WO2005091116A1 - Dispositif haptique d'interface souple et interface haptique comprenant ce dispositif - Google Patents

Dispositif haptique d'interface souple et interface haptique comprenant ce dispositif Download PDF

Info

Publication number
WO2005091116A1
WO2005091116A1 PCT/FR2005/050191 FR2005050191W WO2005091116A1 WO 2005091116 A1 WO2005091116 A1 WO 2005091116A1 FR 2005050191 W FR2005050191 W FR 2005050191W WO 2005091116 A1 WO2005091116 A1 WO 2005091116A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
haptic interface
layers
deformable
stack
frame
Prior art date
Application number
PCT/FR2005/050191
Other languages
English (en)
Inventor
Mohamed Benali Khoudja
Moustapha Hafez
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat A L'energie Atomique filed Critical Commissariat A L'energie Atomique
Publication of WO2005091116A1 publication Critical patent/WO2005091116A1/fr

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/016Input arrangements with force or tactile feedback as computer generated output to the user
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06FELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F3/00Input arrangements for transferring data to be processed into a form capable of being handled by the computer; Output arrangements for transferring data from processing unit to output unit, e.g. interface arrangements
    • G06F3/01Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/011Arrangements for interaction with the human body, e.g. for user immersion in virtual reality
    • G06F3/014Hand-worn input/output arrangements, e.g. data gloves

Definitions

  • the subject of the invention is both a flexible device for a suitable interface for transmitting movement or effort between a device and man, and certain haptic interfaces equipped with this device.
  • An important field of application of the invention is what is called virtual reality, where various types of signals are used to communicate them to the user in order to immerse him in a virtual environment. This is done by means of interfaces allowing the user to interact with the virtual application, recording the gestures of the user to act on the environment and make him feel the reactions of the environment.
  • the visual and auditory environment is reproduced by flat screens, immersive rooms, specially equipped glasses and headsets and speakers;
  • the haptic environment (tactile and kinesthetic) is reproduced by haptic interfaces which must allow on the one hand to manipulate virtual objects with a sensation or to detect collisions, and on the other hand to give a feeling of touch during the exploration of a surface of a virtual object.
  • the interface must satisfy a good quality of the sensation that it provides and specific characteristics, including a fairly low cost, as well that a reduced weight and volume so that it remains portable.
  • tactile interfaces associated with the user's hand and comprising a mounting structure comprising a bracelet attached to the wrist and a plate extending over the back of the hand, and actuators mounted on the plate and comprising motors.
  • the interface device comprising a stack of at least one layer of dielectric polymer and flexible electrodes for applying electrical charges on the opposite sides of the layer, is completed by a deformable monobloc frame arranged around the stack.
  • the frame is a structural element designed to bring a certain stiffness to the polymer, without however opposing its deformations.
  • It is constructed to have a lower stiffness in a preferred direction of deformation of the stack, which is a useful direction of actuation of the device, than in other directions where no deformation is required and where the device should rather be rigid. It has two opposite sides rigid connected by lateral sides composed of a chain of thick portions and thin portions alternating and joining the rigid sides.
  • the thin portions and the thick portions are respectively flexible joints, where the deformations of the frame are concentrated, and rigid locations which give the device its characteristic of deformability (displacement relative to the applied electrical voltage).
  • We will therefore choose long thick portions compared to thin portions to obtain a slightly deformable frame, and the opposite to obtain a well deformable frame.
  • the framework of the second of these documents seems to consist of portions assembled by mechanical joints instead of being in one piece, this which makes it inapplicable to haptic applications where miniaturization is essential.
  • the stack composed of a deformable layer and of a pair of electrodes can be replaced by a stack of several deformable layers and as many pairs of electrodes which are respectively associated with them, and which have deformation or transmission capacities. larger forces.
  • the frame then also serves to ensure the cohesion of the complex stack. Another property of the frame is to serve as a link between the stack and structural elements of the interface, by replacing other more complicated assembly devices.
  • FIG. 1 is a view illustrating the operation of a dielectric polymer subjected to an electrostatic field
  • - Figure 2 illustrates a first embodiment of the invention, and an arrangement of the device on a force feedback interface
  • Figure 3 illustrates another embodiment of the invention
  • - Figures 4a, 4b and 4c represent certain variant embodiments of the frame
  • FIG. 5 illustrates a haptic interface equipped with the invention
  • FIG. 6 gives a detail of the interface devices used in FIG. 5
  • FIG. 7 illustrates another haptic interface
  • FIG. 8 illustrates three alternative embodiments of stacks of dielectric polymer layers and electrodes.
  • the first figure recalls the operating principle of the deformable dielectric polymer serving as an interface device.
  • a layer 1 of the polymer is provided with two electrodes 2 and 3 at its opposite sides, and an electric circuit 4 with direct current connects the electrodes 2 and 3 to the terminals of a supply device 5.
  • the electric field established in the polymer compresses layer 1 of the polymer while stretching it laterally, as shown by the arrows.
  • FIG. 2 illustrates a first embodiment of the invention and a corresponding interface.
  • a stack 6 comprising at least one layer 1 of polymer and a pair of electrodes 2 and 3 as before is surrounded by a deformable frame 7.
  • the assembly bears the reference 8 and forms an elastic interface device, which is here used in triplicate between two structural elements 9 and 10 respectively joined to two opposite sides of each of the frames 7.
  • the interface devices 8 constituting actuators are distributed around the circumference of each of the structural elements 9 and 10. If fields similar electrics are supplied to each of their identical stacks 6, the structural elements 9 and 10 are moved apart by a translational movement. If different electric fields are supplied to them, the extensions of the stacks 6 are also different and the structural elements 9 and 10 move apart while also undergoing a rotational movement whose angle depends on the proportions of the electric fields. A wide variety of motion controls is possible.
  • the interface devices 8 can also, conversely, measure a displacement between the structural elements 9 and 10 rather than imposing it: each of the stacks 6 forms a capacitor whose capacity depends on the deformation and in particular of the distance between the plates; a usual measurement system can be placed at the terminals of the stacks 6 to measure their capacity, and deduce therefrom the deformations of each of the devices 8 and the movements between the structural elements 9 and 10.
  • FIG. 3 represents a similar device but where the devices interface 8 are replaced by slightly different interface devices 11, with a frame 12 similar to frame 7 and having in particular two opposite sides joined to the structural elements 9 and 10 but a stack 13 directed in the direction joining the structural elements 9 to 10. The layers.
  • the stack 13 comprises a plurality of layers 1 of polymer, stacked on one another and all subjected to an electric field by pairs of associated electrodes.
  • the stack 6 of the previous embodiment could also be composed of several superimposed layers of polymer, which would not modify the deformation of the interface device 8 but would multiply the force that it would transmit.
  • the frame surrounding a stack such as 6 or 13 can be constructed in several ways. Some are shown in Figures 4.
  • the frame 15 thus comprises two opposite sides 16 of great thickness and two lateral sides 17 in thin lobes, opposite to each other and joining the preceding sides 16.
  • the frame 15 is flexible in the vertical direction and therefore in no way opposes the deformations of the stack which it contains, but it is much more rigid in the deformations in the other directions and therefore keeps the stack in place. This arrangement, however, will probably be insufficient for many haptic interfaces since the lateral sides 17 have sections too small to allow adhesion of the polymer membranes.
  • the frame 18 of FIG. 4b comprises two opposite rigid sides 19 similar to the previous ones and two lateral sides 20 in lobes where the thin portions 21 and thick portions alternate.
  • the properties are similar to the previous ones but the thick portions 22 maintain the shape of the lobes 20 against lateral spills while serving as support points for the polymer membranes.
  • This original arrangement, with many thick but short portions 22, shorter than the thin portions 21, gives in practice a well deformable interface, the lateral sides 20 being generally not very rigid, which will often be appreciated in haptic interfaces or movement can be important. There is also a great latitude to adjust the deformability by playing on the numbers of the thin and thick portions and their respective lengths.
  • FIG. 4c represents a portable haptic interface called exoskeleton which acts on the phalanges of the hand.
  • This particular embodiment comprises, in addition to a plate 30 placed on the back of the hand and a bracelet 31 attached to the wrist, actuation systems 32 intended to move the knuckles independently; in this case, there are five actuation systems 32 each assigned to a finger of the hand including the thumb, and a simpler actuation system 33 for moving the thumb in a direction perpendicular to its flexion.
  • the actuation systems 32 are illustrated in FIG. 6. They comprise a base 34 fixed to the plate 30, from which protrudes a handle 35 which leads to a string of interface devices 36 according to the invention.
  • a rod 37 extends beyond the chain of devices 36, and a ring 38 engaged in one of the knuckles (here a knuckle) is connected to it by a joint 39 which allows the knuckle to rotate.
  • the rod 37 carries a second handle 40 which is extended by a second chain of devices 36, then by a second rod 41 ending on a ring 42 of phalangette by another articulation 43.
  • the actuation system 33 is similar but devoid of the second rod 40 and the following elements.
  • the interface devices 36 communicate to the phalanges of the desired movements. It will be noted that they supplement the exoskeleton by replacing part of the elements of communication of the movement or of the effort with the phalanges, thanks to the rigid elements which they possess. Thus, the haptic interface not only benefits from the lightness specific to interface devices 36, but of the reduction following the removal of part of the structural elements.
  • each chain comprises two layers of elementary interface devices 36, each of the layers comprising two interface devices 36 aligned in extension of the handle 35 to the rod 37.
  • the interface devices 36 of each layer serve to multiply the deformation of the polymer, and therefore the displacement and the force applied to the rod 37, while the superposition of the layers makes it possible to exert different deformations and therefore rotations to the rod 37.
  • the actuating devices 36 are therefore controlled from the same way in each of the layers, but in different ways in different layers.
  • the frames of the actuating devices 36 of the same layer are joined together, to the handle 35 and to the rod 37 by rigid sides, the free sides of the frames being flexible, and the frames actuating devices 36 superimposed belonging to different layers are connected by flexible rods allowing them to slide one above the other.
  • Figure 7 illustrates another possible type of application. It is a combination intended for example to simulate scuba diving, or for virtual reality applications. It includes various structural elements including a chest plate 45 and rings 46 attached to certain portions of the arms. These elements are connected by chains of interface devices, here 47.
  • the most flexible sides of the frames are arranged in the direction of maximum elongation.
  • forces can be applied to the user and it is also possible to capture the movements of the user to make him progress in the virtual environment.
  • the interface devices in linear or two-dimensional networks where they are used in series or in parallel. In other applications, they could be placed side by side on a surface.
  • Another advantage of the frames surrounding the deformable stack is to impose a prestress. The frame is then constructed in such a way that it has a different dimension from that of the stack in the rest state.
  • the frames can generally be constructed from light material, such as polymers, which are more rigid than those of the stack. They can be manufactured by conventional machining, by corrosion or by cutting.
  • the devices according to the invention are also lighter and less expensive than existing interfaces. Aspects of the invention specific to haptic interfaces will now be described.
  • a major problem of the dielectric polymers (elastomers) mentioned in the preceding paragraphs is that of the high amplitudes in supply voltage that they require. Indeed, an electrode / polymer / electrode stack can be assimilated to a capacity where the polymer plays the role of the dielectric.
  • the voltage applied to the terminals of the two electrodes making it possible to cause sufficient deformation of the dielectric polymer is proportional to the square of the thickness of the layer of the dielectric polymer.
  • the electrode material should be as flexible as possible, and be as conductive as possible, and finally, have the greatest possible breakdown field.
  • one solution for reducing the amplitudes of the supply voltage is that of reducing the thickness of the layer of the dielectric polymer. Thin layers of dielectric polymer can be made using deposition techniques. In this case, the thickness of the dielectric polymer deposited is often much too thin for (that one can associate to it conventional electrodes based on conductive greases or even based on particles of conductive materials (which in any case do not check conditions mentioned above).
  • One solution is to design electrodes based on conductive polymers. These are polymers that can conduct electrical currents.
  • FIG. 8 illustrates such a stack, where the dielectric layers have the reference 51 and the conductive layers (electrodes) have the reference 52.
  • Another advantage of depositing conductive polymers on dielectric polymers is to ability to give conductive polymers different forms of imprints and thus obtain several forms of actuation. Being able to vary the imprint of the electrodes (conductive polymer) is very well suited in the case of haptic interfaces associated with the body.
  • tactile interfaces composed of a matrix of micro-actuators, in this case a network of electrodes of circular shape in matrix configuration, can be mentioned.
  • FIG. 9 illustrates how such an arrangement may appear: a layer of dielectric polymer 53 carries a plurality of electrodes 54, 55, 56 of conductive polymer at different locations and possibly different shapes (here circular, rectangular and elliptical) which impose different deformations on the layer 53, which the operator distinguishes by feeling differently, since it is subjected to forces exerted in different directions.
  • a not insignificant problem, and often difficult to solve in the case of actuator networks, is that of the addressing circuit.
  • the fact of using conductive polymers makes it possible to use the latter as electrodes but also as an addressing circuit.
  • FIG. 10 illustrates such an arrangement, where the electrodes 58 have circular pads deposited in a network on a layer of dielectric polymer 57.
  • the addressing lines 59 are horizontal and vertical and extend between the electrodes 58 without cutting.
  • the case of a network of pellets addressed using a well-adapted imprint of the conductive polymer is shown. This avoids connecting each pad individually. The times and therefore the manufacturing and addressing costs are reduced.
  • the haptic interface can be designed to impose a displacement on the operator as well as to feel a displacement executed freely by him.

Abstract

Des polymères diélectriques souples se déforment fortement sous l'effet de champs électriques qui leur sont communiqués par des électrodes. Un empilement (6) d'une ou plusieurs couches de ces polymères est complété par un cadre (7) semi-rigide qui les soutient tout en permettant leur déformation dans une direction privilégiée. De tels dispositifs peuvent être utilisés pour commander des mouvements entre deux structures (9, 10) qu'ils unissent ou pour les mesurer, par la capacité du polymère. Cette invention s'applique en particulier aux interfaces à retour d'effort dites haptiques.

Description

DISPOSITIF HAPTIQUE D'INTERFACE SOUPLE ET INTERFACE HAPTIQUE COMPRENANT CE DISPOSITIF
DESCRIPTION
Le sujet de l'invention est à la fois un dispositif souple pour une interface aptique de transmission de mouvement ou d'effort entre une appareil et l'homme, et certaines interfaces haptiques équipées de ce dispositif. Un domaine d'application important de l'invention est ce qu'on appelle la réalité virtuelle, où on recourt à divers types de signaux pour les communiquer à l'utilisateur afin de l'immerger dans un environnement virtuel. Cela s'effectue au moyen d'interfaces permettant à l'utilisateur d' interagir avec l'application virtuelle, en enregistrant les gestes de l'utilisateur pour agir sur l'environnement et lui faire ressentir les réactions de l'environnement. L'environnement visuel et auditif est restitué par des écrans plats, des salles immersives, des lunettes et des casques spécialement équipés et des haut-parleurs ; l'environnement haptique (tactile et kinestésique) est restitué par des interfaces haptiques qui doivent permettre d'une part de manipuler des objets virtuels avec une sensation ou de détecter des collisions, et d'autre part de donner une sensation de toucher lors de l'exploration d'une surface d'un objet virtuel. L'interface doit satisfaire à une bonne qualité de la sensation qu'elle procure et à des caractéristiques propres, dont un coût assez bas, ainsi qu'un poids et un volume réduits pour qu'elle reste portative. On connaît ainsi des interfaces tactiles associées à la main de l'utilisateur et comprenant une structure de montage comprenant un bracelet attaché au poignet et une plaquette s 'étendant sur le dos de la main, et des actionneurs montés sur la plaquette et comprenant des moteurs à retour d'effort, des codeurs, des transmissions, etc. finissant sur les phalanges des doigts de l'utilisateur afin d'enregistrer leur mouvement, ou de leur communiquer certains efforts ou certaines sensations selon l'application particulière envisagée. Les interfaces de ce genre qui sont connues aujourd'hui sont souvent trop lourdes et surtout trop coûteuses pour être pleinement satisfaites. On fait appel à certains polymères diélectriques déformables pour réaliser des interfaces haptiques ; un exemple est donné par le document US 2002/005 4060 Al. Leur module d'élasticité est très faible, ce qui permet de leur appliquer de grandes déformations à partir des contraintes de Maxwell. Quand un champ électrique est appliqué à une couche de ces polymères, par des charges de polarités opposées se trouvant dans des électrodes de chaque côté de la couche, les forces électrostatiques induisent une compression de la couche par attraction des charges opposées et une extension de la couche par répulsion des charges de même polarité présentes de chaque côté. Des déformations considérables, de l'ordre de 300%, sont possibles. D'après le document précité le polymère peut être façonné à des formes diverses, et se déformer aussi de façon correspondante, ce qui permet de l'employer dans des interfaces variées. On peut cependant constater que ces formes de polymère, complétées par les électrodes nécessaires à leur exploitation, sont employées telles quelles, ce qui limite leurs possibilités. Il est en particulier difficile de leur appliquer une déformation bien corrélée à une commande. Il faut ajouter que l'instauration de déformations suffisantes aux polymères pour faire ressortir un déplacement important impose l'application d'une tension élevée et fait donc apparaître un problème de sécurité considérable sur un dispositif au contact de l'homme, tout en exigeant une alimentation électrique conséquente qui s'oppose à une bonne portativité de l'interface. Dans l'invention, le dispositif d'interface, comprenant un empilement d'au moins une couche de polymère diélectrique et d'électrodes souples d'application des charges électriques sur les côtés opposés de la couche, est complété par un cadre monobloc déformable disposé autour de l'empilement. Le cadre est un élément structurel conçu pour apporter une certaine raideur au polymère, sans cependant s'opposer à ses déformations. Il est construit pour posséder une raideur plus faible dans une direction préférée de déformation de l'empilement, qui est une direction utile d' actionnement du dispositif, que dans d'autres directions où aucune déformation n'est demandée et où le dispositif devrait plutôt être rigide. Il comprend deux côtés opposés rigides reliés par des côtés latéraux composés d'une chaîne de portions épaisses et de portions fines alternant et joignant les côtés rigides. Les portions fines et les portions épaisses sont respectivement des articulations souples, où les déformations du cadre sont concentrées, et des endroits rigides qui confèrent au dispositif sa caractéristique de déformabilité (déplacement rapporté à la tension électrique appliquée) . On choisira donc des portions épaisses longues par rapport aux portions fines pour obtenir un cadre peu déformable, et le contraire pour obtenir un cadre bien déformable . On cherchera cependant à éviter, en général, un trop petit nombre des portions épaisses, qui portent principalement le polymère collé sur elles : une structure typique de cadre souple comprendra alors un grand nombre de portions épaisses courtes pour donner les points d'adhérence nécessaires. On doit aussi citer les documents US 20031 021 0811 et US 6 545 384 qui décrivent des dispositifs d'interface souple à polymère tendu sur un cadre présentant deux côtés rigides opposés et deux côtés souples. Ces dispositifs ne sont cependant pas prévus en général pour des interfaces haptiques. Les côtés latéraux du cadre du premier document ne présente pas clairement des enchaînements de portions fines servant d'articulation alternant avec des portions épaisses rigides, qui permet de régler la déformabilité des interfaces avec précision. Le cadre du second de ces documents semble composé de portions assemblées par des articulations mécaniques au lieu d'être monobloc, ce qui le rend inapplicable à des applications haptiques où la miniaturisation est essentielle. Plusieurs perfectionnements de cette conception de base sont possibles. L'empilement composé d'une couche déformable et d'une paire d'électrodes peut être remplacé par un empilement à plusieurs couches déformables et autant de paires d'électrodes qui leur sont respectivement associées, et qui possèdent des capacités de déformation ou de transmission des forces plus importantes. Le cadre sert alors aussi à assurer la cohésion de l'empilement complexe . Une autre propriété du cadre est de servir de liaison entre l'empilement et des éléments structurels de l'interface, en remplaçant d'autres dispositifs d'assemblage plus compliqués. Ces aspects et d'autres du dispositif, ainsi que certaines interfaces particulières équipées de ce dispositif, seront maintenant décrits avec leurs caractéristiques et avantages au moyen des figures suivantes : - la figure 1 est une vue illustrant le fonctionnement d' un polymère diélectrique soumis à un champ électrostatique, - la figure 2 illustre une première réalisation de l ' invention, et une disposition du dispositif sur une interface à retour d ' effort, la figure 3 illustre une autre réalisation de l ' invention, - les figures 4a, 4b et 4c représentent certaines variantes de réalisation du cadre, la figure 5 illustre une interface haptique équipée de l'invention, la figure 6 donne un détail des dispositifs d'interface utilisés à la figure 5, - la figure 7 illustre une autre interface haptique, - et les figures 8, 9 et 10 illustrent trois variantes de réalisation d'empilements de couches de polymère diélectrique et d'électrodes. La première figure rappelle le principe de fonctionnement du polymère diélectrique déformable servant comme dispositif d'interface. Une couche 1 du polymère est munie de deux électrodes 2 et 3 à ses côtés opposés, et un circuit électrique 4 à courant continu relie les électrodes 2 et 3 aux bornes d'un dispositif d'alimentation 5. Le champ électrique instauré dans le polymère comprime la couche 1 du polymère tout en l'étirant latéralement, comme l'expriment les flèches. La figure 2 illustre une première réalisation de l'invention et une interface correspondante. Un empilement 6 comprenant au moins une couche 1 de polymère et une paire d'électrodes 2 et 3 comme précédemment est entouré par un cadre 7 déformable. L'ensemble porte la référence 8 et forme un dispositif d'interface élastique, qui est ici utilisé à trois exemplaires entre deux éléments structurels 9 et 10 respectivement joints à deux côtés opposés de chacun des cadres 7. Les dispositifs d'interface 8 constituant des actionneurs sont répartis sur la circonférence de chacun des éléments structurels 9 et 10. Si des champs électriques semblables sont fournis à chacun de leurs empilements 6 identiques, les éléments structurels 9 et 10 sont écartés par un mouvement de translation. Si des champs électriques différents leur sont fournis, les extensions des empilements 6 sont aussi différentes et les éléments structurels 9 et 10 s'écartent en subissant aussi un mouvement de rotation dont l'angle dépend des proportions des champs électriques. Une grande variété de commandes de mouvement est ainsi possible. Dans ce mode de réalisation comme dans les suivants, les dispositifs d'interface 8 peuvent aussi, inversement, mesurer un déplacement entre les éléments structurels 9 et 10 plutôt que de l'imposer : chacun des empilements 6 forme un condensateur dont la capacité dépend de la déformation et notamment de la distance entre les plaques ; un système de mesure usuel peut être placé aux bornes des empilements 6 pour mesurer leur capacité, et en déduire les déformations de chacun des dispositifs 8 et les mouvements entre les éléments structurels 9 et 10. La figure 3 représente un dispositif analogue mais où les dispositifs d'interface 8 sont remplacés par des dispositifs d'interface 11 un peu différents, avec un cadre 12 semblable au cadre 7 et présentant notamment deux côtés opposés joints aux éléments structurels 9 et 10 mais un empilement 13 dirigé dans la direction joignant les éléments structurels 9 à 10. Les couches . extrêmes de l'empilement sont alors en appui sur les deux côtés opposés du cadre 12 qui sont joints respectivement aux éléments 9 et 10. Une telle disposition n'offre pas une amplitude de déformation aussi grande que la précédente, mais permet de communiquer des forces plus importantes. La déformation est cependant multipliée si l'empilement 13 comprend une pluralité des couches 1 de polymère, empilées les unes sur les autres et toutes soumises à un champ électrique par des paires d'électrodes associées. L'empilement 6 de la réalisation précédente pourrait être aussi composé de plusieurs couches de polymère superposées, ce qui ne modifierait pas la déformation du dispositif d'interface 8 mais multiplierait la force qu'il transmettrait . Le cadre entourant un empilement tel que 6 ou 13 peut être construit de plusieurs façons. Certaines sont représentées aux figures 4. Beaucoup seront en forme de quadrilatère avec deux côtés opposés de grande rigidité, servant à la jonction des autres éléments de l'interface, alors que les autres côtés seront globalement souples, avec une épaisseur beaucoup plus faible ou une forme incurvée en lobe autorisant des déformations de flexion. A la figure 4a, le cadre 15 comprend ainsi deux côtés opposés 16 de grande épaisseur et deux côtés latéraux 17 en lobes fins, opposés entre eux et se joignant aux côtés 16 précédents. Le cadre 15 est souple en direction verticale et ne s'oppose donc nullement aux déformations de l'empilement qu'il contient, mais il est beaucoup plus rigide dans les déformations selon les autres directions et maintient donc l'empilement en place. Cet agencement, pourtant, sera probablement insuffisant pour beaucoup d'interfaces haptiques puisque les côtés latéraux 17 ont des sections trop petites pour permettre l'adhérence des membranes du polymère . Le cadre 18 de la figure 4b comprend deux côtés opposés rigides 19 analogues aux précédents et deux côtés latéraux 20 en lobes où alternent les portions fines 21 et des portions épaisses 22. Les propriétés sont analogues aux précédentes mais les portions épaisses 22 maintiennent la forme des lobes 20 contre les déversements latéraux tout en servant des points d'appui aux membranes de polymère. Cette disposition originale, aux portions épaisses 22 nombreuses mais courtes, plus courtes que les portions fines 21, donne en pratique une interface bien déformable, les côtés latéraux 20 étant peu rigides dans l'ensemble, qui sera souvent appréciée dans des interfaces haptiques ou les mouvement peuvent être importants. On dispose aussi d'une grande latitude pour régler la déformabilité en jouant sur les nombres des portions fines et épaisses et leurs longueurs respectives. Le cadre 24 de la figure 4c comprend toujours deux côtés opposés 25 rigides, mais les lobes des côtés latéraux sont remplacés par des portions épaisses 26 longues qui lui donnent une forme de polygone ; des portions fines 27 beaucoup plus courte relient les côtés 25 et 26 et reçoivent la plus grande partie des déformations. On passe maintenant à la figure 5, qui représente une interface haptique portative appelée exosquelette qui permet d'agir sur les phalanges de la main. Cette réalisation particulière comprend, outre une plaque 30 posée sur le dos de la main et un bracelet 31 attaché au poignet, des systèmes d'actionnement 32 destinés à mouvoir indépendamment les phalanges ; dans le cas présent, on trouve cinq systèmes d'actionnement 32 affectés chacun à un doigt de la main y compris le pouce, et un système d'actionnement 33 plus simple pour mouvoir le pouce dans une direction perpendiculaire à sa flexion. Les systèmes d'actionnement 32 sont illustrés à la figure 6. Ils comprennent une base 34 fixée à la plaque 30, d'où dépasse un manche 35 qui aboutit à un chapelet de dispositifs d'interface 36 conforme à l'invention. Une tige 37 s'étend au-delà du chapelet de dispositifs 36, et un anneau 38 engagé dans une des phalanges (ici une phalangine) lui est relié par une articulation 39 qui permet à la phalangine de tourner. La tige 37 porte un deuxième manche 40 qui est prolongé par un deuxième chapelet de dispositifs 36, puis par une deuxième tige 41 finissant sur un anneau 42 de phalangette par une autre articulation 43. Sur la figure 5, le système d'actionnement 33 est analogue mais dépourvu de la deuxième tige 40 et des éléments suivants. Les dispositifs d'interface 36 communiquent aux phalanges des mouvements souhaités. On remarquera qu'ils complètent 1 'exosquelette en se substituant à une partie des éléments de communication du mouvement ou de l'effort aux phalanges, grâce aux éléments rigides qu'ils possèdent. Ainsi, l'interface haptique bénéficie non seulement de la légèreté propre aux dispositifs d'interface 36, mais de l'allégement consécutif à la suppression d'une partie des éléments structurels . On notera enfin que chaque chapelet comprend deux couches de dispositifs d'interface 36 élémentaires, chacune des couches comprenant deux dispositifs d'interface 36 alignés en prolongement du manche 35 à la tige 37. Les dispositifs d'interface 36 de chaque couche servent à multiplier la déformation du polymère, et donc le déplacement et la force appliqués à la tige 37, alors que la superposition des couches permet d'exercer des déformations différentes et donc des rotations à la tiges 37. Les dispositifs d'actionnement 36 sont donc commandés de la même façon dans chacune des couches, mais de façons différentes dans des couches différentes. Pour obtenir ces différentes situations de déformation, les cadres des dispositifs d'actionnement 36 d'une même couche sont jointifs entre eux, au manche 35 et à la tige 37 par des côtés rigides, les côtés libres des cadres étant souples, et les cadres des dispositifs d'actionnement 36 superposés appartenant à des couches différentes sont reliés par des tiges flexibles leur permettant de glisser les uns au-dessus des autres. La figure 7 illustre un autre genre d'application possible. Il s'agit d'une combinaison destinée par exemple à simuler la plongée sous-marine, ou à des applications en réalité virtuelle. Elle comprend divers éléments de structure dont une plaque pectorale 45 et des anneaux 46 fixés à certaines portions des bras. Ces éléments sont reliés par des chaînes des dispositifs d'interface, ici 47. Quand l'utilisateur bouge, il comprime ou tend les chaînes des dispositifs 47, dont les déformations peuvent être mesurées. Ici comme dans d'autres réalisations, on dispose les côtés les plus souples des cadres dans la direction d'allongement maximale. Avec un tel système, des forces peuvent être appliquées sur l'utilisateur et il est aussi possible de capter les mouvements de l'utilisateur pour le faire progresser dans l'environnement virtuel. Ces réalisations montrent qu'il est souvent avantageux de disposer les dispositifs d'interface en réseaux linéaires ou bidimensionnels où ils sont employés en série ou en parallèle. Dans d'autres applications, on pourrait les disposer côte à côte sur une surface. Un autre intérêt des cadres entourant l'empilement déformable est d'imposer une précontrainte. Le cadre est alors construit de manière qu'il ait une dimension différente de celle de l'empilement à l'état de repos. Cette situation concerne surtout des dispositifs d'actionnement du genre de la figure 2, où le polymère est tendu en membrane sur le cadre : un cadre est construit à une dimension plus grande que le polymère, qui comprime donc le cadre quand il est assemblé à lui. Quand le polymère se dilate sous l'effet des forces électriques, le cadre passe par un état sans contrainte avant d'être déformé en dilatation. Cela permet souvent de déformer le polymère d'une quantité plus importante sans dépasser la limite élastique du cadre. Des cadres composites comme celui de la figure 2 peuvent être proposés, dont les lobes sont complexes et comprennent plusieurs portions sensiblement parallèles. Dans le cas de la figure 2, l'empilement 6 est tendu en membrane sur certains de ces lobes, et les autres lobes s'étendent à l'extérieur des précédents. Les cadres peuvent généralement être construits en matière légère, comme des polymères, plus rigides cependant que ceux de l'empilement. Ils peuvent être fabriqués par usinage classique, par corrosion ou par découpe. Les dispositifs selon l'invention sont aussi plus légers et moins coûteux que les interfaces existantes . Des aspects de l'invention spécifiques aux interfaces haptiques seront maintenant décrits. Un problème majeur des polymères diélectriques (élastomères) cités dans les paragraphes précédents est celui des fortes amplitudes en tension d'alimentation qu'ils nécessitent. En effet, un empilement électrode/polymère/électrode peut être assimilé à une capacité où le polymère joue le rôle du diélectrique. La tension appliquée aux bornes des deux électrodes permettant de provoquer des déformations suffisantes du polymère diélectrique est proportionnelle au carré de l'épaisseur de la couche du polymère diélectrique. Instaurer une déformation suffisante implique donc la production d'un courant intense, trop dangereux en pratique sur un objet porté par un être vivant et dont la puissance électrique consommée est excessive pour un dispositif portatif. L'électrode doit elle faire en sorte que le champ le plus grand possible puisse être appliqué de manière homogène aux bornes de l'électrode, tout en perturbant mécaniquement et électriquement le moins possible l'elastomere (en évitant le plus possible le phénomène d'injection de charge notamment). En utilisant une disposition adaptée et en négligeant certains phénomènes, cette condition revient à ce que le matériau d'électrode ne claque pas sous l'influence de la tension, et à ce que, mécaniquement, l'électrode empêche le moins possible le mouvement de l'elastomere sous l'influence d'un actionneur. En résumé, le matériau d'électrode devra être le plus souple possible, et être le plus conducteur possible, et enfin, avoir le champ de claquage le plus grand possible . D'autre part, une solution permettrant de réduire les amplitudes de la tension d'alimentation est celle de diminuer l'épaisseur de la couche du polymère diélectrique. Des couches minces de polymère diélectrique peuvent être réalisées en faisant appel aux techniques de déposition. Dans ce cas, l'épaisseur du polymère diélectrique déposée est souvent beaucoup trop fine pour (qu'on puisse lui associer des électrodes classiques à base de graisses conductrices ou même à base de particules de matériaux conducteurs (qui de toutes les manière ne vérifient pas les conditions électriques et mécaniques précitées) . Une solution est de concevoir des électrodes à base de polymères conducteurs . Ceux-ci sont des polymères pouvant conduire des courants électriques . Il est très important dans ce cas, de s'assurer des propriétés électriques et mécaniques du polymère conducteur (résistivité, densité maximale de courant admissible, module de Young, etc.) Des méthodes de déposition chimiques permettent la déposition à la fois des polymères diélectriques et des polymères conducteurs. Un empilement de plusieurs empilements polymère conducteur/diélectrique/conducteur peut être réalisé. Chaque électrode peut exercer les déformations voulues avec quelques dizaines de volts, alors que plusieurs kilovolts sont couramment nécessaires pour charger des couches plus épaisses de polymère diélectrique dans un empilement sans ce feuilletage . Ce dispositif à plusieurs couches de polymère diélectrique alternant avec le même nombre de couches de polymère conducteur résout les problèmes précédents tout en assurant la création d'interfaces souples mais résistantes grâce à leur épaisseur totale suffisante, commandées avec peu de courant et fabriquées avec fiabilité. La figure 8 illustre un tel empilement, où les couches diélectriques ont la référence 51 et les couches conductrices (électrodes) la référence 52. Un autre intérêt de déposer des polymères conducteurs sur des polymères diélectrique est de pouvoir donner aux polymères conducteurs différentes formes d'empreintes et d'obtenir ainsi plusieurs formes d'actionnement. Le fait de pouvoir varier l'empreinte des électrodes (polymère conducteur) est très bien adapté dans le cas des interfaces haptiques associées au corps. Parmi ces interfaces, des interfaces tactiles composées d'une matrice de micro-actionneurs, dans ce cas un réseau d'électrodes de forme circulaire en configuration matricielle, peuvent être mentionnées. D'autres interfaces, comme les interfaces à retour d'effort portables, de type exosquelette ou autre, peuvent se présenter sous des formes rectangulaires ou elliptiques et positionnées dans des configurations antagonistes . La figure 9 illustre comment peut se présenter un tel agencement : une couche de polymère diélectrique 53 porte une pluralité d'électrodes 54, 55, 56 en polymère conducteur à des emplacements différents et des formes éventuellement différentes (ici circulaire, rectangulaire et elliptique) qui imposent des déformations différentes à la couche 53, que l'opérateur distingue en ressentant différemment, puisqu'il est soumis à des forces s'excerçant dans des directions différentes. Un problème qui n'est pas des moindres, et souvent difficile à résoudre dans le cas des réseaux d'actionneurs, est celui du circuit d'adressage. Le fait d'utiliser des polymères conducteurs, permet d'utiliser des derniers comme électrodes mais aussi comme circuit d'adressage. La figure 10 illustre un tel agencement, où les électrodes 58 ont des pastilles circulaires déposées en réseau sur une couche de polymère diélectrique 57. Les lignes d'adressage 59 sont horizontales et verticales et s'étendent entre les électrodes 58 sans se couper. Il est représenté le cas d'un réseau de pastilles adressées en utilisant une empreinte du polymère conducteur bien adaptée. Ceci permet d'éviter de connecter chaque pastille individuellement. Les temps et donc les coûts de fabrication et d'adressage sont réduits. Quelle que soit la réalisation, l'interface haptique peut être conçue pour imposer un déplacement à l'opérateur comme pour ressentir un déplacement exécuté librement par lui.

Claims

REVENDICATIONS
1) Dispositif d'interface haptique, comprenant un empilement d'une couche déformable de polymère diélectrique et de deux électrodes sur des côtés opposés de la couche déformable, caractérisé en ce qu'il comprend un cadre monobloc déformable disposé autour de l'empilement, le cadre étant construit pour posséder une raideur plus faible dans une direction préférée de déformation de l'empilement que dans d'autres directions, le cadre comprenant deux côtés opposés rigides (11, 25) reliés par des groupes de côtés latéraux (26) ou des nervures (22) articulés entre eux par des portions (21, 27) fines. 2) Dispositif d'interface haptique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'empilement comprend une pluralité de couches déformables de polymère diélectrique et de paires d'électrodes placées sur des côtés opposés des couches déformables. 3) Dispositif d'interface souple souvent la revendication 1, caractérisé en ce que l'empilement comprend au moins n couches minces déformables en polymère diélectrique, où n est un nombre entier supérieur ou égal à 1, et comprenant au moins n+1 électrodes en couches minces de polymère conducteur, les couches conductrices et les couches diélectriques étant superposées alternativement les unes sur les autres, les électrodes recouvrant au moins une partie de la surface des couches diélectriques contiguës . 4) Dispositif d'interface haptique selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'empilement s'étend perpendiculairement au cadre, les couches déformables ayant des bords montés sur le cadre . 5) Dispositif d'interface haptique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le cadre est précontraint au repos . 6) Dispositif d'interface haptique conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est employé dans une interface à retour d'effort ou tactile. 7) Dispositif d'interface haptique conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il est employé comme capteur de mesure de déformations . 8) Dispositif d'interface haptique conforme à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de couches déformables de polymère diélectrique superposées et alternant avec des couches de polymère conducteur déformables servant d'électrodes. 9) Interface haptique comprenant deux éléments de structure, et une pluralité de dispositifs conformes à l'une quelconque des revendications 1 à 8 entre les éléments de structures, les éléments de structure étant joints par chacun des cadres. 10) Interface haptique, caractérisée en ce qu'elle comprend une pluralité de dispositifs conformes à l'une quelconque des revendications 1 à 8 disposés en réseau linéaire ou surfacique sur un élément de structure auquel les cadres sont joints. 11) Interface haptique comprenant une structure de montage sur une main d'opérateur, et des actionneurs touchant des doigts de la main, caractérisée en ce qu'elle comprend des dispositifs conformes à l'une quelconque des revendications 1 à 5, entre les actionneurs et la structure de montage, qui sont joints aux cadres des dispositifs. 12) Interface haptique corporelle portative comprenant une structure de montage sur une partie du corps d'une opérateur et des actionneurs en contact avec certaine parties du corps de l'opérateur, caractérisée en ce qu'elle comprend des dispositifs conformes à l'une quelconques des revendications 1 à 4, entre les actionneurs et la structure de montage, qui sont joints aux cadres des dispositifs.
PCT/FR2005/050191 2004-03-24 2005-03-24 Dispositif haptique d'interface souple et interface haptique comprenant ce dispositif WO2005091116A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR0450580A FR2868175B1 (fr) 2004-03-24 2004-03-24 Dispositif d'interface souple et interface comprenant ce dispositif
FR0450580 2004-03-24

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2005091116A1 true WO2005091116A1 (fr) 2005-09-29

Family

ID=34944215

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/FR2005/050191 WO2005091116A1 (fr) 2004-03-24 2005-03-24 Dispositif haptique d'interface souple et interface haptique comprenant ce dispositif

Country Status (2)

Country Link
FR (1) FR2868175B1 (fr)
WO (1) WO2005091116A1 (fr)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2990005A1 (fr) 2014-08-31 2016-03-02 Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii Im. Prof. Zbigniewa Religi Manipulateur d'un outil medical

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1999021478A1 (fr) * 1997-10-24 1999-05-06 Virtual Technologies, Inc. Dispositif exosquelette permettant de mesurer directement la position des bouts de doigts et d'en deduire l'angle des articulations des doigts
US20020054060A1 (en) * 2000-05-24 2002-05-09 Schena Bruce M. Haptic devices using electroactive polymers
US20020130673A1 (en) * 2000-04-05 2002-09-19 Sri International Electroactive polymer sensors
US6545384B1 (en) * 1997-02-07 2003-04-08 Sri International Electroactive polymer devices
EP1324403A1 (fr) * 2001-12-28 2003-07-02 Matsushita Electric Works, Ltd. Actionneur transportable pour des mouvements du corps humain
US20030210811A1 (en) * 2002-05-10 2003-11-13 Massachusetts Institute Of Technology Elastomeric actuator devices for magnetic resonance imaging
US20030212356A1 (en) * 2002-04-16 2003-11-13 Scorvo Sean K. Adjustable orthotic brace

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6545384B1 (en) * 1997-02-07 2003-04-08 Sri International Electroactive polymer devices
WO1999021478A1 (fr) * 1997-10-24 1999-05-06 Virtual Technologies, Inc. Dispositif exosquelette permettant de mesurer directement la position des bouts de doigts et d'en deduire l'angle des articulations des doigts
US20020130673A1 (en) * 2000-04-05 2002-09-19 Sri International Electroactive polymer sensors
US20020054060A1 (en) * 2000-05-24 2002-05-09 Schena Bruce M. Haptic devices using electroactive polymers
EP1324403A1 (fr) * 2001-12-28 2003-07-02 Matsushita Electric Works, Ltd. Actionneur transportable pour des mouvements du corps humain
US20030212356A1 (en) * 2002-04-16 2003-11-13 Scorvo Sean K. Adjustable orthotic brace
US20030210811A1 (en) * 2002-05-10 2003-11-13 Massachusetts Institute Of Technology Elastomeric actuator devices for magnetic resonance imaging

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
GOMEZ D ET AL: "INTEGRATION OF THE RUTGERS MASTER II IN A VIRTUAL REALITY SIMULATION", PROCEEDINGS OF THE VIRTUAL REALITY ANNUAL INTERNATIONAL SYMPOSIUM. RESEARCH TRIANGLE PARK, MAR. 11 - 15, 1995, LOS ALAMITOS, IEEE COMP. SOC. PRESS, US, 11 March 1995 (1995-03-11), pages 198 - 202, XP000529986, ISBN: 0-7803-2543-5 *
KORNBLUH R ET AL: "Electrostrictive polymer artificial muscle actuators", ROBOTICS AND AUTOMATION, 1998. PROCEEDINGS. 1998 IEEE INTERNATIONAL CONFERENCE ON LEUVEN, BELGIUM 16-20 MAY 1998, NEW YORK, NY, USA,IEEE, US, vol. 3, 16 May 1998 (1998-05-16), pages 2147 - 2154, XP010281583, ISBN: 0-7803-4300-X *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2990005A1 (fr) 2014-08-31 2016-03-02 Fundacja Rozwoju Kardiochirurgii Im. Prof. Zbigniewa Religi Manipulateur d'un outil medical
US9393688B2 (en) 2014-08-31 2016-07-19 Fundacia Rozwoju Kardiochirurgii Im. Prof. Zbigniewa Religi Manipulator of a medical device with auxiliary motor and encoder

Also Published As

Publication number Publication date
FR2868175A1 (fr) 2005-09-30
FR2868175B1 (fr) 2007-03-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1911144B1 (fr) Dispositif de conversion d'energie optimise
CA2633802C (fr) Dispositif modulaire d'isolation multi-axes de vibrations et de chocs, a base d'elastomere
EP2437323B1 (fr) Dispositif à récupération d'énergie de pression
EP3443602B1 (fr) Generateur d'electricite comprenant un convertisseur magneto-electrique
WO2007006729A1 (fr) Dispositif capacitif a volume capacitif optimise
US20090072665A1 (en) Ultrasonic actuator
GB2450010A (en) Piezoelectric transducer structure with sectored, annular concentric electrodes
GB2448571A (en) Multilayer piezoelectric microphone with annular, concentric electrodes
EP2150075A2 (fr) Dispositif électronique et son transducteur électro-acoustique
EP2673873A1 (fr) Dispositif de conversion d'energie mecanique en energie electrique optimise
JP2007202293A (ja) 発電装置
FR2968135A1 (fr) Dispositif de conversion d'énergie mécanique en énergie électrique
KR101442632B1 (ko) 압전 복합 필름 및 이를 포함하는 압전 장치
EP3485349A1 (fr) Dispositif haptique mettant en oeuvre une lubrification par vibration
WO2005091116A1 (fr) Dispositif haptique d'interface souple et interface haptique comprenant ce dispositif
TW200830686A (en) Vibration actuator
JPWO2002015378A1 (ja) 折り重なり式圧電ステータ、折り重なり式圧電アクチュエータ及びそれらの応用
JP5129998B2 (ja) 電歪素子
JP2009196060A (ja) 駆動機構
WO2015063397A1 (fr) Module d'isolation de vibrations à effets non linéaires diminués
FR2797552A1 (fr) Transducteur electro-acoustique
CA2362736A1 (fr) Dispositif a ondes de surface connecte a une embase avec un adhesif conducteur
JP2019200699A (ja) 触感提示装置
JP6882096B2 (ja) 圧電型発電装置
WO2008040886A2 (fr) Dispositif de mobilisation corporelle d'un sujet humain, et son utilisation

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BW BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DE DK DM DZ EC EE EG ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS JP KE KG KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV MA MD MG MK MN MW MX MZ NA NI NO NZ OM PG PH PL PT RO RU SC SD SE SG SK SL SM SY TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VC VN YU ZA ZM ZW

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): BW GH GM KE LS MW MZ NA SD SL SZ TZ UG ZM ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IS IT LT LU MC NL PL PT RO SE SI SK TR BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
DPEN Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101)
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWW Wipo information: withdrawn in national office

Country of ref document: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase