer en fonction de l'historique des stimulations déjà appliquées par exemple pour renforcer celle-ci.
Par exemple, lors d'une première occurrence de l'information, par exemple la présence d'un obstacle à proximité, on peut choisir de transmettre l'information de façon vibrotactile, puis lors des occurrences suivantes on choisit de n'utiliser que la stimulation kinesthésique, afin d'une part de ne pas surcharger l'utilisateur de vibrations et ainsi éviter les phénomènes de persistance tactile, et d'autre part de ne pas gêner l'utilisateur avec la répétition d'informations avec un retour potentiellement intrusif. On peut envisager que l'intensité de la stimulation kinesthésique augmente jusqu'à ce que l'utilisateur réagisse.
Grâce à une telle procédure, on peut par exemple commencer par attirer l'attention de l'utilisateur dans un cas avec la stimulation vibrotactile qui est la plus efficace pour attirer l'attention, puis on renforce la reconnaissance/compréhension de cette information par une stimulation kinesthésique qui est la plus efficace pour envoyer une information sur une longue durée. Grâce à l'invention on transmet le même message en combinant les stimulations vibrotactiles et kinesthésiques et on adapte la génération de l'une ou l'autre des stimulations en fonction des stimulations déjà générées et appliquées à l'utilisateur.
Sur la figure 6, on peut voir un organigramme représentant l'interface haptique. Les références utilisées sont celles déjà utilisées dans la description.
L'unité de commande reçoit comme information les signaux provenant des capteurs, désignés SIGN et également des informations relatives à l'environnement et/ou des informations temporelles, telles que la durée écoulée..., désignées INFO sur la figure 6.
Sur la figure 7, on peut voir schématisés des exemples de combinaisons de stimulations vibrotactiles et kinesthésiques pour transmettre différents messages à l'utilisateur. L'axe horizontal est un axe des temps. Les carrés représentent le type de stimulation, le carré désigné K représente une stimulation kinesthésique et un carré désigné V représente une stimulation vibrotactile.
Le message Ml pour signifier une fin de course, l'atteinte d'un objectif... peut être traduite par l'application simultanée d'une stimulation vibrotactile et d'une stimulation kinesthésique.
Le message M2 pour signifier une fin de course, un obstacle... peut être traduit par l'application d'une stimulation kinesthésique, puis d'une stimulation vibrotactile.
Le message M3 pour signifier un fonctionnement normal/actif, une information continue de vitesse/distance, une métaphore physique telle qu'une force d'inertie, etc. peut être traduite par l'application d'une stimulation kinesthésique.
Le message M4 pour signifier une alerte, telle qu'une trop grande vitesse, une information ponctuelle contextuelle, comme par exemple un point d'arrêt ou une action, ou une information temporelle comme le temps écoulé ... peut être traduit par une stimulation vibrotactile. Les messages M3 et M4 sont complémentaires et traduisent différents états d'un même dispositif.
Le message M5 qui informe de l'occurrence d'un évènement se décompose dans le temps en une stimulation vibrotactile appliquée en premier qui informe de la première occurrence d'un événement et en une stimulation kinesthésique qui informe d'une occurrence ultérieure du même évènement. Comme cela a été expliqué ci-dessus l'utilisation des deux stimulations différentes pour informer du même événement, mais à des instants différents, permet de ne pas saturer l'attention de l'utilisateur et/ou surcharger l'utilisation d'informations avec uniquement de stimulations vibrotactiles.
Il sera compris que la présente invention s'applique également à une interface haptique à un degré de liberté et à plus de deux degrés de liberté, on pourrait par exemple prévoir que la manette puisse se déplacer le long de son axe ou qu'elle puisse tourner autour de son axe.
En outre il sera compris que l'interface haptique, en particulier la manette, peut être adaptée pour être en contact avec une autre partie du corps que la main.
Grâce à l'interface haptique selon l'invention, il est possible de produire de nouveaux motifs haptiques combinant une stimulation kinesthésique et une stimulation vibrotactile.
La mise en œuvre d'actionneurs vibrants ayant des propriétés différentes permet de couvrir une large gamme d'amplitudes et de fréquences de vibrations, ce qui offre une grande richesse spectrale. En outre, les actionneurs vibrants sont avantageusement répartis dans l'effecteur au plus près de l'utilisateur, par exemple de sa main, ce qui permet de stimuler des zones tactiles différentes de la main et de réduire la l'énergie requise pour générer les vibrations.
De manière très avantageuse, l'invention offre une combinaison complémentaire d'informations haptiques offrant des messages particulièrement efficaces et compréhensibles pour l'utilisateur.
Les actionneurs vibrants permettent d'une part de délivrer un message alors que l'effecteur n'est pas en mouvement. En outre, elle permet de générer des sensations plus disruptives ou violentes, par exemple dans les cas d'alertes, plus difficilement réalisable avec les freins.
Par exemple, l'information kinesthésique fournie par les freins peut être utilisée pour des effets continus lors du mouvement et l'information vibrotactile peut être utilisée pour délivrer des messages d'alerte ou d'information ponctuels programmables en fonction du mouvement, de la position de l'interface ou des évènements du contexte d'application. Un même message peut être transmis par une ou des stimulations kinesthésiques et une ou des stimulations vibrotactiles, en tenant compte des stimulations antérieures pour rendre le message le plus compréhensible possible sans saturer l'attention de l'utilisateur.
L'interface haptique présente également une compacité élevée, une consommation électrique modérée, notamment en utilisant des actionneurs vibrants distincts du dispositif de stimulation kinesthésique.
La présente invention est particulièrement adaptée à une mise en œuvre dans des interfaces homme-machine dans le domaine de l'automobile, de l'aéronautique, des engins de chantiers, des engins militaires.
Elle est également particulièrement adaptée à la mise en œuvre dans les interfaces homme-machine dans le domaine de la commande de systèmes matériels, par exemple dans les interfaces de contrôle de machines-outils, etc. et dans les systèmes virtuels, tels que les systèmes de réalité virtuelle ou augmentée, jeux vidéo, etc.
Elle est également particulièrement adaptée à la mise en œuvre dans les interfaces homme machine dans le domaine de la formation aux gestes techniques, par exemple dans le domaine médical et dans le domaine industriel.

Claims (19)

  1. REVENDICATIONS
    1. Interface haptique pour la commande d'un système comportant :
    - au moins un élément d'interaction (4) avec un utilisateur,
    - au moins un dispositif de stimulation kinesthésique (6, 8) connecté mécaniquement à l'élément d'interaction
    - un dispositif de stimulation vibrotactile comportant n actionneurs vibrants (Al, A2, A3) aptes à générer une stimulation vibrotactile au niveau de l'élément d'interaction (4) avec l'utilisateur, n étant un entier supérieur ou égal à 2, lesdits n actionneurs vibrants (Al, A2, A3) étant tels que chaque actionneur vibrant génère des vibrations dans une gamme de fréquence et/ou une gamme de d'amplitude au moins en partie distinctes de celles des autres actionneurs vibrants,
    - des moyens de mesure d'une position de l'élément d'interaction (4) avec un utilisateur,
    - une unité de commande apte à envoyer des ordres audit dispositif de stimulation kinesthésique et au dispositif de stimulation vibrotactile au moins en fonction des signaux transmis par les moyens de mesure de la position de l'élément d’interaction avec un utilisateur et/ou d'informations sur l'état du système et/ou son environnement.
  2. 2. Interface haptique selon la revendication 1, dans laquelle les n actionneurs (Al, A2, A3) sont disposés dans l’élément d'interaction (4) avec l'utilisateur.
  3. 3. Interface haptique selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle n est égal à 3, un premier actionneur vibrant (Al) générant des vibrations à basses fréquences, un deuxième actionneur vibrant (A2) générant des vibrations à moyennes fréquences et un troisième actionneur vibrant (A3) générant des vibrations à hautes fréquences.
  4. 4. Interface haptique selon l'une des revendications 1 à 3, dans laquelle les gammes de fréquences et/ou d'amplitudes des actionneurs vibrants (Al, A2, A3) se recouvrent au moins en partie ou au moins deux à deux.
  5. 5. Interface haptique selon l'une des revendications 1 à 4, dans laquelle au moins l'un des actionneurs vibrants (A2) est monté sur une partie de l'élément d'interaction (4) avec l'utilisateur de sorte que le reste de l'élément d'interaction (4) avec l'utilisateur soit isolé des vibrations générées par ledit actionneur vibrant (A2).
  6. 6. Interface haptique selon l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle l'élément d'interaction (4) avec l'utilisateur est destiné à être saisie par une main de l'utilisateur et dans laquelle les n actionneurs (Al, A2, A3) sont répartis sur l'élément d'interaction (4) avec l'utilisateur en fonction de la répartition de mécanorécepteurs dans la main et/ou des parties de l'élément d'interaction qu'on souhaite actionner.
  7. 7. Interface haptique selon l'une des revendications 1 à 6, dans laquelle au moins une partie des n actionneurs vibrant (Al, A2, A3) sont des actionneurs rotatifs à masselotte.
  8. 8. Interface haptique selon l'une des revendications 1 à 7, dans laquelle le dispositif de stimulation kinesthésique comporte au moins un premier frein (6) comprenant un fluide dont la viscosité apparente varie en fonction d’un stimulus extérieur, par exemple un fluide magnétorhéologique, et un système de génération dudit stimulus sur commande dans ledit fluide et un élément d'interaction avec le fluide (4) disposé dans le fluide et connecté mécaniquement à l'élément d'interaction (4) avec l'utilisateur.
  9. 9. Interface haptique selon la revendication 8, dans laquelle le dispositif de stimulation kinesthésique comporte au moins un deuxième frein (8) comprenant un fluide dont la viscosité apparente varie en fonction d'un stimulus extérieur, par exemple un fluide magnétorhéologique, et un système de génération dudit stimulus sur commande dans ledit fluide et un élément d'interaction avec le fluide disposé dans le fluide et connecté mécaniquement à l'élément d'interaction (4) avec l'utilisateur.
  10. 10. Interface haptique selon l'une des revendications 1 à 9, dans laquelle la connexion mécanique entre l'élément d'interaction avec l'utilisateur et le dispositif à stimulation kinesthésique est une articulation à cardans.
  11. 11. Interface haptique selon l'une des revendications 1 à 10, dans laquelle les moyens de mesure d'une position de l'élément d'interaction comportent au moins un capteur de position au niveau du premier frein ou des premier et deuxième freins.
  12. 12. Interface haptique selon l'une des revendications 8 ou 9, dans laquelle l'élément d'interaction ou les éléments d'interaction avec le fluide est ou sont mobile(s) en rotation.
  13. 13. Interface haptique selon l'une des revendications 1 à 12, comportant des moyens de détection de l'intention de l'utilisateur.
  14. 14. Interface haptique selon les revendications 12 et 13, dans laquelle les moyens de détection de l'intention d'action de l'utilisateur sont aptes à mesurer un couple dans le premier frein ou dans les premier et deuxième freins.
  15. 15. Interface haptique selon l'une des revendications 1 à 14, dans laquelle l'unité de commande est apte à envoyer des ordres aux dispositifs de stimulation kinesthésique et vibrotactile de sorte qu'ils génèrent des stimulations kinesthésique et vibrotactile simultanément ou successivement.
  16. 16. Interface haptique selon l'une des revendications 1 à 15, dans laquelle l'unité de commande est telle que pour un même message à transmettre à l'utilisateur, elle génère des ordres au dispositif de stimulation kinesthésique ou au dispositif de stimulation vibrotactile en tenant compte du type de stimulation précédemment généré.
  17. 17. Interface haptique selon la revendication 16, dans laquelle, dans le cas d'un message d'alerte, l'unité de commande envoie un premier ordre au dispositif de stimulation vibrotactile pour générer une stimulation vibrotactile et envoie ensuite un deuxième ordre au dispositif de stimulation kinesthésique pour générer une stimulation kinesthésique.
  18. 18. Interface haptique selon la revendication 17, dans laquelle l'unité de commande répète l'envoi du deuxième ordre jusqu'à ce que l'utilisateur tienne compte du message d'alerte.
  19. 19. Interface haptique selon l'une des revendications 1 à 18, dans laquelle l'interface haptique est au moins à deux degrés de liberté.
    S 61194 NS-G
    1/4
    Z
    Hg.2A Fig.2B
    2/4
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