WO2016170149A1 - Procede de simulation d'un deplacement d'un bouton virtuel et dispositif associe - Google Patents
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Abstract
L'invention se rapporte au domaine des interfaces personne-machine et, plus spécifiquement, aux interfaces produisant une information sensorielle de type tactile lors d'une action d'un utilisateur sur une telle interface. L'invention concerne en particulier un dispositif haptique comprenant un capteur agencé pour quantifier un degré d'activation musculaire produite par un utilisateur appliquant un effort mécanique sur une surface d'interaction (1), et comprenant en outre un moyen de stimulation (5) agencé pour déplacer la surface d'interaction (1) selon une loi périodique fonction du degré d'activation musculaire. L'invention concerne aussi un procédé associé permettant de simuler les fonctions habituelles d'un bouton, en particulier de simuler la sensation d'un déplacement de type enfoncement du bouton lorsque l'utilisateur y exerce un effort mécanique, en limitant les inconvénients liés à un déplacement réel du bouton - notamment l'usure. Un tel bouton virtuel est aussi infiniment modifiable.
Description
PROCEDE DE SIMULATION D'UN DEPLACEMENT D'UN
BOUTON VIRTUEL ET DISPOSITIF ASSOCIE
Domaine technique
La présente invention se rapporte au domaine des interfaces personne-machine et, plus spécifiquement, aux interfaces produisant une information sensorielle de type tactile lors d'une action d'un utilisateur sur une telle interface.
La présente invention concerne en particulier un dispositif haptique et un procédé associé agencés pour provoquer la sensation de déplacement d'une extrémité, par exemple un doigt ou un pied, exerçant un effort sur une surface ou un objet potentiellement rigide. Le dispositif et le procédé permettent ainsi de réaliser des interrupteurs ou boutons virtuels.
Etat de la technique antérieure
On connaît dans l'état de la technique antérieure des dispositifs et procédés permettant de fournir à un utilisateur un retour tactile, typiquement lorsque cet utilisateur applique son doigt sur une surface. Des exemples de tels dispositifs ont été décrits notamment dans les documents suivants :
- Akamatsu, M ., & Sato, S. (1994). A multi-modal mouse with tactile and force feedback. International Journal of Human-Computer Studies, 40(3), 443-453;
- Kelley, A. J., Salcudean, S. E. (1994). On the development of a force- feedback mouse and its intégration into a graphical user interface. Int. Symp. on Haptic Interfaces for Virtual Environment and Teleoperator Systems, pp. 1-8;
- Ramstein, C, Hayward, V. (1994). The pantograph : a large workspace haptic device for multimodal human computer interaction. In Conférence companion on Human factors in Computing Systems, pp. 57-58;
- Gôbel, M ., Luczak, H ., Springer, J., Hedicke, V., Rôtting, M . (1995).
Tactile feedback applied to computer mice. International Journal of
Human-Computer Interaction, 7(1), 1-24.
Plus récemment, le brevet US 7,336,266 décrit une surface d'interaction qui réagit à l'entrée de données par un déplacement latéral qui est ressenti tactilement. Similairement, le brevet US 8,797,295 décrit une surface de type "touchpad" qui réagit à la pression exercée par le doigt d'un utilisateur par un petit mouvement latéral de la surface de façon à susciter la sensation d'un encliquetage. Un autre exemple est celui de la demande de brevet US 2011/0267181 Al qui décrit un dispositif et un procédé dans lequel un actionneur produit un retour tactile lorsqu'un utilisateur applique une force sur une surface d'entrée.
Typiquement, la stimulation tactile est due à un déplacement très bref de la surface en contact avec le doigt pour signaler la survenue d'un événement correspondant à un changement de l'état électronique du dispositif, lequel changement passerait inaperçu en l'absence d'une telle stimulation. Cette stimulation tactile adopte aussi très souvent la forme d'une oscillation ayant diverses formes d'ondes et persistant sur une durée de plusieurs périodes temporelles. L'oscillation peut subir une modulation d'amplitude ou de fréquence. Cependant, une telle modulation n'est généralement pas recherchée, mais résulte des limitations dynamiques des stimulateurs tactiles. De telles limitations incluent typiquement la présence de résonances peu amorties ou de limites sur l'accélération instantanée autorisées par les modèles les plus courants de stimulateurs tactiles.
De tels stimuli tactiles présentent l'inconvénient de susciter des sensations tactiles de type vibratoire ressenties comme n'étant pas liées à l'activité motrice de l'utilisateur.
Un autre inconvénient dont souffrent les procédés ou dispositifs de l'état de l'art antérieur est la complexité de la spécification de ces stimuli tactiles où la personne qui les conçoit doit se préoccuper des formes d'ondes, de leur durée, de l'évolution de l'enveloppe d'amplitude, de la loi de variation de la répétition des périodes en fonction d'autres paramètres, tel que décrit dans le document suivant :
- Rovan, J., & Hayward, V. (2000). Typology of tactile sounds and their synthesis in gesture-driven computer music performance. In Trends in gestural control of music, 297-320.
Un but de l'invention est de remédier aux inconvénients dont souffrent les dispositifs et les procédés connus dans l'état de la technique antérieure.
En particulier, un but de l'invention est de réaliser un dispositif haptique agencé pour provoquer par effet tactile la sensation d'un déplacement d'une extrémité d'un utilisateur, par exemple de l'un de ses doigts ou pieds, dans la direction dans laquelle l'utilisateur exerce un effort mécanique par cette extrémité. Cette sensation est suffisamment réaliste pour que l'utilisateur ait, par voie de conséquence, la sensation que la surface subit un réel déplacement.
Un autre but de l'invention est de réduire la conception d'un retour tactile richement variable à la seule spécification d'une portion de courbe sur un support fini. Exposé de l'invention
À cet effet, l'invention propose un dispositif haptique comprenant un capteur agencé pour quantifier un degré d'activation musculaire produite par un utilisateur appliquant un effort mécanique sur une surface d'interaction, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen de stimulation agencé pour déplacer la surface d'interaction selon une loi périodique fonction du degré d'activation musculaire.
Le degré d'activation musculaire peut, bien entendu, être déterminé par de multiples moyens. En particulier, il peut être déterminé par le degré de déformation de la surface d'interaction en contact avec un doigt de l'utilisateur. Cette déformation peut être concentrée en certains points de la structure mécanique du dispositif et détectée par piézorésistivité, piézoélectricité, par variation de transmission ou réflexion optique, décalage de fréquence ou polarisation d'un faisceau de lumière, extensiométrie, détecteur à effet Hall, détecteur à courants de Foucault, ou par d'autres techniques. Le degré d'activation musculaire peut être aussi déterminé par la mécanique des contacts en évaluant la surface de contact doigt-surface par des moyens optiques, ou par des procédés capacitifs, par des revêtements piézosensibles ou encore par la mesure de la conductance de l'interface doigt-surface. Le degré d'activation musculaire peut aussi être déterminé par la mesure de l'activité myoélectrique d'un membre exerçant
l'effort mécanique. Le degré d'activation musculaire peut également être déterminé de manière indirecte, c'est-à-dire en déterminant une information relative à un organe non impliqué dans l'effort mécanique. En particulier, il peut être déterminé en quantifiant une information relative à une activité oculaire de l'utilisateur. De manière générale, le degré d'activation musculaire peut être déterminé par toute information relative à l'effort mécanique exercé par l'utilisateur.
Le moyen de stimulation est agencé pour déplacer la surface d'interaction selon une loi périodique décrite par une fonction dont l'argument, ou la variable, est directement relié, de préférence de façon monotone, au degré d'activation musculaire. Dans un mode de réalisation, le degré d'activation musculaire, ou plus simplement l'effort mécanique, constitue l'unique variable de la fonction. En l'occurrence, le temps n'est pas une variable de la fonction, sauf en ce que le degré d'activation musculaire dépend lui-même du temps. Le moyen de stimulation est alors agencé pour déplacer la surface d'interaction selon une loi périodique décrite par une fonction prenant comme unique variable le degré d'activation musculaire. Toute fonction périodique peut être utilisée dans le cadre de l'invention. La périodicité porte sur le degré d'activation musculaire et non sur le temps. Un déplacement donné se retrouve ainsi pour différentes valeurs de degré d'activation musculaire séparées par une quantité fixe. Il est à souligner que, puisqu'un utilisateur ne produit jamais le même profil temporel d'activation musculaire, le déplacement de la surface d'interaction, et par conséquent la stimulation tactile, seront en pratique différents à chaque fois que l'utilisateur appliquera un effort sur la surface d'interaction. Ceci est en contraste avec les procédés et dispositifs précédemment décrits.
Il faut noter que la forme de la loi régissant le déplacement de la surface d'interaction commandé par le moyen de stimulation a pour effet qu'en l'absence de variation du degré d'activation musculaire, la surface d'interaction ne subit aucun déplacement et donc aucune stimulation tactile n'est perçue par l'utilisateur.
Un tel dispositif stimule le sens tactile de l'utilisateur par l'intermédiaire de la surface d'interaction sur laquelle il applique un effort mécanique, cette information sensorielle dépendant de la variation du degré d'activation musculaire associée à cet effort.
En pratique, le dispositif haptique selon l'invention permet de reproduire la sensation de déclencher un bouton de commande, par exemple un bouton poussoir ou un bouton à glissière latérale ou encore un bouton rotatif. Plus précisément, le dispositif haptique selon l'invention permet de reproduire la sensation de générer un déplacement du bouton sous l'effet de l'effort mécanique que l'utilisateur applique, et cela alors que le déplacement réel que subit ce bouton de commande sous l'effet de l'effort mécanique est nul ou relativement négligeable par rapport au déplacement de ce bouton tel que perçu par l'utilisateur. Par relativement négligeable, on entend que le différentiel entre le déplacement réel et le déplacement perçu est substantiel ou que le déplacement réel est imperceptible par l'utilisateur. Le déplacement réel subit par le bouton de commande sous l'effet de l'effort mécanique peut notamment être nul lorsque le moyen de stimulation génère un déplacement selon un axe différent de l'axe selon lequel l'effort mécanique est exercé par l'utilisateur, ou lorsque le moyen de stimulation génère un déplacement de type translation, respectivement de type rotation, alors que l'effort mécanique exercé par l'utilisateur est de type rotation, respectivement de type translation. Dans la mesure où le déplacement perçu est, sinon totalement, du moins pour l'essentiel simulé, le bouton de commande est appelé bouton virtuel.
Un tel dispositif présente ainsi l'avantage de simuler les fonctions habituelles d'un bouton, en particulier de simuler la sensation d'un déplacement de type enfoncement du bouton lorsque l'utilisateur y exerce un effort mécanique, en limitant les inconvénients liés à un déplacement réel du bouton - notamment l'usure. Un tel bouton virtuel est aussi infiniment modifiable.
De préférence, la stimulation tactile entraînant cette sensation n'est produite que lorsque l'effort dépasse un certain seuil typiquement inférieur à un Newton, et elle cesse quand l'effort excède un autre seuil typiquement de l'ordre de plusieurs Newtons. Si ces seuils ne sont pas pris en compte, certains profils de la fonction périodique provoquent la sensation que la surface est celle d'un matériau alvéolé cédant sous la pression du doigt ou encore que la surface est celle d'un sac rempli d'un matériau granulaire comme du sable, des grains de café ou de riz. Ces sensations sont
provoquées quand la fonction périodique comprend de nombreux détails irréguliers.
Une autre possibilité consiste à utiliser des profils de fonctions périodiques constitués de pics étroits. Dans ce cas, la sensation suscitée est celle de briser un matériau inhomogène tel que du bois ou un matériau composite. Il faut souligner que la synthèse de la stimulation tactile est entièrement déterministe ; cependant, la stimulation tactile variant en fonction du degré d'activation musculaire, le fait que ce profil d'activation musculaire soit, en pratique, fortement variable d'une utilisation à une autre, se traduit par une stimulation tactile variant également d'une utilisation à une autre.
L'information sensorielle qui stimule le sens tactile de l'utilisateur est apte à être perçue par cet utilisateur comme un déplacement de la partie de son anatomie exerçant l'effort mécanique sur la surface d'interaction, bien que le déplacement réel de cette surface d'interaction soit nul ou relativement négligeable. Les détails de la fonction périodique, lorsqu'ils existent, donnent à l'utilisateur la sensation d'interagir avec des matériaux divers.
Il est important de remarquer que ces sensations sont indépendantes de la direction des déplacements réels de la surface d'interaction et que la sensation de déplacement du membre ou doigt est liée à la direction de l'effort mécanique exercé par l'utilisateur et non à la direction des déplacements réels de la surface d'interaction.
Considérons par exemple le cas où un utilisateur manipule un bouton cylindrique comme celui d'une commande d'un appareil audio et que ce bouton ne soit pas libre de tourner autour d'un axe de rotation (axe du cylindre) mais puisse se déplacer axialement d'une fraction de millimètre sous l'effet d'un actionneur. Si ce bouton non-rotatif est doté d'un moyen de détection du couple mécanique appliqué à ce bouton, et qu'on applique les principes décrits ci-dessus avec un déplacement simulé autour de l'axe de rotation en fonction du couple mécanique appliqué, alors l'utilisateur ressentira ses doigts tourner autour de l'axe de rotation et par voie de conséquence aura la sensation de tourner le bouton.
De la même manière, un déplacement selon un axe normal à une surface peut donner la sensation d'un déplacement latéral de cette surface.
A l'occasion d'une étude de psychologie expérimentale, les inventeurs ont stimulé tactilement un index de participants placé sur une surface d'interaction en fonction de l'effort mécanique normal appliqué sur cette surface par le doigt. Dans la condition principale, la peau de l'extrémité de l'index était stimulée tel que divulgué ci-dessus et la surface d'interaction ne pouvait subir qu'un déplacement réel dans le plan de cette surface d'interaction, et d'amplitude relativement négligeable (typiquement inférieure à 1 mm). Dans une deuxième condition, dite de contrôle, la stimulation était la même avec la différence que de petites régions de la peau de l'ordre d'un millimètre carré étaient stimulées en opposition de phase avec toutes les régions contigues. Dans une troisième condition, une stimulation tactile en tous points identique à celle de la première condition a été appliquée au doigt mais de façon décorrélée de l'effort mécanique. Dans une quatrième condition, une stimulation en tous points identique à celle de la première condition a été appliquée avec la différence que la surface d'interaction pouvait cette fois-ci subir un déplacement réel vertical vers le bas proportionnellement à l'effort mécanique appliqué.
Les résultats ont montré que dans la première condition les participants sentaient leurs doigts se déplacer verticalement d'une distance perçue allant jusqu'à cinq millimètres, mais que dans la deuxième et la troisième condition le déplacement perçu était négligeable. Dans la quatrième condition, le déplacement perçu était augmenté d'environ la même quantité que le déplacement réel du doigt (et donc de la surface d'interaction).
De ces résultats, il est permis de conclure que le dispositif selon l'invention permet de procurer une sensation de déplacement de la surface d'interaction, alors que le déplacement réel de cette surface est relativement négligeable, et que cette sensation est très semblable à celle que produirait un déplacement réel de cette surface proportionnel à l'effort mécanique.
De manière surprenante, indépendamment des conditions expérimentales, les rapports verbaux des participants recueillis à l'issue de l'étude indiquent que sept participants sur dix étaient non seulement certains que la surface d'interaction se déplaçait verticalement de manière proportionnelle à l'effort mécanique qu'ils appliquaient sur cette surface,
mais que ceux-ci se montraient en plus sceptiques lorsqu'ils étaient alors informés que la surface d'interaction ne subissait en fait aucun déplacement vertical réel. Ces rapports verbaux indiquent en outre que les trois autres participants de l'étude suspectaient que la surface d'interaction était immobile, mais qu'ils avaient néanmoins la forte impression que leur doigt se déplaçait verticalement de manière proportionnelle à l'effort mécanique qu'ils appliquaient sur la surface d'interaction.
Les inventeurs considèrent qu'une telle illusion de mouvement peut être expliquée par le fait que le cerveau utilise des connaissances déjà acquises des propriétés d'objets touchés pour estimer des mouvements de membres. Ainsi, le fait de stimuler tactilement un index tel que divulgué ci- dessus produit une information sensorielle que le cerveau des participants associe à un déplacement réel de leur doigt, une telle stimulation tactile étant associée, dans leur expérience, à un tel déplacement.
Dans un mode de réalisation avantageux de l'invention, la loi périodique est apte à être représentée par une fonction sinusoïdale. Une telle loi présente l'avantage d'être facilement mise en œuvre dans le moyen de stimulation, notamment lorsque le moyen de stimulation comprend un processeur ou une unité de traitement logique.
Dans un mode de réalisation, la loi périodique est apte à être représentée par la fonction :
x(t) = A sin(2 M f t) + B)
où x(t) représente le déplacement de la surface d'interaction au cours du temps, A est une constante d'amplitude prédéterminée, M est un coefficient de modulation prédéterminé, f(t) quantifie le degré d'activation musculaire au cours du temps, et B est une constante de décalage prédéterminée.
Dans la mesure où une partie du corps de l'utilisateur, typiquement un membre, par exemple un doigt ou un pied, qui est en contact avec la surface d'interaction, entraîne une résistance mécanique faible - en regard des capacités de l'actionneur utilisé comme stimulateur tactile - pour déplacer la surface, le déplacement de la surface d'interaction sera un reflet fidèle du signal de commande de l'actionneur.
Dans un autre mode de réalisation de l'invention, la loi périodique est apte à être représentée par une série de pics espacés les uns des autres par une période fixe.
Dans un autre mode de réalisation de l'invention, la loi périodique est apte à être représentée par une somme de fonctions sinusoïdales.
Le moyen de stimulation peut être agencé pour ne déplacer la surface d'interaction que lorsque le degré d'activation musculaire est supérieur à un seuil de déclenchement Fmin prédéterminé.
Un tel seuil de déclenchement permet, d'une part, de simuler une résistance mécanique à l'appui du bouton virtuel, comme dans la plupart des boutons poussoirs réels, pour lesquels le déplacement (réel) n'intervient que lorsque l'effort d'appui franchit un seuil . D'autre part, ce seuil de déclenchement permet de filtrer les sollicitations parasites de la surface d'interaction . Ces sollicitations parasites peuvent provenir de l'utilisateur lui- même, qui peut approcher son doigt de la surface d'interaction sans vouloir actionner le bouton virtuel, ou d'un bruit du capteur quantifiant le degré d'activation musculaire.
Le moyen de stimulation peut aussi être agencé pour ne déplacer la surface d'interaction que lorsque le degré d'activation musculaire est inférieur à un seuil d'arrêt Fmax prédéterminé.
Un tel seuil d'arrêt Fmax permet de simuler une fin de course du bouton virtuel .
Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le capteur est agencé pour quantifier le degré d'activation musculaire par une mesure de l'effort mécanique appliqué par l'utilisateur sur la surface d'interaction .
Par exemple, le degré d'activation musculaire peut être quantifié par une mesure de l'un des paramètres suivants :
- Déformation de la structure mécanique (surface d'interaction ou support physique de cette surface) due à l'effort appliqué par l'utilisateur sur la surface d'interaction,
- Aire d'une partie (par exemple un doigt) de l'utilisateur en contact avec la surface d'interaction,
- Signaux myoélectriques détectés sur un ou plusieurs muscles de l'utilisateur.
L'invention n'est pas limitée à la coïncidence de la surface d'interaction stimulante avec le lieu de détection de l'activité musculaire. Un mode de captation peut être agencé pour quantifier le degré d'activation musculaire d'un ou plusieurs muscles ne contribuant pas directement à
l'effort mécanique que l'utilisateur applique sur la surface d'interaction. Par exemple, le degré d'activation musculaire quantifié peut concerner l'activation d'un ou plusieurs muscles permettant de réaliser un mouvement oculaire ou de toute autre partie du corps de l'utilisateur.
Le capteur est de préférence agencé pour quantifier le degré d'activation musculaire par une mesure de l'effort mécanique appliqué par l'utilisateur sur la surface d'interaction.
Suivant un premier mode de réalisation, le capteur est agencé pour quantifier le degré d'activation musculaire par une mesure d'une projection de l'effort mécanique sur un plan ou sur un axe, par exemple le plan constitué par la surface d'interaction ou un plan orthogonal à cette surface d'interaction.
Suivant un deuxième mode de réalisation, l'effort mécanique appliqué par l'utilisateur sur la surface d'interaction comprend un couple mécanique f. Dans le dispositif suivant ce deuxième mode de réalisation, le capteur peut être agencé pour quantifier le degré d'activation musculaire par une mesure du couple mécanique f .
Suivant une première variante de l'invention, le moyen de stimulation comprend un circuit électronique analogique ou logique agencé pour générer un signal de commande pilotant le déplacement de la surface d'interaction. Le déplacement piloté par le signal de commande est un déplacement réel de la surface d'interaction. Le signal de commande peut alors être représenté par la fonction périodique prenant comme variable d'entrée le degré d'activation musculaire.
L'invention concerne aussi un dispositif comprenant un écran tactile et un dispositif haptique selon toute combinaison ou sélection de caractéristiques décrites ci-dessus.
La présente invention concerne aussi un procédé de simulation d'un déplacement d'un bouton virtuel comprenant :
- une étape de quantification d'un degré d'activation musculaire produite par un utilisateur appliquant un effort mécanique sur une surface d'interaction,
- une étape de déplacement de la surface d'interaction selon une loi périodique fonction du degré d'activation musculaire. Le déplacement
considéré dans cette étape est un déplacement réel de la surface d'interaction.
L'étape de quantification du degré d'activation musculaire peut comprendre la détermination de l'effort mécanique appliqué par l'utilisateur sur la surface d'interaction. En particulier, seul cet effort mécanique peut être pris en compte pour quantifier le degré d'activation musculaire.
Enfin l'invention concerne aussi un programme d'ordinateur comprenant des instructions qui, lorsqu'elles sont exécutées par un processeur, mettent en œuvre le procédé décrit ci-dessus.
Description des figures et modes de réalisation
D'autres avantages et particularités de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en œuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés suivants :
- la FIGURE 1 représente une première variante du dispositif selon l'invention dans lequel le moyen de stimulation est apte à communiquer un déplacement (réel) à la surface d'interaction par action directe ;
la FIGURE 2 représente une deuxième variante du dispositif selon l'invention dans lequel le moyen de stimulation est apte à communiquer un déplacement (réel) à la surface d'interaction par conservation du moment cinétique ;
la FIGURE 3 représente une troisième variante du dispositif selon l'invention dans lequel le moyen de stimulation est apte à communiquer un déplacement (réel) à la surface d'interaction par conservation du moment cinétique, le dispositif étant tenu dans une main et l'effort mécanique F êtant appliqué par un ou plusieurs doigts d'une autre main ;
la FIGURE 4 représente une quatrième variante du dispositif selon l'invention dans lequel le moyen de stimulation est apte à communiquer un déplacement (réel) à la surface d'interaction par conservation du moment cinétique, le dispositif étant tenu entre deux doigts d'une main ou de deux mains, l'effort mécanique étant appliqué par action mutuelle de ces doigts ;
la FIGURE 5 représente une cinquième variante du dispositif selon l'invention dans lequel le moyen de stimulation est apte à communiquer un déplacement (réel) axial à un bouton cylindrique sensiblement immobile en rotation, le dispositif comprenant un moyen de détection du couple mécanique f appliqué par des doigts ;
la FIGURE 6 représente une sixième variante du dispositif selon l'invention dans lequel le moyen de stimulation est apte à communiquer un déplacement (réel) à la surface d'interaction par conservation du moment cinétique, l'effort étant appliqué par un pied de l'utilisateur ;
- la FIGURE 7 illustre la synthèse d'une stimulation tactile basée sur une fonction périodique reliant, d'une part, un effort mécanique F appliqué par un utilisateur sur un dispositif selon l'invention et, d'autre part, un déplacements de la surface d'interaction d'un tel dispositif. Ce déplacement X est produit par la composition de la fonction du temps représentant le profil de l'effort musculaire 71 par une fonction périodique reliant l'effort mécanique F au déplacement 72 et résultant en un déplacement en fonction du temps qui ne présente plus aucun caractère périodique ni ne conserve les propriétés spectrales de la fonction 73 reliant l'effort mécanique F au déplacement X ;
- la FIGURE 8 présente un algorithme d'actionnement de la surface d'interaction d'un dispositif selon l'invention en fonction des données recueillies par le capteur d'un tel dispositif.
Les modes de réalisation décrits ci-après étant nullement limitatifs, on pourra notamment considérer des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites, isolées des autres caractéristiques décrites (même si cette sélection est isolée au sein d'une phrase comprenant ces autres caractéristiques), si cette sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique, de préférence fonctionnelle sans détails structurels, ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure.
Différents exemples de dispositif haptique selon l'invention sont représentés en FIGURES 1 à 6.
Dans ces exemples, le dispositif comprend une surface d'interaction 1 agencée pour qu'un utilisateur puisse y appliquer un effort mécanique F, par l'intermédiaire de l'un 2 de ses doigts (FIGURES 1 à 3), par l'intermédiaire de deux doigts 2a, 2b (FIGU RES 4 et 5), ou encore par l'intermédiaire de l'un 2 de ses pieds.
En FIGU RES 1, 2 et 3, la surface d'interaction 1 correspond à l'une des faces d'un parallélépipède qui peut constituer une partie d'une surface tactile, par exemple d'un smartphone ou d'un dispositif de pointage.
La surface d'interaction 1 peut alternativement consister en plusieurs faces d'un parallélépipède telle qu'illustrée en FIGU RE 4, ou encore en une surface latérale d'un cylindre de révolution telle qu'illustrée en FIGURE 5, ou encore en une surface d'appui d'une pédale par exemple de voiture telle qu'illustrée en FIGU RE 6.
Sur les FIGU RES 1, 2 et 5, des ressorts 3 représentent une mobilité relative de la surface d'interaction 1 par rapport à une structure principale 4. La structure principale 4 est par exemple une coque d'un dispositif portable ou un tableau de bord d'une voiture. Ainsi, la surface d'interaction 1 peut effectuer de petits déplacements suivant l'un des axes ni, n2 ou n3, ou selon une combinaison de ceux-ci par rapport à la structure principale 4. Toutefois, les petits déplacements autorisés par de tels ressorts 3 sont relativement négligeables au regard d'un effort mécanique F typiquement appliqué sur la surface d'interaction 1 au cours d'une utilisation normale. Autrement dit, les ressorts sont calibrés de manière à résister à un effort mécanique F tel qu'appliqué par le doigt ou le pied 2. Ces petits déplacements sont néanmoins suffisants pour que le moyen de stimulation 5 déplace la surface d'interaction 1 de manière à produire une perception selon laquelle l'amplitude du déplacement (perçu et non réel) de la surface d'interaction 1 est corrélée à l'intensité de cet effort mécanique.
Dans l'exemple de la FIGURE 1, le moyen de stimulation 5 est agencé pour communiquer un déplacement à la surface d'interaction 1 par action directe. Autrement dit, le moyen de stimulation 5 est agencé pour déplacer la surface d'interaction 1 relativement à la structure principale 4.
Dans les variantes représentées en FIGURES 2, 3 et 6, le moyen de stimulation 5 est agencé pour communiquer un déplacement à la surface d'interaction 1 par conservation du moment cinétique et n'est donc pas lié à la structure principale 4.
Dans chacun de ces cas, le moyen de stimulation 5 du dispositif de l'invention est agencé pour déplacer la surface d'interaction 1 selon une loi périodique fonction d'un degré d'activation musculaire produite par l'utilisateur appliquant l'effort mécanique F sur la surface d'interaction 1, ce degré d'activation musculaire étant quantifié par exemple par la déflection moyenne de la suspension formée par les ressorts 3. Cette quantification est réalisée à l'aide de tout capteur approprié, par exemple un capteur piézorésistif.
Alternativement, on peut aussi quantifier le degré d'activation musculaire en utilisant un capteur capacitif assemblé avec la surface d'interaction 1.
Plus spécifiquement, la détermination de l'effort mécanique F appliqué par l'utilisateur peut être effectuée selon des axes privilégiés et être représentée par projection de F sur une direction privilégiée telle que ni, ou ï\2 ou avec l'avantage de la réalisation de simulation d'actions spécifiques telles que le basculement d'une glissière latérale ou un bouton poussoir. La détermination de l'effort mécanique appliqué peut aussi inclure des composantes d'un couple mécanique f. Il peut aussi être pris en compte un ou plusieurs points ou régions d'application de l'effort mécanique F sur la surface d'interaction 1, la stimulation pouvant être commandée uniquement lorsque l'un ou plusieurs de ces points ou régions subissent cet effort. La détermination de l'effort mécanique pourra se réduire à son intensité |F| seulement ou à l'intensité d'une quelconque de ses composantes.
Dans l'exemple de la FIGURE 3, le moyen de stimulation 5 est agencé pour communiquer un déplacement à la surface d'interaction 1 faisant partie intégrante d'un dispositif portable. La surface d'interaction 1 est donc liée rigidement à une coque tenue dans une main, par exemple non dominante, un doigt 2 de la main dominante de l'utilisateur exerçant un effort mécanique F sur la surface d'interaction 1. Le déplacement est alors communiqué par conservation du moment cinétique.
Dans l'exemple de la FIGURE 4, le moyen de stimulation 5 est agencé pour communiquer un déplacement par conservation du moment cinétique à une première 1 et une deuxième surfaces d'interaction faisant partie intégrante d'un objet communicant tenu entre deux doigts, l'effort musculaire étant par exemple quantifié par un dispositif capacitif sensible à la surface de peau en contact avec les surfaces d'interaction 1. Cet objet communiquant peut comprendre un transmetteur hertzien 6. Dans ce cas, l'effort mécanique résulte de deux efforts extérieurs F e associés chacun à l'un des deux doigts tenant l'objet.
Dans l'exemple de la FIGURE 5, le moyen de stimulation 5 est agencé pour communiquer un déplacement axial selon la direction n par action directe à la surface d'interaction cylindrique 1 représentant un bouton rotatif et où, conformément à l'invention, l'effort mécanique quantifié est cette fois-ci un couple mécanique f autour de la direction n exercé par les doigts 2a, 2b de l'utilisateur sur le bouton. Le dispositif de la FIGURE 5 peut aussi quantifier un effort axial exercé par l'utilisateur et lier la stimulation tactile à cet effort axial réalisant par exemple une fonction d'arrêt-marche d'une radio ou d'un navigateur GPS, par exemple indépendamment du réglage d'un volume audio ou de la luminosité d'un écran.
Dans l'exemple de la FIGURE 6, le moyen de stimulation 5 est agencé pour communiquer un déplacement axial par conservation du moment cinétique à la surface d'interaction 1 représentant une pédale d'un véhicule où, conformément à la présente invention, l'effort mécanique F quantifié est dans cet exemple substantiellement normal à la surface de la pédale. Dans cet exemple, on peut modifier le déplacement perçu par l'utilisateur de la pédale en fonction de la proximité d'un autre véhicule, de manière à entraîner une réaction de prudence du conducteur sans compromettre en aucune manière sa faculté de contrôler le véhicule.
La FIGURE 7 explique graphiquement le procédé de transformation d'un effort F en un déplacement X destiné à stimuler tactilement un doigt, un pied ou d'autres régions de l'anatomie. La perception tactile est entièrement décrite par une loi périodique 72 reliant un effort musculaire (effort mécanique F) à un déplacement stimulant (déplacement X d'une surface d'interaction 1). Le graphe de la fonction qui représente cette loi est formé d'une succession de périodes identiques 74. Le profil de l'une de ces
périodes est la seule spécification dont le concepteur d'une interface utilisateur doit se préoccuper. Cependant la grande variété de profils possibles autorise un grand éventail de sensations perçues par l'utilisateur en plus du déplacement de l'un de ses membres. Lors de l'utilisation de l'interface, la mesure de l'effort musculaire évolue au cours du temps d'une manière très typique tel que représenté par la courbe 71 ou l'effort part d'une valeur zéro, monte jusqu'à un maximum puis décroit vers zéro sur une période contrainte par le système neuromusculaire dont la valeur varie d'une fraction de seconde à quelques secondes. À chaque valeur de l'activation musculaire correspond donc une valeur du déplacement stimulant (déplacement réel de la surface d'interaction). En raison de la nature périodique de la loi 72 cette correspondance n'est pas bi-univoque. A plusieurs valeurs de l'activation musculaire correspond un même déplacement. Le résultat est une fonction du temps 73 qui spécifie un déplacement stimulant. A chaque interaction correspond donc une stimulation différente. Si le profil 74 de l'une des périodes comporte une ou plusieurs portions ayant une forte pente, une très légère variation de l'activation musculaire correspondra à une très grande variation de la stimulation.
La FIGURE 8 illustre un exemple de procédé mettant en œuvre un tel dispositif. Le procédé comporte les étapes suivantes :
- une étape 81 de lecture des données recueillies par un capteur (par exemple agencé pour mesurer la déflection moyenne de la suspension formée par les ressorts 3, dans le mode de réalisation de la FIGURE 1) ;
- une étape 82 d'estimation de l'intensité de l'effort mécanique |F| OU de l'une des projections de cet effort à partir des données recueillies;
- une étape 83 de comparaison optionnelle de l'intensité de l'effort mécanique |F| avec un seuil de déclenchement Fmin prédéterminé : si |F|≤FMIN alors on revient à l'étape 81, si |F| > Fmin alors on passe à l'étape 84 ;
- une étape 84 de comparaison optionnelle de l'intensité de l'effort mécanique |F| avec un seuil d'arrêt Fmax prédéterminé :
si |F| > Fmax alors on revient à l'étape 81, si |F| < Fmax alors on passe à l'étape 85 ;
- une étape 85 d'évaluation d'une action mécanique X à produire par le déplacement de la surface d'interaction 1 pour stimuler par exemple un doigt 2 de l'utilisateur de manière à respecter ladite loi périodique ;
- une étape 86 de pilotage du moyen de stimulation 5 pour déplacer la surface d'interaction 1 en fonction du degré d'activation musculaire.
Par pilotage du moyen de stimulation 5, on entend plus spécifiquement la génération d'un signal de commande, par exemple via un circuit électronique analogique ou logique, ce signal de commande étant utilisé pour commander le déplacement (réel) de la surface d'interaction 1.
La comparaison optionnelle de l'intensité de l'effort mécanique |F| avec le seuil de déclenchement Fmin permet de ne déplacer la surface d'interaction 1 que lorsque le degré d'activation musculaire est supérieur à ce seuil de déclenchement Fmin.
Similairement, la comparaison optionnelle de l'intensité de l'effort mécanique |F| avec le seuil d'arrêt Fmax permet de ne déplacer la surface d'interaction 1 que lorsque le degré d'activation musculaire est inférieur à ce seuil d'arrêt Fmax prédéterminé.
Selon différentes variantes de l'invention, la loi périodique est apte à être représentée :
- par une fonction sinusoïdale x(t) = A sin(2 M f(t) + B), où x(t) représente le déplacement de la surface d'interaction 1 au cours du temps, A est une constante d'amplitude prédéterminée, M est un coefficient de modulation prédéterminant la périodicité, f(t) quantifie le degré d'activation musculaire au cours du temps, et B est une constante de décalage prédéterminée ;
- par une série de pics espacés les uns des autres par une période fixe ;
- par une somme de fonctions sinusoïdales ;
- par une succession de profils dont un seul est spécifié.
Un tel dispositif et une telle mise en œuvre permettent de susciter la sensation de déplacement d'un membre ou d'une extrémité anatomique dans la direction de l'effort appliqué.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. De plus, les différentes caractéristiques, formes, variantes et modes de réalisation de l'invention peuvent être associés les uns avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où ils ne sont pas incompatibles ou exclusifs les uns des autres.
Claims
1. Dispositif haptique comprenant un capteur agencé pour quantifier un degré d'activation musculaire produite par un utilisateur appliquant un effort mécanique sur une surface d'interaction (1),
caractérisé en ce qu'il comprend en outre un moyen de stimulation (5) agencé pour déplacer la surface d'interaction (1) selon une loi périodique fonction du degré d'activation musculaire.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la loi périodique est apte à être représentée par une fonction sinusoïdale.
3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la loi périodique est apte à être représentée par la fonction :
x(t) = A sin(2 M f t) + B)
où x(t) représente le déplacement de la surface d'interaction au cours du temps, A est une constante d'amplitude prédéterminée, M est un coefficient de modulation prédéterminé, f(t) quantifie le degré d'activation musculaire au cours du temps, et B est une constante de décalage prédéterminée.
4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la loi périodique est apte à être représentée par une série de pics espacés les uns des autres par une période fixe.
5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la loi périodique est apte à être représentée par une somme de fonctions sinusoïdales.
6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de stimulation (5) est agencé pour déplacer la surface d'interaction (1) selon une loi périodique décrite par une fonction prenant comme unique variable le degré d'activation musculaire.
7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de stimulation (5) est agencé pour ne déplacer la surface
d'interaction (1) que lorsque le degré d'activation musculaire est supérieur à un seuil de déclenchement Fmin prédéterminé.
8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de stimulation (5) est agencé pour ne déplacer la surface d'interaction (1) que lorsque le degré d'activation musculaire est inférieur à un seuil d'arrêt Fmax prédéterminé.
9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le capteur est agencé pour quantifier le degré d'activation musculaire par une mesure de l'effort mécanique appliqué par l'utilisateur sur la surface d'interaction (1).
10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le capteur est agencé pour quantifier le degré d'activation musculaire par une mesure d'une projection de l'effort mécanique sur un plan ou sur un axe.
11. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le capteur est agencé pour quantifier le degré d'activation musculaire par une mesure d'un couple mécanique f appliqué par l'utilisateur sur la surface d'interaction (1).
12. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le moyen de stimulation (5) comprend un circuit électronique analogique ou logique agencé pour générer un signal de commande pilotant le déplacement de la surface d'interaction (1).
13. Dispositif comprenant un écran tactile et un dispositif haptique selon l'une des revendications précédentes.
14. Procédé de simulation d'un déplacement d'un bouton virtuel comprenant :
- une étape de quantification d'un degré d'activation musculaire produite par un utilisateur appliquant un effort mécanique sur une surface d'interaction (1),
- une étape de déplacement de la surface d'interaction (1) selon une loi périodique fonction du degré d'activation musculaire.
15. Procédé de simulation d'un déplacement d'un bouton virtuel selon la revendication 14, dans lequel l'étape de quantification du degré d'activation musculaire comprend la détermination de l'effort mécanique appliqué par l'utilisateur sur la surface d'interaction (1).
16. Programme d'ordinateur comprenant des instructions qui, lorsqu'elles sont exécutées par un processeur, mettent en œuvre le procédé selon l'une des revendications 14 et 15.
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| FR3035525A1 (fr) | 2016-10-28 |
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