FR3098618A1 - Interface de controle a retour haptique a robustesse augmentee - Google Patents

Abstract

Interface de contrôle à rendu haptique comportant un organe d’interaction (B) avec un utilisateur, un premier niveau de détection d’un effort ou couple exercé sur l’organe d’interaction (B) dans la direction de l’axe de rotation (Z) ou dans la direction orthogonale à l’axe de rotation, et un deuxième niveau de détection d’un couple exercé sur l’organe d’interaction (B) autour de l’axe de rotation (Z), un premier actionneur (A1) dans le premier niveau de détection pour simuler un déplacement en translation de l’organe d’interaction (B), une deuxième actionneur (A2) dans le deuxième niveau de détection pour simuler un déplacement en rotation de l’organe d’interaction, une unité de commande (UC) configurée pour traiter les mesures fournies par les premier et deuxième niveaux de détection moyens de mesure, pour générer des ordres aux premier et deuxième actionneurs en fonction du déplacement à simuler et pour générer au moins un ordre à un système. Figure pour l’abrégé : 1

Description

INTERFACE DE CONTROLE A RETOUR HAPTIQUE A ROBUSTESSE AUGMENTEE

DOMAINE TECHNIQUE ET ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE

La présente invention se rapporte à une interface de contrôle à retour haptique présentant une robustesse augmentée.

La présente invention se situe dans le domaine des interfaces homme-machine, et peut avantageusement être appliquée dans le domaine automobile.

Dans les véhicules automobiles, des interfaces à bouton rotatif sont souvent mises en œuvre pour servir de contrôleurs centralisés pour les différentes fonctions du véhicule en permettant une navigation dans les menus, une commande du système de navigation, tel que le GPS (Global Positioning System en terminologie anglo-saxonne)… Ce type d’interface permet de centraliser l’ensemble des fonctions sur un seul bouton et de garder les yeux sur la route. Il constitue alors une bonne alternative aux écrans tactiles ou à la commande vocale. De telles interfaces comportent un bouton monté en rotation par une liaison mécanique autour d’un axe et éventuellement en translation le long de cet axe et/ou orthogonalement à cet axe. La position en rotation du bouton est détectée par un capteur angulaire.

Or de telles interfaces, notamment du fait du bouton en rotation, sont relativement vulnérables aux conditions environnementales d’un habitacle de voiture, par exemple les poussières peuvent encrasser la liaison pivot et les liquides peuvent s’insinuer dans l’interface le long de l’axe pivot du bouton.

Par ailleurs pour des applications dans le domaine automobile, les variations de température, auxquelles est soumis l’habitacle, peuvent également avoir un effet négatif sur le fonctionnement du bouton rotatif, la gamme de variation de température considérée étant généralement -40°C à +80°C.

C’est par conséquent un but de la présente invention d’offrir une interface de contrôle à retour haptique offrant une robustesse améliorée vis-à-vis de l’environnement, par rapport aux interfaces de contrôle à bouton rotatif de l’état de la technique, tout en offrant un rendu proche de ou identique à celui des interfaces de l’état de la technique.

Le but énoncé ci-dessus est atteint par une interface de contrôle comportant un organe d’interaction avec l’utilisateur destiné à simuler un bouton de contrôle mobile en rotation autour d’un axe, en translation le long de cet axe et en translation dans un plan orthogonal à cet axe, un premier niveau de détection destiné à détecter une commande en translation dans le plan et le long de l’axe, et un deuxième niveau de détection destiné à détecter une commande en rotation autour de cet axe. Des moyens de génération de stimulation haptique sont également mis en œuvre afin de simuler la rotation du bouton, par exemple en simulant des crans. Les moyens de détection détectent un effort ou un couple exercé sur le bouton et le traitement de ces informations permet de déduire le mouvement que l’utilisateur a voulu donner au bouton, une rotation ou une translation, et donc de générer des ordres en fonction de ce déplacement souhaité par l’utilisateur et de générer une stimulation à l’utilisateur pour simuler ce déplacement. Grâce à l’invention, l’interface haptique n’a pas de bouton muni d’une articulation mécanique susceptible de s’endommager, en revanche l’utilisateur a les sensations que procurerait un bouton mécanique classique.

L’organe d’interaction avec l’utilisateur étant fixe, il n’y a plus de risque d’usure mécanique et/ou d’encrassement de la liaison pivot.

Par ailleurs, la séparation des fonctions de détection en rotation et en translation permet de disposer d’une interface plus robuste et de coût de revient réduit. En effet la mise en œuvre de plusieurs capteurs pour mesurer les différents déplacements présente un coût de revient plus faible que la mise en œuvre d’un capteur multiaxes, par exemple 8 axes. En outre l’interface peut mettre en œuvre le nombre de capteurs juste suffisant pour détecter les différents déplacements.

De manière préférée, chaque étage de détection met en œuvre des moyens de mesure capacitif qui sont très robustes, notamment vis-à-vis des fortes variations de température. De manière encore plus préférée, les moyens de mesure comportent deux électrodes séparées par une mousse diélectrique, qui isole les électrodes, permet leur rapprochement et assure un rappel élastique. La mousse diélectrique peut également assurer la fonction de filtre aux vibrations mécaniques susceptibles de détériorer les moyens de mesure. En outre elle offre une durée de vie augmentée aux moyens de mesure car elle n’est pas sujette à une rupture mécanique.

En outre les capteurs capacitifs sont utilisés de manière courante dans le domaine automobile.

Par exemple le premier étage de détection comporte au moins trois capteurs capacitifs et le deuxième étage comporte au moins deux capteurs capacitifs.

La présente invention a alors pour objet une interface de contrôle à rendu haptique destinée à commander au moins un système, ladite interface comportant un organe d’interaction avec un utilisateur destiné à simuler un déplacement en rotation autour d’un axe de rotation et des déplacements en translation le long de l’axe de rotation et orthogonalement à l’axe de rotation, un premier niveau de détection d’un effort ou couple exercé sur l’organe d’interaction dans la direction de l’axe de rotation ou dans la direction orthogonale à l’axe de rotation comportant des premiers moyens de mesure de l’effort et/ou du couple, un deuxième niveau de détection d’un couple exercé sur l’organe d’interaction autour de l’axe de rotation comportant des deuxièmes moyens de mesure du couple autour de l’axe de rotation, au moins un premier actionneur dans le premier niveau de détection pour simuler un déplacement en translation de l’organe d’interaction, au moins une deuxième actionneur dans le deuxième niveau de détection pour simuler un déplacement en rotation de l’organe d’interaction, une unité de commande configurée pour traiter les mesures fournies par les premiers et deuxièmes moyens de mesure, pour générer des ordres aux premier et deuxième actionneurs en fonction du déplacement à simuler et pour générer au moins un ordre audit système.

Dans un exemple de réalisation, le premier niveau de détection comporte une première platine de laquelle est solidaire en rotation et en translation l’organe d’interaction, ladite première platine étant perpendiculaire à l’axe de rotation, une deuxième platine parallèle à la première platine, les premiers moyens de mesure comportant au moins trois capteurs de pression disposés par rapport à la première platine et à la deuxième platine de sorte à être sollicités lorsque l’utilisateur exerce un effort le long de l’axe de rotation ou orthogonalement à l’axe de rotation. De préférence, les capteurs de pression sont disposés entre la première et la deuxième platine.

L’interface de contrôle à rendu haptique peut comporter quatre capteurs de pression.

L’interface de contrôle à rendu haptique peut comporter un bâti destiné à être fixe, et le deuxième niveau de détection peut comporter un élément de transmission solidaire au moins en rotation de l’organe d’interaction et mobile en rotation par rapport au bâti autour de l’axe de rotation et les deuxièmes moyens de mesure comportant au moins un capteur de pression disposé entre l’organe d’interaction et le bâti.

Avantageusement, l’interface de contrôle à rendu haptique comporte deux capteurs de pression entre l’élément de transmission et le bâti, disposés de part et d’autre de l’axe de rotation de sorte à permettre une mesure différentielle.

Les capteurs de pression sont avantageusement des capteurs capacitifs. Les capteurs capacitifs peuvent comporter deux électrodes au moins en partie en regard et un matériau élastique diélectrique entre les électrodes.

Le matériau élastique peut être une mousse, par exemple polyuréthane ou silicone.

Le premier actionneur est par exemple fixé sur la première platine sur l’axe de rotation et orienté de sorte à exercer un effort au moins dans la direction de l’axe de rotation.

Le premier niveau de détection comporte avantageusement au moins deux troisièmes actionneurs orientés de sorte à exercer des efforts dans un plan orthogonal à l’axe de rotation.

Le deuxième actionneur peut être disposé entre le bâti et l’élément de transmission et est orienté pour exercer un effort sur l’élément de transmission orthogonalement à l’axe de rotation.

Le premier actionneur, le deuxième actionneur et/ou les troisièmes actionneurs sont avantageusement des actionneurs résonants linéaires.

L’unité de commande peut comporter une base de de données stockant des motifs haptiques destinés à être appliqués aux actionneurs pour simuler des déplacements au niveau de l’organe d’interaction. Par exemple la base de données comporte au moins un premier motif haptique à appliquer au premier actionneur pour simuler un déplacement de l’organe d’interaction le long de l’axe de rotation , et un deuxième motif haptique à appliquer au deuxième actionneur pour simuler un déplacement de l’organe d’interaction autour de l’axe de rotation.

Avantageusement l’interface de contrôle à rendu haptique comporte des moyens de détection de la présence d’un membre de l’utilisateur à proximité de l’organe d’interaction. Les moyens de détection sont par exemple des moyens capacitifs comportant une électrode intégrée à l’organe d’interaction.

Selon une caractéristique additionnelle, l’interface de contrôle à rendu haptique peut comporter des moyens de reconnaissance de caractères formés par l’utilisateur sur l’organe d’interaction et/ou la première platine et configurés pour utiliser les mesures des capteurs capacitifs des premiers moyens de mesure.

La présente invention a également pour objet un véhicule automobile comportant un système à commander par au moins un utilisateur dudit véhicule automobile et au moins une interface de contrôle à rendu haptique selon l’invention, l’unité de commande étant connectée audit système pour transmettre les commandes de l’utilisateur audit système.

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

est une vue en perspective de dessus d’un exemple de réalisation d’une interface haptique

est une vue en perspective de côté de l’interface de la figure 1,

est une vue en perspective de dessus d’une partie du premier étage de détection,

est une vue de dessous de la partie du premier étage de détection de la figure 3,

est une représentation schématique d’un exemple de capteur capacitif pouvant avantageusement être mis en œuvre dans l’interface haptique,

est une vue de l’interface sans la partie de la figure 2,

est une vue de dessous de l’interface de la figure 1 montrant le deuxième étage de détection,

est une vue de dessous de l’interface de la figure 1 en éclaté,

est une représentation graphique d’un signal de commande en fonction du temps pour un exemple de motif haptique,

est une représentation graphique d’un signal de commande en fonction du temps pour un autre exemple de motif haptique,

est une vue de dessous en éclaté d’une variante de réalisation du deuxième étage de détection,

est une vue de dessus d’un autre exemple de réalisation d’une interface haptique selon l’invention,

est une vue de côté d’un détail de la figure 11.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS

Sur les figures 1 et 2, on peut voir une vue en perspective d’un exemple de réalisation d’une interface de contrôle selon l’invention, destinée à commander un système S.

L’interface de contrôle comporte un organe B destiné à être manipulé par l’utilisateur, par exemple le conducteur du véhicule automobile équipé de l’interface. Cet organe B sera désigné « bouton » dans la suite de la description.

Le bouton B a une forme cylindrique de révolution autour d’un axe Z, orthogonal aux axes X et Y. Le bouton peut avoir toute autre forme, par exemple sphérique.

Le bouton B est fixé sur une première platine 2 s’étendant dans le plan XY de sorte à former un ensemble d’un seul tenant. Le bouton B est par exemple collé sur la première platine 2 ou réalisé de manière monobloc avec celle-ci par moulage. L’interface comporte des moyens de détection 6 du déplacement du bouton et de la platine en translation dans le plan XY et le long de l’axe Z. Le bouton, la première platine et les premiers moyens de détection 6 forment un premier étage ou premier niveau de détection en translation E1.

Les moyens de détection en translation 6 détectent la direction et le sens de l’effort que l’utilisateur exerce sur le bouton B en vue de le déplacer en translation, mais le déplacement réel du bouton B et de la première platine 4 et très faible.

L’interface comporte également un bâti 8 destiné à être fixe, une deuxième platine 10 supportant le premier étage de détection, un élément de transmission du couple 12 appliqué au bouton. L’élément de transmission 12 est monté libre en rotation par rapport au bâti 8. L’élément de transmission 12 est solidaire en rotation de la première platine 2 et de la deuxième platine 10.

L’interface comporte des moyens de détection 14 (figure 7) du déplacement du bouton en rotation autour de l’axe Z disposés entre l’élément de transmission 12 et le bâti 8.

Les moyens de détection 14, l’élément de transmission 12 et le bâti forment un deuxième étage ou deuxième niveau de détection en rotation E2.

Les moyens de détection en rotation 14 détectent le sens du couple que l’utilisateur exerce sur le bouton B en vue de le déplacer en rotation autour de l’axe Z, mais le déplacement angulaire réel du bouton et de la première platine est très faible.

Chaque étage de détection va maintenant être décrit en détail.

Sur la figure 4, on peut voir les moyens de détection 6 comportant au moins trois capteurs disposés entre la première platine 2 et deuxième platine 10 et capables de détecter un effort exercé par l’utilisateur sur le bouton le long de l’axe Z et/ou dans le plan XY et qui est transmis au capteur par la première platine. Dans l’exemple représenté et de manière avantageuse, quatre capteurs C0, C1, C2, C3 sont disposées aux quatre coins de la première platine 2 qui est dans cet exemple carrée, assurant une meilleure stabilité de l’ensemble.

De manière préférée, les capteurs C0, C1, C2, C3 sont des capteurs capacitifs comportant deux électrodes en regard et un matériau diélectrique 16 (figure 5), interposé entre les deux électrodes. De préférence le matériau diélectrique 16 est une mousse déformable élastiquement, par exemple une mousse polyuréthane ou une mousse silicone. Une électrode E1 de chaque capteur est solidaire en mouvement de la première platine, et l’autre électrode E2 de chaque capteur est solidaire de la deuxième platine.

Lorsque, l’utilisateur applique un effort sur le bouton B et sur la première platine 2 le long de l’axe Z vers la deuxième platine 10, la mousse 16 est écrasée et les électrodes E1 et E2 se rapprochent modifiant la capacité du condensateur ainsi formé. Et inversement, lorsque l’utilisateur exerce un effort sur le bouton et sur la première platine le long de l’axe Z en éloignement de la deuxième platine, la mousse 16 est étirée et les électrodes E1 et E2 s’éloignent en modifiant la capacité du condensateur ainsi formée. Lors d’un déplacement le long de l’axe Z, les quatre capteurs donnent sensiblement la même mesure.

On peut alors à détecter une force de poussée (push en terminologie anglo-saxonne) ou de traction (pull en terminologie anglo-saxonne) exercée sur le bouton par l’utilisateur. En variante, des moyens élastiques telles que des ressorts lames pourraient être prévus entre les deux platines, mais le ressenti serait dégradé.

Lorsque l’utilisateur exerce un effort sur le bouton et sur la première platine dans le plan XY, des capteurs sont comprimés et d’autres étirés. En combinant les mesures des quatre capteurs il est possible d’estimer le couple de l’effort exercé sur le bouton dans le plan XY.

Par exemple, en considérant F0, F1, F2, F3 les couples des capteurs C0, C1, C2, C3 respectivement dans la disposition de la figure 4, le couple Fx dans la direction X peut être estimé de la manière suivante :
[Math 1]

Le couple Fy dans la direction Y peut être estimé de la manière suivante :
[Math 2]

De préférence, on compare la valeur d’effort selon l’axe Z ou le couple dans le plan XY à des seuils prédéterminés pour valider effectivement un déplacement le long de l’axe Z ou un déplacement dans le plan XY et donc l’application d’une commande par l’utilisateur sur le bouton. En-dessous de ce seuil, il est considéré que le bouton n’a pas été manipulé ou qu’il n’y a pas d’intention de l’utilisateur de transmettre une commande via le bouton.

Sur la figure 6, on peut voir l’interface sans la première platine et le bouton B. La première platine et la deuxième platine sont avantageusement solidarisées par encastrement comme cela sera décrit ci-dessous en relation avec les figures 11 et 12. En variante, les première et deuxième platines sont solidarisées par collage.

Le deuxième étage de détection est destiné à détecter une action de rotation sur le bouton. Celui-ci est plus particulièrement visible sur les figures 7 et 8.

L’élément de transmission de couple 12 est solidarisé en rotation au bouton B, à la première platine 2 et également à la deuxième platine 10.

Dans l’exemple représenté, la deuxième platine 10 comporte une partie en saillie 18 montée dans le passage du bâti et sur laquelle est monté l’élément de transmission 12. Par exemple la partie en saillie 18 comporte une cavité de section carrée coopérant avec une forme correspondante portée par l’élément de transmission assurant une solidarisation en rotation entre les deux pièces.

Les moyens de détection 14 sont disposés entre le châssis et l’élément de transmission 12 de sorte à être sollicités lors du déplacement en rotation de l’élément de transmission 12. De manière avantageuse, les moyens de détection 14 comportent au moins un capteur capacitif du type de ceux des moyens de détection 6, et de préférence deux capteurs capacitifs C4 et C5 permettant des mesures différentielles.

Dans cet exemple, l’élément de transmission 12 comporte une poutre 20 orthogonale à l’axe Z et au moins une face latérale 22 parallèle à l’axe Z et le bâti comporte une face 24 parallèle à la face latérale 22. Le ou les capteurs C4 et C5 sont disposés entre les deux faces 22 et 24 et sont sollicités en traction ou en compression entre les deux faces lorsque l’élément de transmission pivote autour de l’axe Z du fait d’un couple exercé sur le bouton B. Ce sont les capteurs via leur coopération avec la face 24 qui arrêtent la rotation de l’élément de transmission 12 et donc du bouton.

Pour réaliser des mesures différentielles, les capteurs C4 et C5 sont disposés de part et d’autre de l’axe Z de sorte que, lorsque l’un des capteurs est comprimé, l’autre capteur est dilaté.

Par exemple, les capteurs C4 et C5 sont fixés uniquement sur la face 22 ou sur la face 24, par exemple par collage.

Dans un exemple avantageux, la distance entre les faces 22 et 24 est choisie de sorte, qu’au repos, les capteurs soient en légère compression. Ainsi les capteurs détectent tous les mouvements même de faible amplitude.

Dans l’exemple représenté, la face 24 est portée par une poutre 26 rapportée sur le bâti.

La compression ou la dilatation des capteurs est de l’ordre de la centaine de micromètres, qui n’est détectable pas par l’utilisateur. La rotation angulaire mécanique du bouton est donc très faible.

Par exemple, le déplacement du bouton dans les directions X, Y et Z est de l’ordre de quelques centaines de µm.

La mousse assure un rappel en position du bouton. En variante, des moyens élastiques telles que des ressorts lame pourraient être prévus entre les faces 22 et 24, mais le ressenti serait dégradé. En outre, un tel ressort ne serait pas adapté à une utilisation dans un milieu où les vibrations sont importantes, comme dans un véhicule automobile.

En variante, les capteurs capacitifs sont remplacés par des capteurs piézoélectriques ou piézorésistifs. Dans cette variante la mise en œuvre de moyens de rappel élastique seraient préférable.

De préférence, on compare la valeur du couple autour de l’axe Z à une valeur seuil prédéterminée pour valider effectivement une volonté de déplacement autour de l’axe Z, donc l’application d’une commande par l’utilisateur sur le bouton. En-dessous de ce seuil, il est considéré que le bouton n’a pas été manipulé ou qu’il n’y a pas d’intention de l’utilisateur de transmettre une commande via le bouton.

Sur la figure 10, on peut voir une variante de réalisation avantageuse de l’interface haptique dans laquelle la poutre 32 a été supprimée, les efforts induits par le couple de rotation transitent directement via les capteurs C4 et C5 vers la poutre 26, il n’y a alors pas de perte de signal.

Selon une caractéristique additionnelle avantageuse, on peut envisager d’utiliser la surface supérieure libre du bouton et/ou celle de la première platine qui est parallèle au plan XY comme surface de détection ou de reconnaissance de caractère. En effet les mesures fournis par les capteurs C0 à C3 peuvent être traitées par un algorithme de reconnaissance de caractère, par exemple utilisant un calcul barycentrique de localisation de toucher pour suivre le déplacement d’un doigt sur cette surface et l’utiliser comme commande supplémentaire. Un exemple d’un tel dispositif est décrit dans le document US3657475. Cette fonction est désignée « handwriting » en terminologie anglo-saxonne.

En variante, la fonction « handwriting » est réalisé par un dispositif additionnel.

L’interface comporte également des moyens pour générer des motifs haptiques et simuler par exemple le déplacement du bouton verticalement ou en rotation.

Les moyens pour générer des motifs haptiques comportent un ou plusieurs actionneurs dont le ou les emplacements sont choisis en fonction du motif à générer et de la sensation à produire.

Le ou les actionneurs utilisés sont de préférence des actionneurs résonants ou LRA (Linear Resonant Actuator en terminologie anglo-saxonne). Ce type d’actionneur est bien connu de l’homme du métier dans le domaine des dispositifs haptiques et ne sera pas décrit en détail. Il comporte une bobine fixe, une masselotte magnétique en appui contre un ressort. L’alimentation de l’inductance crée un champ magnétique qui provoque le déplacement de la masselotte. La vibration de la masselotte dépend de la fréquence de la tension d’alimentation de la bobine.

Ce type d’actionneur présente l’avantage d’être robuste et d’offrir une durée de vie élevée. En outre il permet de découpler l’amplitude et la fréquence des vibrations.

En variante, les actionneurs à masselotte peuvent être utilisés. Néanmoins le ressenti haptique est moins bon que celui obtenu avec des actionneurs LRA.

Pour générer un motif haptique de type « push-pull » et « clic de validation », un actionneur A1 (figure 4) est disposé sur l’axe Z par exemple sur la face de la première platine opposée de celle portant le bouton. L’actionneur A1 est orienté de sorte à ce que les vibrations s’appliquent le long de l’axe Z.

L’actionneur A1 peut également être commandé pour simuler un déplacement dans le plan XY. De préférence un ou plusieurs actionneurs supplémentaires dédiés à la simulation des déplacements dans le plan XY sont ajoutés, ces actionneurs sont par exemple disposés sur la même face que l’actionneur A1.

Un actionneur A2 (figure 7) peut être mis en œuvre pour simuler des crans dans la rotation du bouton. L’actionneur A2 est disposé de sorte à agir perpendiculairement à l’axe Z, par exemple par l’intermédiaire de l’élément de transmission 12. L’actionneur A2 est par exemple fixé sur une poutre 32 fixée au bâti, et prend appui sur celle-ci pour mettre en vibration l’élément de transmission 12

De préférence l’actionneur est disposé de sorte à générer des vibrations dans un plan distinct de l’axe de rotation Z.

Dans la variante avantageuse de la figure 10, l’actionneur A2 est fixé directement sur une face 27 de l’élément de transmission 12 opposée à la face à la face 22, par exemple par collage. Dans cette variante, l’actionneur A2 est par exemple un actionneur à masselotte.

La réalisation avec des poutres 26 et éventuellement 32 rapportées sur le bâti facilite l’assemblage de la structure.

La tension de commande des actionneurs A1, A2 est choisie en fonction du déplacement à simuler.

On peut utiliser par exemple un signal de type sinus amorti de la forme :
[Math 3]

Avec A l’amplitude de vibration,
- f la fréquence en Hz,
- t le temps.

Ce signal peut durer un vingtaine de ms.

Sur la figure 9A, on peut voir un exemple de signal de commande s1 qui, appliqué à l’actionneur A2, permet de simuler la sensation de cran lorsque l’utilisateur applique une rotation au bouton et qui, appliqué à l’actionneur A1, permet de simuler un enfoncement du bouton le long de l’axe Z. le signal de commande s1 simule un cran et est répété pour chaque cran à simuler.

Sur la figure 9B, on peut voir un autre exemple de signal de commande s2 beaucoup moins amorti que le signal s1. Le signal s2 appliqué à l’actionneur A1 permet de simuler un clic dans la commande push/pull. Le signal s1 pourrait servir à simuler l’enfoncement du bouton. Par exemple lorsque l’utilisateur exerce un effort sur le bouton le long de la direction Z en direction de la deuxième platine, le signal est joué à une première fréquence, par exemple 700 Hz puis, lorsque l’utilisateur relâche son effort, le signal est rejoué à une deuxième fréquence plus faible que la première fréquence, par exemple 500 Hz. Les signaux s1 et s2 sont par exemple des tensions appliqués aux actionneurs.

D’autres signaux peuvent être appliqués en fonction du déplacement à simuler. Des signaux sont définis pour les actionneurs destinés à simuler un déplacement du bouton dans le plan XY. Ils peuvent être du type du signal s2.

Une unité de commande UC (représentée schématiquement sur la figure 1) collecte les mesures de capteurs et génère les ordres aux systèmes commandés par l’interface haptique et génère les ordres à un ou plusieurs actionneurs pour générer une stimulation simulant le mouvement souhaité par l’utilisateur.

Les différents motifs haptiques sont stockés dans une base de données à laquelle a accès l’unité de commande.

L’interface haptique selon l’invention peut permettre de simuler très facilement une butée angulaire.

En outre cette interface est très facilement reconfigurable, puisque les sensations transmises par le bouton à l’utilisateur sont générées au moyen de signaux électriques. Les sensations transmises peuvent par exemple être modifiées lors du passage d’un menu à un autre. Par exemple la distance entre deux crans simulés peut être modifiée en fonction du nombre d’onglets proposés dans un menu.

Dans un exemple avantageux, l’interface peut comporter des moyens pour détecter la présence de la main de l’utilisateur à proximité de ou en contact avec l’interface, afin d’éviter des commandes involontaires, par exemple lorsqu’un objet entre en contact avec l’interface et provoque le déplacement du bouton. Le fonctionnement de l’interface est alors plus robuste. Par exemple, des moyens capacitifs sont intégrés au bouton par exemple une électrode qui avec la main forme un condensateur. Lorsqu’une capacité est mesurée, on considère que c’est bien l’utilisateur qui manipule le bouton et les commandes résultant de son déplacement sont appliquées. L’électrode est intégrée dans le bouton et a par exemple une forme circulaire.

Sur les figures 11 et 12, on peut voir un autre exemple de réalisation de l’interface haptique dans lequel la première platine 102 est maintenue par encastrement par rapport à la deuxième platine 110.

Dans l’exemple représenté, quatre dispositifs d’encastrement D0, D1, D2, D3 sont prévus. La mise en œuvre de trois dispositifs d’encastrement est envisageable. Les dispositifs d’encastrement sont fixés à la deuxième platine.

Sur la figure 12, on peut voir une vue de côté d’un exemple d’un dispositif d’encastrement D0.

Le dispositif D0 comporte un bâti de maintien 116 présentant un rebord supérieur 116A et un rebord inférieur 116B, entre lesquels est encastrée la portion périphérique de la première platine.

Le dispositif D0 est fixé à la deuxième platine 110 par le rebord inférieur 116B, par exemple par collage, vissage…

Il comporte en outre des moyens d’amortissement 118 disposés contre une face intérieure du rebord supérieur 116A du bâti de maintien 116, entre cette face intérieure du rebord supérieur 116A et la portion périphérique de la première platine. De manière avantageuse, le capteur C0 est intégré au dispositif d’encastrement. Dans cet exemple, le capteur C0 est disposé entre une face intérieure du rebord inférieur 16B du bâti de maintien 116 et la portion périphérique de la première platine. Les moyens d’amortissement 118 comportent dans cet exemple un élément amortisseur en mousse, notamment une couche de mousse résistant aux fortes températures telle qu’une mousse en polyuréthane ou silicone. Par « résistant aux fortes températures », on entend une mousse conservant sa mémoire de forme initiale même en cas de fortes températures, notamment des températures pouvant atteindre +80 °C.

Le capteur C0 dans cet exemple un capteur capacitif similaire à celui décrit en relation avec la figure 5.

Les épaisseurs des mousses constituant les moyens d’amortissement 118 et la couche diélectrique du capteur capacitif 120 peuvent être avantageusement choisies pour assurer une première précontrainte mécanique de 0,5 mm +/- 0,25 mm. Cela donne une meilleure sensibilité à l’installation, notamment en facilitant la déformation de la couche diélectrique en mousse du capteur capacitif 120 lors d’un appui contre la première platine. La portion périphérique 112 encastrée de la première platine n’est pas directement en contact avec les moyens d’amortissement 118 et le capteur C0. En effet, le dispositif de maintien 114 comporte en outre au moins une pièce intercalaire 122 comportant, d’une façon générale, une première portion intercalaire 122A disposée contre une face inférieure de l’élément amortisseur 118 et une deuxième portion intercalaire 122B disposée contre une face supérieure du capteur capacitif 120. La première portion intercalaire 122A présente une première face supérieure au contact de la face inférieure de l’élément amortisseur 118 et une première face inférieure libre 124A de contact avec la portion périphérique 112 de la première platine 102. La deuxième portion intercalaire 122B présente une deuxième face inférieure au contact de la face supérieure du capteur capacitif 120 et une deuxième face supérieure libre 124B de contact avec la portion périphérique 112 de la première platine 102. Avantageusement, la première face inférieure libre 124A de la première portion intercalaire 122A et la deuxième face supérieure libre 124B de la deuxième portion intercalaire 122B sont formées dans un matériau à coefficient de frottement sensiblement plus faible que la face inférieure de l’élément amortisseur 118 et que la face supérieure du capteur capacitif 120. Ainsi, le maintien de la première platine se fait, grâce à la pièce intercalaire 122, à frottements réduits et à récupération de jeux et problèmes d’hyperstatisme.

Dans un mode de réalisation préféré, la pièce intercalaire 122 comporte une seule pièce monobloc rigide à deux branches (122A et 122B) qui s’étendent selon une section en « U ». Elle comporte par exemple principalement de l’aluminium ou un alliage d’aluminium pour assurer une bonne rigidité de l’ensemble, tandis que la première face inférieure libre 124A et la deuxième face supérieure libre 124B de contact avec la première platine comportent un revêtement, par exemple deux plaques en polyoxyméthylène (POM), polytétrafluoroéthylène (PTFE), ou tout autre matériaux de coefficient de frottement inférieur ou égal à celui du polyoxyméthylène ou du polytétrafluoroéthylène, respectivement collées contre les faces internes des deux branches 122A et 122B de la pièce monobloc.

Dans un exemple avantageux, dans le but de rendre le contact entre la première platine et les plaques 124A, 124B, aussi ponctuel et libre que possible, la portion périphérique 112 peut être pourvue, de chaque côté de contact avec la pièce intercalaire 122, d’une pastille 128 à surface libre en portion de sphère pour un contact de la portion périphérique 112 lorsqu’elle est encastrée à trois degrés de liberté de mouvements rotatifs avec les plaques 124A et 124B. Dans ce cas, l’ajout d’une plaque métallique de rigidification est très avantageux pour renforcer la robustesse de la plaque 124B. L’effort de maintien de la première platine est alors rendu indépendant de la précontrainte des moyens d’amortissement 118 et de détection, ainsi que de toute pression exercée sur le bouton au cours de son utilisation. Ceci garantit un déplacement latéral aisé de la surface tactile en toutes circonstances et donc l’annulation de l’influence de la majorité des efforts tangentiels.

En variante la couche de mousse des moyens d’amortissement est remplacée par une lame ressort.

Dans un autre mode de réalisation préféré et illustré sur la figure 12, la couche de mousse de moyens d’amortissement 118 est remplacée par un capteur capacitif à couche de mousse diélectrique, par exemple un capteur capacitif identique au capteur. Deux capteurs capacitifs par dispositif de maintien permettent d’améliorer la sensibilité de la mesure.

Selon une autre variante de la figure 12, un élément amortisseur supplémentaire est interposé entre la branche 122B et la portion périphérique 112 de la première platine 102. Cet élément amortisseur est positionné de sorte à ne pas absorber une part de la pression exercée sur la surface tactile du bas vers le haut. Dans cette variante, la surface tactile est susceptible de subir la pression d’un toucher du bas vers le haut dans le sens de la flèche T, la première face inférieure libre 124A est une plaque rigide de POM ou PTFE directement en contact avec la face interne de la branche 122A de la pièce intercalaire 122, de sorte que la pression telle que perçue par la portion périphérique 112 est bien intégralement transmise au capteur capacitif 120. La deuxième face supérieure libre 124B est une plaque rigide de POM ou PTFE indirectement en contact avec la face interne de la branche 122B de la pièce intercalaire 122, plus précisément en contact avec cette face interne par l’intermédiaire de l’élément amortisseur en mousse, notamment une couche de mousse en polyuréthane ou silicone. L’élément amortisseur supplémentaire absorbe la partie dynamique de l’effort et transmet la partie statique, qui est la partie de l’effort intéressante.

Cet élément amortisseur supplémentaire remplit en outre une fonction de rappel de la surface tactile contre la pièce intercalaire 122, la mousse pouvant ainsi être remplacée par tout autre système apte à assurer cette fonction de rappel. Une plaque métallique de rigidification, généralement appelée « clinquant » métallique, peut être avantageusement ajoutée entre la couche de mousse et la plaque rigide de POM ou PTFE 124B pour éviter toute déformation de la plaque rigide de POM ou PTFE 24B. Cette prise en sandwich de la surface tactile dans la pièce intercalaire 122 peut se faire par conception avec une épaisseur de mousse choisie pour assurer également une deuxième précontrainte mécanique, par exemple plus faible que la première précédemment évoquée. On notera notamment que lorsque la pièce intercalaire 122 est constituée d’une seule pièce monobloc rigide, elle permet de ne pas imposer la première précontrainte mécanique de 0,5 mm +/- 0,25 mm, due aux épaisseurs des mousses des moyens d’amortissement 118 et du capteur capacitif 120, aux plaques 124A et 124B. Cela permet de garantir un pincement faible de la portion périphérique 112 pour assurer la liberté de mouvement latéral de la surface tactile.

On notera également que la deuxième précontrainte mécanique plus faible assurée par la mousse supplémentaire permet de garantir une absence de jeu entre les pastilles 128 et la portion périphérique 112.

Ainsi, l’effort de maintien par pincement de la surface tactile est indépendant de la précontrainte des moyens d’amortissement 118 et de détection 120, ainsi que de toute pression exercée sur la surface tactile au cours de son utilisation. Ceci garantit un déplacement latéral aisé de la surface tactile en toutes circonstances et donc l’annulation de l’influence de la majorité des efforts tangentiels.

L’interface haptique peut être positionnée à l’horizontal, à la vertical ou dans toute position intermédiaire. En outre le bouton peut être orienté vers le haut ou vers le bas.

D’autres fonctions peuvent être intégrées à l’interface pour améliorer le rendue haptique, par exemple des moyens chauffants ou refroidissants par exemple couplés au réglage de la température de l’habitacle et/ou des moyens sonores.

L’interface haptique selon l’invention peut être utilisée dans tous les domaines mettant en œuvre des pièces en rotation pour capter une rotation ou des translations XYZ, tels que le domaine automobile, par exemple pour équiper un tableau de bord et former une interface de commande de différents systèmes équipant un véhicule automobile, le domaine des tableaux de commande, par exemple des engins de chantier.

Claims (19)

1. Interface de contrôle à rendu haptique destinée à commander au moins un système, ladite interface comportant un organe d’interaction (B) avec un utilisateur destiné à simuler un déplacement en rotation autour d’un axe de rotation (Z) et des déplacements en translation le long de l’axe de rotation (Z) et orthogonalement à l’axe de rotation, un premier niveau de détection d’un effort ou couple exercé sur l’organe d’interaction (B) dans la direction de l’axe de rotation (Z) ou dans la direction orthogonale à l’axe de rotation comportant des premiers moyens de mesure (6) de l’effort et/ou du couple, un deuxième niveau de détection d’un couple exercé sur l’organe d’interaction (B) autour de l’axe de rotation (Z) comportant des deuxièmes moyens de mesure (14) du couple autour de l’axe de rotation (Z), au moins un premier actionneur (A1) dans le premier niveau de détection pour simuler un déplacement en translation de l’organe d’interaction (B), au moins une deuxième actionneur (A2) dans le deuxième niveau de détection pour simuler un déplacement en rotation de l’organe d’interaction, une unité de commande (UC) configurée pour traiter les mesures fournies par les premiers (6) et deuxièmes (14) moyens de mesure, pour générer des ordres aux premier et deuxième actionneurs en fonction du déplacement à simuler et pour générer au moins un ordre audit système.
2. Interface de contrôle à rendu haptique selon la revendication 1, dans laquelle le premier niveau de détection comporte une première platine (2) de laquelle est solidaire en rotation et en translation l’organe d’interaction (B), ladite première platine (2) étant perpendiculaire à l’axe de rotation (Z), une deuxième platine (10) parallèle à la première platine (2), les premiers moyens de mesure (6) comportant au moins trois capteurs de pression (C0, C1, C2, C3) disposés par rapport à la première platine (2) et à la deuxième platine (10) de sorte à être sollicités lorsque l’utilisateur exerce un effort le long de l’axe de rotation (Z) ou orthogonalement à l’axe de rotation (Z).
3. Interface de contrôle à rendu haptique selon la revendication 2, dans laquelle les capteurs de pression (C0, C1, C2, C3) sont disposés entre la première (2) et la deuxième (10) platine.
4. Interface de contrôle à rendu haptique selon la revendication 2 ou 3, comportant quatre capteurs de pression (C0, C1, C2, C3).
5. Interface de contrôle à rendu haptique selon l’une des revendications 1 à 4, comportant un bâti (8) destiné à être fixe, et dans laquelle le deuxième niveau de détection comporte un élément de transmission (12) solidaire au moins en rotation de l’organe d’interaction (B) et mobile en rotation par rapport au bâti (8) autour de l’axe de rotation( Z) et les deuxièmes moyens de mesure (14) comportant au moins un capteur de pression (C4, C5) disposé entre l’élément de transmission (12) et le bâti (8).
6. Interface de contrôle à rendu haptique selon la revendication 5 comportant deux capteurs de pression (C4, C5) entre l’élément de transmission (12) et le bâti (8), disposés de part et d’autre de l’axe de rotation (Z) de sorte à permettre une mesure différentielle.
7. Interface de contrôle à rendu haptique selon l’une des revendications 2 à 6 dans laquelle les capteurs de pression (C0, C1, C2, C3, C4, C5) sont des capteurs capacitifs.
8. Interface de contrôle à rendu haptique selon la revendication 7, dans laquelle les capteurs capacitifs (C0, C1, C2, C3, C4, C5) comportent deux électrodes au moins en partie en regard et un matériau élastique diélectrique (16) entre les électrodes.
9. Interface de contrôle à rendu haptique selon la revendication 8, dans laquelle le matériau élastique (16) est une mousse, par exemple polyuréthane ou silicone.
10. Interface de contrôle à rendu haptique selon l’une des revendications 1 à 9 en combinaison avec la revendication 2, dans laquelle le premier actionneur (A1) est fixé sur la première platine (2) sur l’axe de rotation (Z) et est orienté de sorte à exercer un effort au moins dans la direction de l’axe de rotation (Z)
11. Interface de contrôle à rendu haptique selon la revendication 10, dans laquelle le premier niveau de détection comporte au moins deux troisièmes actionneurs orientés de sorte à exercer des efforts dans un plan orthogonal à l’axe de rotation (Z).
12. Interface de contrôle à rendu haptique selon l’une des revendications 1 à 11 en combinaison avec la revendication 5, dans laquelle le deuxième actionneur (A2) est disposé entre le bâti (8) et l’élément de transmission (12) et est orienté pour exercer un effort sur l’élément de transmission orthogonalement à l’axe de rotation (Z).
13. interface de contrôle à rendu haptique selon l’une des revendications 1 à 12, dans laquelle le premier actionneur (A1), le deuxième actionneur (A2) et/ou les troisièmes actionneurs sont des actionneurs résonants linéaires.
14. Interface de contrôle à rendu haptique selon l’une des revendications 1 à 13, dans laquelle l’unité de commande (UC) comporte un base de de données stockant des motifs haptiques destinés à être appliqués aux actionneurs pour simuler des déplacements au niveau de l’organe d’interaction.
15. Interface de contrôle à rendu haptique selon la revendication 14, dans laquelle la base de données comporte au moins un premier motif haptique à appliquer au premier actionneur (A1) pour simuler un déplacement de l’organe d’interaction le long de l’axe de rotation , et un deuxième motif haptique à appliquer au deuxième actionneur (A2) pour simuler un déplacement de l’organe d’interaction autour de l’axe de rotation.
16. Interface de contrôle à rendu haptique selon l’une des revendications 1 à 15, comportant des moyens de détection de la présence d’un membre de l’utilisateur à proximité de l’organe d’interaction.
17. Interface de contrôle à rendu haptique selon la revendication 16, dans laquelle les moyens de détection sont des moyens capacitifs comportant une électrode intégrée à l’organe d’interaction.
18. Interface de contrôle à rendu haptique selon l’une des revendications 1 à 17 en combinaison avec la revendication 2, comportant des moyens de reconnaissance de caractères formés par l’utilisateur sur l’organe d’interaction et/ou la première platine et configurés pour utiliser les mesures des capteurs capacitifs des premiers moyens de mesure (6).
19. Véhicule automobile comportant un système à commander par au moins un utilisateur dudit véhicule automobile et au moins une interface de contrôle à rendu haptique selon l’une des revendications 1 à 18, l’unité de commande étant connectée audit système pour transmettre les commandes de l’utilisateur audit système.