WO2021116249A1 - Procédé de génération de sensations tactiles localisées sur une surface et interface haptique mettant en oeuvre ce procédé - Google Patents

Procédé de génération de sensations tactiles localisées sur une surface et interface haptique mettant en oeuvre ce procédé Download PDF

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WO2021116249A1
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region
actuators
regions
actuator
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PCT/EP2020/085433
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Damien FAUX
Vincent Hayward
Michael WIERTLEWESKI
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Actronika
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    • G06F3/0354—Pointing devices displaced or positioned by the user, e.g. mice, trackballs, pens or joysticks; Accessories therefor with detection of 2D relative movements between the device, or an operating part thereof, and a plane or surface, e.g. 2D mice, trackballs, pens or pucks
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    • G06F3/041—Digitisers, e.g. for touch screens or touch pads, characterised by the transducing means
    • G06F3/0416—Control or interface arrangements specially adapted for digitisers

Definitions

  • TITLE Method for generating tactile sensations localized on a surface and haptic interface implementing this method
  • the present invention relates to a method for generating tactile sensations intended to be felt by the user of a haptic interface comprising a surface.
  • the invention also relates to such a haptic interface implementing this method.
  • the invention finds applications in the fields of haptics to provide tactile sensations to users of haptic interfaces and, in particular, in fields where a haptic interface can be shared between several users or shared between several fingers of a alone or with several hands, such as for example the interfaces of motor vehicles, collaborative interfaces, portable wireless communication devices, or portable computers and derived devices such as touch tablets.
  • a haptic interface also called a tactile interface - to simulate, in particular, the relaxation of a key, the manipulation of a wheel, the felt of a texture or of discrete elements when the user is in mechanical contact with the haptic interface, for example when he exerts pressure on the contact surface of the haptic interface or moves his finger on this surface.
  • a tactile interface to simulate, in particular, the relaxation of a key, the manipulation of a wheel, the felt of a texture or of discrete elements when the user is in mechanical contact with the haptic interface, for example when he exerts pressure on the contact surface of the haptic interface or moves his finger on this surface.
  • actuators fixed on a touch screen or on the glass, metal, polymer, or even wood surface, so as to move the touch screen by small rapid movements, generated in response to an action. driving force of the user.
  • haptic interfaces are intended to be used with several fingers of a single person and of several people who share the use thereof, such as for example the interfaces of motor vehicles, document sharing screens, or even front panels of control panels for industrial devices, medical devices, household appliances, cash registers, public ticket machines, cash withdrawals, or taking orders in catering establishments, casino machines , devices for viewing, listening to sound documents or mixing sound tracks, personal computers, portable mobile phones, e-readers, computer tablets, or all other kinds of so-called connected devices.
  • haptic interface manufacturers and researchers have proposed different methods which can be categorized into four classes.
  • Patent application US 2018 081 438 describes an arrangement similar to the previous descriptions but which differs in the mode of transmission of the force from the actuators to the outer surface.
  • the patent application US 20 180 081 44 also describes a similar arrangement where there is explicit mention of a flexible outer layer.
  • Patents FR 3,076,017 and WO 2019 122762 describe a method for a haptic interface or a plurality of actuators distributed regularly over the entire surface and where the transfer function in the frequency domain is obtained between each actuator and each region of the interface. This transfer function is reversed according to a method known in the field of signal processing and the control of multiple input and multiple output processes. This problem has been studied for more than a century (for example: Poincaré, H. 1907.
  • a third class of methods for generating tactile sensations localized to a region of a surface proposes to take into account the behavior of the waves in thin plates to cause differentiated oscillations in several regions of a surface.
  • the patent application US 2015 013 8157 proposes to excite the primary modes of the plate in order to make it oscillate differently in large regions.
  • the method employs two sets of actuators controlled separately. The first set is intended to excite certain modes of oscillation of the plate to make it vibrate in a certain area. The second set is intended to make the plate vibrate in another area, partly to attenuate unwanted vibrations but above all to transform the plate into an acoustic radiator.
  • US Patent 9,449,476 describes a method which relies on the propagation of bending waves in a thin plate and where the actuators are remote from the zone to be excited. This method is also based on the detection of ultrasonic oscillations in order to measure the variations thereof due to the disturbances of a finger in contact in order to determine the region in question.
  • a fourth class of methods employs various electrical and mechanical devices to cause tactile stimulation in one region without causing sensations in the others.
  • Patent application US 2008 006 8334 describes a method according to which the surface intended to stimulate a finger consists of regions having different stiffnesses so that the stimulation is more intense where the surface is more flexible.
  • Patent application US 2008 010 0568 similarly, proposes to design the mechanical properties of a shell so as to cause artificial tactile sensations localized in certain regions.
  • Patent application WO 2018 178 582 describes a method comprising a plurality of actuators capable of causing the presence of non-radiative ultrasonic waves in a thin plate intended to perform local acoustic lubrication of the surface in the vicinity of each actuator.
  • US Patent 8,174,372 describes a haptic interface where the stimulating surface is an elastic membrane. When a finger presses on this membrane, the latter deforms to come into contact with a rigid counter surface indicating on the one hand the presence of a finger and on the other hand allowing the transmission of mechanical oscillations to this finger.
  • Patent EP 2 742 410 describes a haptic surface intended to cause artificial tactile sensations using the principle of skin adhesion by an alternating electrostatic field (E. Mallinckrodt, AL Hughes, and W. Sleator. 1953. Perception by the skin of electrically induced vibrations, Science, vol. 118, no. 3062, pp. 277-278). In this process, discrete electrodes distributed over the entire surface and activated separately make it possible to cause localized sensations according to a principle similar to that described in the publication H. Tang and D. Beebe. 1998. A microfabricated electrostatic haptic display for persons with Visual impairments. IEEE Transactions on rehabilitation engineering, 6 (3): 241 - 248.
  • the scientific literature also includes studies the aim of which is to optimize the local character of the oscillations caused in a thin plate from a plurality of exciters.
  • These numerous actuators, excited at a single frequency of 300 Hz, can drive a large number of modes whose weighted superposition creates a specific oscillation zone just above the human detection threshold for oscillations.
  • a haptic interface requiring a small number of actuators, controlled so as to generate movements at any point of the touch screen except at a neutral point, or a set of superimposed neutral points.
  • the haptic interface implements a computer program making it possible to calculate the instantaneous forces which cause a rigid portion of the interface to rotate around the neutral point, or around a set of superimposed neutral points and which give a desired acceleration to another point or set of points of the rigid portion.
  • the application of the principle of linear superposition applicable to small displacements of solid bodies makes it possible in particular to simultaneously produce one sensation in one finger and another sensation in another finger, whether transient or persistent.
  • the present invention provides an alternative to the method disclosed in patent application FR1900554, in which small displacements evolving over time are generated in at least two regions separated from a contact surface.
  • the method of the present invention is based on the principle of linear superposition applicable to all small displacements of solid bodies. It makes it possible to determine actuation signals applicable to a limited number of actuators capable of causing small displacements of solid bodies, including those corresponding to the bending modes of the plates as well as those corresponding to the modes resulting from the establishment of standing waves.
  • the invention relates to a method of generating a tactile sensation intended to be felt by a user in contact with a contact surface of a haptic interface, comprising an operation of simultaneous transmission of a first control signal for controlling a first actuator and a second control signal for controlling a second actuator, simultaneously with the first actuator, the first and second actuators being integral with the contact surface and causing a displacement of said contact surface , characterized in that: the first control signal comprises a first time change ensuring a first time change in a first region of the contact surface, and providing a second time change in a second region of the contact surface, the second control signal includes a second change temporal ensuring the first region of the contact surface a second temporal evolution, and ensuring a second temporal evolution for the second region of the contact surface, and where the first control signal and the second control signal are such that the temporal evolution of the first region of the contact surface is described by a desired function of time distinct from another desired function of time describing the temporal evolution of the second region of the
  • This method makes it possible to generate distinct tactile sensations, simultaneously, in several locations of the portion of a touch screen.
  • the method comprises one or more additional actuators comprising an operation of simultaneous transmission of one or more additional control signals to control one or more additional actuators simultaneously to the first actuator and second actuator, the additional actuators being integral with the contact surface and causing a displacement of said contact surface, and the additional control signals each comprise additional temporal evolutions ensuring to a first region of the contact surface and to a second first region of the contact surface temporal evolutions additional.
  • the method according to one aspect of the invention may have one or more additional characteristics among the following, considered individually or according to any technically possible combination: it comprises a or more additional contact regions receiving additional temporal evolutions originating from additional actuators and characterized in that the total number of actuators is equal to or greater than the total number of regions. it comprises a weighted combination of a first dynamic warping, generated by the first actuator under the effect of the first control signal, and of a second dynamic warping generated by the second actuator under the effect of the second control signal.
  • the first control signals and the second control signals are determined by means of the following operations: a) identification, for each of the actuators and each of the regions of the contact surface , a frequency spectrum representing the weighting as a function of the frequency of the effect of the actuator on any region of the contact surface; b) calculation of the inverse matrix H 1 22 of the matrix of spectra H22 associating the first region and the second region, with the first actuator and with the second actuator; c) multiplication of the inverse matrix H _1 22 by the matrix U21 obtained by stacking the frequency spectra Ui and II2 resulting from transformation from the time domain to the frequency domain of the desired displacements, (u1 and u2) of the contact surface in the regions ( Z1 and Z2); d) transformation in the time domain of the products obtained in step c); e) application to actuators.
  • the first control signals, the second control signals and any additional signals are determined by means of the following operations: f) identification, for each of the actuators and each of the regions of the contact surface, of a frequency spectrum representing the frequency weighting of the effect of the actuator on any region of the contact surface; g) extraction of the lines corresponding to regions a and b from the matrix of spectra Hy associating each region (i) with each actuator (j) and stacking said lines corresponding to regions a and b in a single matrix H ( a p) j; h) calculation of the pseudo inverse matrix H + j ( a p) of H ( a p) j; i) multiplication of the pseudo inverse matrix H + j ( a p) by the matrix II (ab) ⁇ obtained by stacking the frequency spectra Ua and Up resulting from transformation from the time domain to the frequency domain of the desired displacements, u a and up, of the contact surface in regions a
  • the first control signals, the second control signals are determined by means of the following operations: r) identification, for each of the actuators and each of the regions of the contact surface, a frequency spectrum representing the weighting as a function of the frequency of the effect of the actuator on any region of the contact surface; s) calculation of the inverse matrix H 1 ⁇ 22 of the matrix of spectra H22 associating the first region and the second region, with the first actuator and with the second actuator; t) transformation in the time domain of the products obtained in step s); u) matrix convolution of the product of step t) by the stacking of the desired displacements.
  • the first control signals, the second control signals and any additional control signals are determined by means of the following operations: w) identification, for each of the actuators and each regions of the contact surface, of a frequency spectrum representing the weighting as a function of the frequency of the effect of the actuator on any region of the contact surface; x) extraction of the lines corresponding to regions a and b from the matrix of spectra Hy associating each region (i) with each actuator (j) and stacking said lines corresponding to regions a and b in a single matrix H ( a p) j; y) calculation of the pseudo inverse matrix H + kab) of H ( a p) j; z) transformation in the time domain of the products obtained in step y); aa) matrix convolution of the product of step z) by the stacking of the desired displacements; bb) application to actuators.
  • the first control signals, the second control signals and any additional control signals are determined by means of the following operations: cc) identification, for each of the actuators and each of the regions of the contact surface, a frequency spectrum representing the weighting as a function of the frequency of the effect of the actuator on any region of the contact surface; dd) extraction of the lines corresponding to regions a and b and additional regions resulting from the matrix of spectra Hy associating each region (i) with each actuator (j) and stacking said lines corresponding to regions a and b and with additional regions in a single matrix H Cj ; ee) calculation of the pseudo inverse matrix H + j C of H Cj ; ff) transformation in the time domain of the products obtained in step ee); gg) matrix convolution of the product of step ff) by the stacking of the desired displacements; hh) application to actuators.
  • a second aspect of the invention relates to a haptic interface implementing the above method, characterized in that it comprises: a contact surface (110) equipped with a device for detecting and locating at least one point of contact between at least one user (101) and said contact surface; at least two actuators (120) integral with the rigid portion, mounted at a distance from each other and adapted to be actuated simultaneously in order to generate at least one displacement (D) of said rigid portion; and a processing unit (130) suitable for controlling each actuator (120) with a different time evolution.
  • the haptic interface comprises a frame in which the contact surface is mounted.
  • the contact surface is connected to the frame via the viscoelastic suspension means.
  • the contact surface is rigidly embedded over its entire periphery on a frame.
  • the contact surface is partially embedded on a frame. According to some embodiments, the contact surface is in a condition of embedding free edges.
  • a third aspect of the invention relates to an interactive electronic device, characterized in that it comprises a haptic interface as defined above.
  • Figure 1 schematically shows a view of a haptic interface according to the invention with a user in contact by two fingers with said interface.
  • Figure 2 shows a front view of the contact surface showing a possible arrangement of actuators around the perimeter as well as areas of interest and a processing unit.
  • Figure 3 shows a schematic top view of a haptic interface according to one embodiment of the invention, in which four actuators act in the angles of the contact surface and bear on the frame, the normal direction being conventionally directed in the Z direction.
  • Figure 4 shows a schematic view of a haptic interface according to one embodiment of the invention where two actuators act in the direction normal to the contact surface and two actuators exert bending forces on the plate.
  • Figure 5 shows an embodiment where four actuators exert bending forces on the plate in various directions.
  • Figure 6 shows an embodiment where four actuators exert bending forces on the plate and are positioned near the edges of the surface, between two angles.
  • FIG. 7 shows an embodiment in which four actuators exert a thrust in the normal direction causing a rigid displacement of the contact surface if the displacement is at low acceleration and causing, during a strong acceleration, a main mode of bending where the plate temporarily adopts a convex or hollow shape.
  • Figure 8 shows an embodiment in which four actuators exert thrusts in the normal direction capable of causing a pivoting movement about an axis of the contact surface so that a finger in contact with this surface on a line will not receive any tactile signal while a touching finger away from that line will receive a signal.
  • FIG. 9 shows an embodiment in which the four actuators exert thrusts in the normal direction capable of causing bending of the contact surface under the effect of forces.
  • FIG. 10 represents an embodiment in which the four actuators exert static or dynamic bending forces in the contact surface causing static or dynamic warping of this surface.
  • FIG. 11 represents, for exemplification purposes, the dynamic warping of a contact surface under the effect of a single actuator excited by a short pulse and located in one of its angles that the one can compare to the effect of another actuator excited by the same impulse but located in another angle.
  • Figure 12 shows, also for illustrative purposes, the spectra of the influence of four actuators located at the four angles of a contact surface on the same point.
  • Figure 13 shows the steps of a method of determining the excitation signals of four actuators to produce distinct movements desired simultaneously in two different regions when these regions are known in advance.
  • Figure 14 shows the steps of a method of determining the excitation signals of four actuators to produce desired distinct displacements simultaneously in two different regions as these regions vary over time.
  • FIG. 15 shows, at the end of the steps of FIGS. 13 or 14, how a weighted combination over time of the dynamic warps caused by the four actuators excited by specific waveforms can reconstruct at a desired point, a, a desired waveform, here a Ricker wavelet, while simultaneously, another desired point, b, remains stationary. Other points on the surface are free to move without affecting the tactile functioning of the haptic interface.
  • FIGS 1 and 2 show examples of a haptic interface according to the invention.
  • This haptic interface 100 comprises: a contact surface 110 via which the user 101 can interact with the haptic interface 100, actuators 120 which make it possible to generate small movements of the contact surface 110, and a processing unit 130 which allows, in particular, to control the actuators 120.
  • the contact surface 110 is the face through which the user comes into contact with the haptic interface.
  • This can be the face of a thin flexible plate, for example made of a transparent material, of rectangular shape, as shown in FIG. 2.
  • the contact surface can take other shapes than rectangular. , such as for example circular, triangular or trapezoidal.
  • the contact surface may also take other shapes than that of a thin flexible plate. It can be, for example, a shell in the form of a ruled surface. It can also be a part of arbitrary shape, such as having warped surfaces. These arbitrary shapes will also allow flexions and displacements of the shell under the effect of the action of actuators.
  • the contact surface 110 further comprises a device for detecting and locating the contact - or proximity - of the user and determines the coordinates and can further estimate the size of the contact area.
  • the contact surface may also include a device for measuring the force applied by the user. Such devices for detecting, locating the contact and measuring the force are well known in the field of tactile surfaces and will therefore not be described in more detail.
  • the invention will be described for a number of four actuators and for two distinct zones or regions. It is understood that the method can be applied to a number of actuators other than four, for example two, three, five, six, seven or eight, while remaining a small number compared to the prior arts described above. Likewise, the method can be applied to a number of regions (or zones) other than two, for example three, four, etc.
  • two fingers of the user 101 are in contact, simultaneously, with two separate zones Z1 and Z2 of the contact surface 110 of the haptic interface 100.
  • Each zone Z1 and Z2 are portions of the contact surface with which the user 101 is in mechanical contact.
  • the user 101 is directly in a tactile interaction with the haptic interface 100 by touching, pressing, or sliding with his fingers on the contact surface.
  • the user 101 can be in tactile contact with the haptic interface 100 by means of a single finger, several fingers or another part of his body. It can also be in contact with the haptic interface 100 indirectly, by means of suitable equipment such as a stylus or a touch-sensitive glove.
  • suitable equipment such as a stylus or a touch-sensitive glove.
  • the remainder of the description will be given for the example of a first and a second finger of a user, it being understood that it may be another part of the user's body or a suitable equipment.
  • the examples given with reference to the first and second fingers of a user can be extended to several fingers or points of contact of the same user or on a finger or point of contact of a first user and a finger or point of contact of a second user.
  • the zone of the contact surface can be a single point or be a set of contiguous or discrete zones such as in the example of figure 1.
  • the actuators 120 act on the contact surface 110 and are configured to apply small displacements to said contact surface either in a tangential direction, or in a normal direction, or by a torque as explained later.
  • the actuators 120 are mounted so as to be integral with the thin plate, one face of which is the contact surface 110.
  • the actuators 120 at least two in number, are positioned at a distance from each other. They can, for example, be positioned diagonally with respect to each other when the contact surface 110 is rectangular in shape or diametrically opposed if the contact surface is circular.
  • the actuators 120 are in a number greater than two, for example three, four, or more, said actuators are distributed over the periphery of the contact surface 110. In the example of FIG. 2, the actuators are numbered. four and are each positioned in an angle of the contact surface 110.
  • Those skilled in the art will understand that several positions of the actuators can be envisaged, provided that said actuators are sufficiently distant from each other to effect different displacements and deformations. of the thin plate
  • the haptic interface comprises viscoelastic suspension means configured to allow small displacements, either in the normal direction or in the tangential direction.
  • the suspension means are adapted to allow small displacements of the thin plate.
  • These viscoelastic suspension means can be linked, for example, to a fixed frame 180 shown in FIG. 3.
  • the viscoelastic suspension means can be, for example, gaskets made of rubber and / or elastomer, honeycombed or not, fixed. for example by means of a viscoelastic adhesive layer so as to connect the thin plate to the frame of the haptic interface.
  • the contact surface is a face of a thin plate bonded by adhesion to a frame, open or not, acting as a frame. The contact surface is then able to provide haptic sensations thanks to small movements around an average position.
  • the contact surface 110 is rigidly embedded in a frame.
  • the flexible plate is partially embedded in the frame.
  • the flexible plate is in an edge-free embedding condition.
  • the processing unit 130 ensures the processing of the data received from the detection and location device and controls the actuators 120.
  • the processing unit implements a method for coordinating the actuators, configured to cause transient movements or oscillating of the contact surface around a neutral state and controlling a mechanical excitation signal - also called a control signal - variable over time, at each actuator 120.
  • the processing unit 130 also implements , a method of managing interactions so that two different sensations are perceived differently by two users or two fingers of the same hand depending on the use that is to be allowed.
  • Well-known examples of such uses, among many, are to change the magnification factor of an image or to cause a virtual dial to rotate in the plane of the contact surface.
  • the haptic interface described above implements a method for generating tactile sensations.
  • This method allows the user to feel tactile sensations at each point of contact of the user with the contact surface.
  • the method of the invention allows the user 101 to feel haptic sensations in each of the two fingers in contact with the contact surface, the tactile sensations possibly being different in one finger and in the other.
  • several users can be in contact simultaneously with the haptic interface, the haptic interface then being able to provide tactile sensations to each of the different users even when the latter are simultaneously in contact. with said haptic interface.
  • the tactile sensations are generated by the actuators 120 controlled and controlled by the processing unit 130.
  • This processing unit 130 implements computer programs for controlling and controlling the actuators 120 in order to cause displacements of the thin plate, one face of which is the contact surface.
  • An important case of this piloting is when it is desired to cause tactile sensations in a finger without stimulating another finger which is also in contact with the same surface. This other finger will therefore be in interaction with a neutral zone.
  • the method of the invention is intended to generate a displacement of the touch surface providing the user with a first tactile sensation in a first finger at the instant when his first finger comes into contact with the haptic interface and , at the same time, a second tactile sensation in his second finger at the moment when his second finger comes into contact with the tactile interface, one of the two being able to be neutral or the two feelings being able to be different.
  • the tactile surface is the surface of a thin plate which can be moved in a bidirectional XY frame or in a tri-directional XYZ frame. A deformation of the thin plate, as shown in Figures 9 to 11, is called tri-directional displacement.
  • the method according to the invention proposes, in response to a first contact with the contact surface, to generate a first control signal ensuring a displacement or a deformation of the touch surface as a whole and, in response to a second contact with the contact surface, to generate a second control signal ensuring the cancellation or modification of the displacement or deformation of the touch surface at one of the two contact points (i.e. one of the contacts between one finger and the touch surface).
  • the processing unit 130 implements a method of coordinating the actuators 120 configured to take advantage of the principle of linear superposition of the signals which applies in the case of small movements of solid bodies. This makes it possible in particular to simultaneously produce one sensation in one finger and another sensation in another finger, whether transient or persistent, as described above.
  • actuators 120 Two examples of touch screens are shown in Figures 3 and 4 with different configurations of actuators 120.
  • the actuators 120 apply forces on the thin plate in the Z direction normal to the contact surface 110.
  • the actuators 120 apply torsional moments on the thin plate about a direction tangent to the contact surface 110.
  • Each actuator 120 is mounted integral with the thin plate, in a contact surface angle.
  • Such actuators can include a magnetic circuit which interacts with one or more coils and can adopt a very large number of configurations: planar, radial, axial, etc. These motors can apply a force to the thin plate by resting on a base or by acting on a weight by applying the principle of conservation of angular momentum.
  • piezoelectric actuators are rigid, they are suitable for causing bending displacements in a thin plate in monomorphic or bimorphic configurations.
  • the actuators are configured in opposite pairs and are oriented to facilitate small displacements and small deformations of the thin plate over a wide frequency range.
  • the intensity of each of the forces is determined by the processing unit 130 so that the combined action of said forces of the various actuators 120 makes it possible to cause the desired movements which evolve over time in designated zones of the contact surface.
  • Figures 5 and 6 show that actuators can be configured to cause flexions in different directions and from different locations. In particular, FIG.
  • FIG. 5 shows an embodiment where four actuators 120 are positioned in the corners of the contact surface 110 and exert bending forces on the plate in various directions.
  • FIG. 6 shows an embodiment where four actuators 120 are positioned near the edges of the contact surface, between two angles of said surface - for example halfway between two consecutive angles - and exert bending forces on the plate .
  • FIG. 7 shows a simple example of such a movement where the four actuators 120, under the effect of four identical controls, move the thin plate in the Z direction normal to the contact surface 110.
  • Associated rapid movements at high accelerations can give rise to inertial forces sufficient to cause deformation of the thin plate and therefore of the contact surface 110 in the form of a convex or concave bulge depending on their sign.
  • Those skilled in the art will recognize in this deformation the excitation of a main mode superimposed on a movement of a rigid body such as it is described in the treatises of structural mechanics.
  • the geometry of the modes strongly depends on the embedding conditions of the thin plate which can be simple or complex, giving rise to a very wide variety of deformation geometries.
  • FIG. 8 represents an embodiment similar to that of FIG. 3, but in which four actuators 120 exert thrusts, in the normal direction Z, capable of causing a pivoting movement about an axis of the contact surface so such as a finger in contact with this surface, on a line 140, will not receive any tactile signal while a finger in contact away from this line 140 will receive a signal.
  • Figure 8 shows how a combination of commands to the four actuators 120 can cause the thin plate to pivot about an axis contained in the contact surface, thereby causing the displacement along a line 140 to be canceled. A finger in contact with the location 150 will therefore not be touchingly stimulated while a finger in contact with the location 160 will be.
  • FIGS. 9 and 10 show intuitively how certain combinations of actuator controls acting in the direction normal to the thin plate, or which apply torsional forces to it, can cause quasi-static deformations of this thin plate which are caused by add simple or higher order dynamic deformation modes.
  • FIG. 9 shows an embodiment in which the four actuators 120 exert thrusts in the normal direction capable of causing bending of the contact surface 110 under the effect of forces.
  • FIG. 10 shows an embodiment in which the four actuators 120 exert static or dynamic bending forces in the contact surface 110 causing a static or dynamic warping of this surface.
  • FIG. 11 shows a real example of the instantaneous deformation of a thin plate capable of being used in a haptic interface, in this case free around its periphery, when a first actuator A1 applies an impulsive force to it and when a second actuator A2 applies the same impulse force to it insofar as the two actuators A1 and A2 are distant from each other. If both impulse forces were applied simultaneously, the instantaneous deformation of the thin plate would be the sum of the two instantaneous deformations.
  • FIG. 12 shows the real case of a haptic interface where such spectra are represented by curves 210 whose vertical deviation measures the influence of each of four actuators on a point a of the contact surface as a function of the frequency d excitation varying from 0 to 1000 Hz.
  • H tj Ui / S j
  • the Ui are the spectra of the displacements of the i regions of the thin plate and the Sj are the control signals of the j actuators.
  • spectra can be obtained routinely if one measures the region shifts of the thin plate, for example, by optical vibrometry, by placing accelerometers in the regions of interest, or by other methods.
  • FIG. 13 represents the steps of a method for determining the control signals of four actuators making it possible to produce the desired distinct movements simultaneously in two different regions when these regions are known in advance.
  • the method implemented by the haptic interface 100 allows the management of multiple stimulations. If, for example, the haptic interface detects the presence of a first finger at a location a, of the contact surface 110 which is to be stimulated and a second finger is detected at another location b, which should also be then stimulated, the processing unit 130 is able to apply the calculations indicated in FIG. 13. In FIG.
  • step 302. the evolution of the displacements u a and u desired at the locations of the regions a and b are extracted from the memory of the calculation unit 130 or are calculated as a function of data external to step 301 and their spectra Ua and U calculated in step 302.
  • This calculation can be carried out by the fast Fourier transform method also known under the name of discrete Fourier transform (DFT).
  • DFT discrete Fourier transform
  • step 302 is optional if these signals are known in advance, in which case their discrete spectra can be precomputed and stored by the processing unit 130.
  • the lines Haj H j are then extracted at step 303 of the matrix of spectra F1 and combined into a submatrix H ( a p) j.
  • This matrix of spectra has, for example, four columns and two rows if the haptic interface has four actuators and two region locations are selected. Each spectrum contained in the matrix has a length equal to the number of points resulting from the DFT.
  • Step 304 proceeds to the calculation of the matrix H + j ( a ) pseudo inverse of the matrix H ( a p) j for each frequency at which the spectra are known.
  • This pseudo inverse can be calculated in the sense of Moore-Penrose as is well known to those skilled in the art, which in this case minimizes the Euclidean norm of the values resulting from their product by a vector. It is also known to those skilled in the art that other pseudo-inverse matrices can be calculated in order to optimize other criteria by minimizing other standards.
  • step 305 the pseudo inverse matrix is multiplied by the matrix with two rows and a column U ( Q p) i composed of the spectra Ua and Up.
  • step 306 the inverse Fourier transform is applied to the matrix product of H + j ( a p) by U ( a p) i in order to synthesize the evolution over time of the four signals for each of the four actuators. These changes are applied to the actuators in step 307 by the processing unit 130.
  • steps 303, 304, 305 and 306 are optional if the data is known in advance; in this case, the results of each step can be precomputed and stored by the processing unit 130.
  • FIG. 14 represents the steps of a method for determining the control signals of four actuators making it possible to produce the desired distinct movements simultaneously in two different regions when the location of these regions varies over time.
  • FIG. 14 shows a chain of calculations or pre-calculations similar to that of FIG. 13 with steps 401, 402, 403 and 404 identical to steps 301, 302, 303 and 304 of the FIG. 13.
  • steps 405 and 406 are performed in the time domain rather than in the Fourier domain.
  • This chain of calculations and pre-calculations is appropriate in the case where the locations a and b are not known in advance and where the temporal evolution of the signals must be updated in real time.
  • the vectors resulting from step 405 are called convolution kernels, h + aj and lr3 ⁇ 4, forming a kernel H + j ( a ), which can be calculated in real time or precomputed.
  • FIG. 15 shows the result of the application of the processing chains of FIGS. 13 and 14. It shows how, over time, dynamic warping caused by the four actuators excited by specific waveforms can reconstruct desired displacements D so that, at a desired point a, a desired waveform (here a Ricker wavelet), while, simultaneously, another desired point b remains motionless. Other points on the surface are free to move without affecting the tactile functioning of the haptic interface.
  • the movements of a thin plate deformed by the action of four actuators are shown at times 501, 502, 503, 504, 505 and 506 and where the locations a and b are indicated.
  • the method of generating tactile sensations of the invention and the haptic interface implementing this method include various variants, modifications and improvements which will be evident to those skilled in the art, it being understood that these variants, modifications and improvements form part of the scope of the invention.

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Abstract

L'invention concerne un procédé de génération d'une sensation tactile destinée à être ressentie par un utilisateur (101) en contact en deux régions distinctes avec une surface de contact (110) d'une interface haptique (100), comportant une opération d'émission simultanée d'un premier signal de commande pour commander un premier actionneur (120) et d'un deuxième signal de commande pour commander un deuxième actionneur (120), simultanément au premier actionneur, les premier et deuxième actionneurs étant solidaires de la surface de contact et provoquant des déplacements de ladite surface de contact, caractérisés en ce que les premiers et deuxième actionneurs déterminent une superposition de déplacements de la surface de contact (110) telle que les déplacements des deux régions désignées de la même surface de contact suivent des trajectoires prédéterminées indépendantes l'une de l'autre. Le procédé de l'invention est applicable avec les mêmes caractéristiques dans le cas où le nombre de d'actionneur et plus grand que deux et dans le cas où le nombre de régions est plus grand que deux, tant que le nombre total d'actionneurs est plus grand que le nombre de régions. L'invention concerne aussi une interface haptique (100) mettant en œuvre ce procédé.

Description

DESCRIPTION
TITRE : Procédé de génération de sensations tactiles localisées sur une surface et interface haptique mettant en œuvre ce procédé
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
[0001] La présente invention concerne un procédé pour générer des sensations tactiles destinées à être ressenties par l’utilisateur d’une interface haptique comportant une surface. L’invention concerne également une telle interface haptique mettant en oeuvre ce procédé. L’invention trouve des applications dans les domaines de l’haptique pour procurer des sensations tactiles aux utilisateurs d’interfaces haptiques et, en particulier, dans les domaines où une interface haptique peut être partagée entre plusieurs utilisateurs ou partagée entre plusieurs doigts d’une seule ou de plusieurs mains comme par exemple les interfaces des véhicules automobiles, les interfaces collaboratives, les dispositifs portables de communication hertzienne, ou les ordinateurs portables et dispositifs dérivés tels que les tablettes tactiles.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
[0002] Il est connu, dans le domaine haptique, de chercher à produire ou reproduire, au moyen d’une machine, les sensations du toucher ressenties par une personne.
[0003] Il est connu, en particulier, de procurer des sensations tactiles à l’utilisateur d’une interface haptique - appelée également interface tactile - pour simuler, notamment, la détente d’une touche, la manipulation d’une molette, le ressenti d’une texture ou d’éléments discrets lorsque l’utilisateur est en contact mécanique avec l’interface haptique, par exemple lorsqu’il exerce une pression sur la surface de contact de l’interface haptique ou déplace son doigt sur cette surface. Il existe, dans l’état de l’art, plusieurs systèmes qui permettent de générer ces sensations tactiles. Ces systèmes comportent souvent un ou plusieurs actionneurs fixés sur une dalle tactile ou sur la surface en verre, en métal, en polymère, ou même en bois, de sorte à déplacer la dalle tactile par des petits déplacements rapides, générés en réponse à une action motrice de l’utilisateur. Ces systèmes, lorsqu’ils reproduisent suffisamment fidèlement les signaux mécaniques naturels, permettent à l’utilisateur de ressentir des sensations tactiles réalistes. Un exemple bien connu est lorsque l’utilisateur presse la surface de contact de la dalle tactile et que celle-ci répond à la pression par un bref déplacement, alors cet utilisateur a la sensation d’actionner un bouton. Si l’utilisateur glisse le doigt sur la surface de contact et que la dalle tactile répond par certaines oscillations rapides, alors l’utilisateur a la sensation de toucher une texture.
[0004] Toutefois, si ces systèmes permettent de produire une sensation tactile lorsqu’un doigt de l’utilisateur entre en contact avec la surface de contact de l’interface haptique, la sensation haptique n’est plus ressentie clairement dès lors que l’utilisateur a plusieurs doigts en contact avec la même surface de contact ou si plusieurs utilisateurs sont en contact avec la même surface de contact.
[0005] Or, certaines interfaces haptiques sont destinées à être utilisées avec plusieurs doigts d’une seule personne et de plusieurs personnes qui en partagent l’usage, comme par exemple les interfaces des véhicules automobiles des écrans de partage de documents, ou encore des faces frontales de panneaux de commande pour des appareils industriels, des appareils médicaux, des appareils ménagers, des caisses enregistreuses, des distributeurs publiques de tickets, de retrait d’argent, ou de prises de commandes dans les établissements de restauration, des machines de casinos, des appareils de visionnement, d’écoute de documents sonores ou de mixage de pistes sonores, des ordinateurs personnels, des téléphones mobiles portables, les liseuses électroniques, des tablettes informatiques, ou toutes autres sortes de dispositifs dits connectés.
[0006] Pour répondre à ce besoin, les fabricants d’interfaces haptiques et les chercheurs ont proposé différents procédés qui peuvent être catégorisés en quatre classes.
[0007] Ceux de la première classe utilisent une source d’énergie mécanique séparée pour chaque région de la surface stimulante. Dans cette classe, le brevet US 7 148 789 décrit un appareil téléphonique portable où plusieurs actionneurs électromagnétiques sont assignés aux doigts d’une main saisissant l’appareil. La demande de brevet WO 2009/085060 décrit une surface dotée de plusieurs actionneurs pouvant être activés indépendamment les uns des autres. La demande de brevet US 20 100 156 818 A1 décrit une surface d’interaction tactile déformée par plusieurs actionneurs piézoélectriques supposés n’agir que dans leur voisinage afin de procurer des sensations distinctes à plusieurs doigts. Le brevet US 7973 769 décrit une surface destinée à produire des sensations tactiles confinées à des régions isolées du reste de la surface par un matériau élastique et où chaque région peut être excitée par un actionneur distinct. Le brevet US 8 339 250 décrit aussi un appareil téléphonique portable dont la face antérieure comporte des éléments flexibles excités par des moyens d’actionnement individuels. Le brevet US 8390 594 décrit une surface composée de plusieurs couches destinées à être en contact avec des doigts. Une couche intermédiaire est faite d’une matrice de matériau élastomère dans lequel est inclus un tableau d’actionneurs piézoélectriques qui peuvent agir sur la couche externe. Le brevet US 9 164 586 décrit un arrangement similaire avec la différence que les actionneurs font appel à des polymères électroactifs basés sur le principe de l’électrostriction. Le brevet US 9 448 628 décrit un clavier alphanumérique où chaque touche est associée à un actionneur non spécifié, configuré pour déformer une couche élastique externe. Le brevet US 9 600 071 décrit une surface tactile similaire avec la différence que les actionneurs sont du type électrodynamique. La demande de brevet US 20 180081 438 décrit un arrangement similaire aux descriptions précédentes mais qui diffère par le mode de transmission de l’effort des actionneurs à la surface extérieure. La demande de brevet US 20 180 081 44 décrit aussi un arrangement similaire où il est fait mention explicite d’une couche externe flexible.
[0008] Pour remédier aux limitations des interfaces haptiques conçues pour procurer des sensations tactiles spécifiques à des régions confinées dues à la propagation des excitations mécaniques dans les structures, les procédés cités ci- dessus font souvent appel à des moyens d’isolation mécaniques d’une région à l’autre. Ces moyens ont à leur tour l’inconvénient de rendre la fabrication de telles interfaces plus complexes. Pour remédier à ce dernier inconvénient, une seconde classe de procédés utilise une pluralité d’actionneurs répartis sur une surface où chaque actionneur excite préférentiellement l’une des régions de la surface alors que les autres actionneurs sont employés à amortir ou annuler les déplacements des régions où ces déplacements ne sont pas désirés. Le brevet US 8 378 797 décrit une interface haptique reposant sur ce procédé par application, dans chaque région où les d’oscillations doivent être atténuées, d’oscillations dont la phase est opposée à l’oscillation non désirée. Cependant ce brevet reste muet sur le fait que les oscillations atténuantes influencent aussi les autres régions de la surface. Le brevet US 8 593409 repose sur un procédé semblable au précédent avec la différence qu’il est fait mention du phénomène de propagation des ondes issues d’actionneurs résonnants à fort coefficient de qualité Q dans une surface flexible. Il en découle qu’un tel procédé est, par construction, strictement limité en résolution temporelle et ne possède aucune résolution dans le domaine fréquentiel. Le brevet US 8 686 952 décrit un procédé semblable mais reste silencieux quant à la manière dont sont combinés les signaux issus de différents actionneurs en fonction des lois de la mécanique des ondes. Le brevet US 8 890 668 décrit un procédé semblable à celui du brevet US 8 378 797 auquel il apporte des clarifications mineures. Les brevets FR 3 076 017 et WO 2019 122762 décrivent un procédé pour une interface haptique ou une pluralité d’actionneur répartis régulièrement sur toute la surface et où la fonction de transfert dans le domaine fréquentiel est obtenue entre chaque actionneur et chaque région de l’interface. Cette fonction de transfert est inversée selon un procédé connu dans le domaine du traitement du signal et de la commande des procédés à entrées multiples et sorties multiples. Ce problème a été étudié depuis plus d’un siècle (par exemple : Poincaré, H. 1907. Etude du récepteur téléphonique, Eclairage Electrique, vol. 50, pp. 221 -372). Ces considérations théoriques révèlent qu’une telle fonction de transfert n’est pas toujours inversible (Kavanagh, R. J. 1956. The application of matrix methods to multi-variable control Systems. Journal of the Franklin Institute, 262(5), 349-367), ce qui limite les applications d’une telle méthode.
[0009] Pour répondre aux limitations des procédés cités ci-dessus, une troisième classe de procédés de génération de sensations tactile localisées à une région d’une surface propose de tenir compte du comportement des ondes dans les plaques minces pour provoquer des oscillations différentiées dans plusieurs régions d’une surface. La demande de brevet US 2015 013 8157 propose d’exciter des modes primaires de la plaque afin de la faire osciller différemment dans de larges régions. Pour ce faire, le procédé emploie deux ensembles d’actionneurs commandés séparément. Le premier ensemble est destiné à exciter certains modes d’oscillation de la plaque pour la faire vibrer dans une certaine zone. Le deuxième ensemble est destiné à faire vibrer la plaque dans une autre zone, en partie pour atténuer les vibrations non désirées mais surtout pour transformer la plaque en radiateur acoustique. Le brevet US 9 449 476 décrit un procédé qui repose sur la propagation d’ondes de flexion dans une plaque mince et où les actionneurs sont éloignés de la zone à exciter. Ce procédé repose en outre sur la détection d’oscillations ultrasoniques afin d’en mesurer les variations dues aux perturbations d’un doigt en contact pour déterminer la région en question. [0010] Une quatrième classe de procédés emploie divers artifices électriques et mécaniques pour provoquer une stimulation tactile en une région sans provoquer de sensations dans les autres. La demande de brevet US 2008 006 8334 décrit un procédé selon lequel la surface destinée à stimuler un doigt est constituée de régions ayant des raideurs différentes de façon que la stimulation soit plus intense là où la surface est plus souple. La demande de brevet US 2008 010 0568, de manière analogue, propose de concevoir les propriétés mécaniques d’une coque de façon à provoquer des sensations tactiles artificielles localisées dans certaines régions. La demande de brevet WO 2018 178 582 décrit un procédé comprenant une pluralité d’actionneurs capables de provoquer la présence d’ondes ultrasonores non-radiatives dans une plaque mince destinées à effectuer une lubrification acoustique locale de la surface dans le voisinage de chaque actionneur. Le brevet US 8 174 372 décrit une interface haptique où la surface stimulante est une membrane élastique. Lorsqu’un doigt presse sur cette membrane, celle-ci se déforme pour entrer en contact avec une contre surface rigide indiquant d’une part la présence d’un doigt et permettant d’autre part la transmission d’oscillations mécaniques à ce doigt. Le brevet US 1 028 9199 décrit un procédé où des actionneurs agissant en tout-ou-rien sont commandés pour bloquer les déplacements de la surface stimulante aux emplacements où une stimulation n’est pas désirée. Le brevet EP 2 742 410 décrit une surface haptique destinée à provoquer des sensations tactiles artificielles en utilisant le principe de l’adhésion cutanée par champ électrostatique alternatif (E. Mallinckrodt, A. L. Hughes, and W. Sleator. 1953. Perception by the skin of electrically induced vibrations, Science, vol. 118, no. 3062, pp. 277-278). Dans ce procédé, des électrodes discrètes réparties sur l’ensemble de la surface et activées séparément permettent de provoquer des sensations localisées selon un principe analogue à celui décrit dans la publication H. Tang and D. Beebe. 1998. A microfabricated electrostatic haptic display for persons with Visual impairments. IEEE Transactions on réhabilitation engineering, 6(3) :241 - 248.
[0011] La littérature scientifique comprend aussi des études dont le but est d’optimiser le caractère local des oscillations provoquées dans une plaque mince à partir d’une pluralité d’excitateurs. L’article de J. H. Woo, & J. G. Ih. 2015. Vibration rendering on a thin plate with actuator array at the periphery. Journal of Sound and Vibration, 349, 150-162 décrit comment des oscillations localisées dans une plaque de verre encastrée sur sa périphérie peuvent être créées à l’aide d’un nombre important d’actionneurs agissant près de la bordure. Ces nombreux actionneurs, excités à une fréquence unique de 300 Hz, peuvent exciter un grand nombre de modes dont la superposition pondérée permet de créer une zone d’oscillation spécifique juste au-dessus du seuil de détection humain des oscillations. L’étude de E. Enferad, et. al. 2019, Generating controlled localized stimulations on haptic displays by modal superimposition, Journal of Sound and Vibration, 449, 196-213 démontre qu’il est possible de provoquer des oscillations localisées dans une poutre d’aluminium à des fréquences ultrasoniques fixes. Une autre technique encore, basée sur l’exploitation des phénomènes vibratoires et décrite par exemple dans la demande de brevet US 9 436 284, consiste à utiliser le principe de retournement temporel pour refocaliser les ondes issues des réponses impulsionnelles mesurées en différents points d’une plaque mince. Une étude publiée récemment de A. B. Dhiab & C. Hudin/ 2019. Confinement of Vibrotactile Stimuli in Narrow Plates, Dans IEEE World Haptics Conférence, pp. 431 -436 propose de tirer parti des ondes évanescentes pour confiner les oscillations d’une plaque mince à une petite région. Une autre étude, aussi récente, L. Pantera, & C. Hudin. 2019. Sparse Actuator Array Combined with Inverse Filter for Multitouch Vibrotactile Stimulation, Dans IEEE World Haptics Conférence, pp. 19-24 met en oeuvre la méthode d’inversion des fonctions de transfert dans le domaine fréquentiel pour créer de brèves oscillations d’un micromètre d’amplitude dans une plaque de verre en tirant partie de la présence d’actionneurs distribués sur toute la surface de la plaque.
[0012] Les techniques des quatre classes discutées ci-dessus exploitant des artifices mécaniques ou des phénomènes vibratoires présentent de nombreux inconvénients comme, par exemple : de faibles amplitudes permissibles des vibrations dues aux ondes de flexion se propageant par déformation de la dalle tactile, la sensibilité aux conditions aux limites et notamment aux conditions d’encastrement des bordures de la dalle, la sensibilité aux conditions environnementales et notamment à la température de la dalle tactile, la nécessité d’employer un nombre d’actionneurs important répartis sur la surface et de les piloter avec une grande précision fréquentielle et temporelle pour maîtriser les conditions d’interférence, et le manque d’efficacité énergétique inhérente aux excitations acoustiques. [0013] Pour répondre aux différents problèmes exposés ci-dessus, et notamment aux problèmes de mise en oeuvre des phénomènes vibratoires et aux problèmes de complexité du pilotage d’un grand nombre d’actionneurs, le demandeur a proposé, dans une demande de brevet FR1900554, une interface haptique nécessitant un nombre d’actionneurs restreint, pilotés de façon à générer des déplacements en tout point de la dalle tactile excepté en un point neutre, ou un ensemble de points neutres superposés. L’interface haptique met en oeuvre un programme informatique permettant de calculer les efforts instantanés qui font pivoter une portion rigide de l’interface autour du point neutre, ou autour d’un ensemble de points neutres superposés et qui donnent une accélération voulue à un autre point ou ensemble de points de la portion rigide. L’application du principe de superposition linéaire applicable aux petits déplacements des corps solides rend possible en particulier de produire simultanément une sensation dans un seul doigt et une autre sensation dans un autre doigt, qu’elles soient transitoires ou persistantes.
RESUME DE L’INVENTION
[0014] La présente invention propose une alternative au procédé divulgué dans la demande de brevet FR1900554, dans laquelle des petits déplacements évoluant au cours du temps sont générés en au moins deux régions séparées d’une surface de contact. Le procédé de la présente invention repose sur le principe de superposition linéaire applicable à tous les petits déplacements des corps solides. Il permet de déterminer des signaux d’actionnement applicables à un nombre restreint d’actionneurs capables de provoquer de petits déplacements des corps solides, y compris ceux correspondant aux modes de flexion des plaques ainsi que ceux correspondant aux modes résultants de l’établissement d’ondes stationnaires.
[0015] Selon un premier aspect, l’invention concerne un procédé de génération d’une sensation tactile destinée à être ressentie par un utilisateur en contact avec une surface de contact d’une interface haptique, comportant une opération d’émission simultanée d’un premier signal de commande pour commander un premier actionneur et d’un deuxième signal de commande pour commander un deuxième actionneur, simultanément au premier actionneur, les premier et deuxième actionneurs étant solidaires de la surface de contact et provoquant un déplacement de ladite surface de contact, caractérisé en ce que : le premier signal de commande comporte une première évolution temporelle assurant à une première région de la surface de contact une première évolution temporelle, et assurant une deuxième évolution temporelle à une deuxième région de la surface de contact, le deuxième signal de commande comporte une deuxième évolution temporelle assurant à la première région de la surface de contact une deuxième évolution temporelle, et assurant une deuxième évolution temporelle à la deuxième région de la surface de contact, et où le premier signal de commande et le deuxième signal de commande sont tels que l’évolution temporelle de la première région de la surface de contact soit décrite par une fonction désirée du temps distincte d’une autre fonction désirée du temps décrivant l’évolution temporelle de la seconde région de la surface de contact.
[0016] Ce procédé permet de générer des sensations tactiles distinctes, simultanément, en plusieurs emplacements de la portion d’une dalle tactile.
[0017] Avantageusement, le procédé comporte un ou plusieurs actionneurs additionnels comportant une opération d’émission simultanée d’un ou plusieurs signaux de commande additionnels pour commander un ou plusieurs actionneurs additionnels simultanément au premier actionneur et deuxième actionneur, les actionneurs additionnels étant solidaires de la surface de contact et provoquant un déplacement de ladite surface de contact, et les signaux de commande additionnels comportent chacun des évolutions temporelles additionnelles assurant à une première région de la surface de contact et à une deuxième première région de la surface de contact des évolutions temporelles additionnelles.
[0018] Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, le procédé selon un aspect de l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles : il comporte une ou plusieurs régions de contact additionnelles recevant des évolutions temporelles additionnelles issues d’actionneurs additionnels et caractérisé en ce que le nombre total d’actionneurs est égal ou supérieur au nombre total de régions. il comporte une combinaison pondérée d’un premier gauchissement dynamique, généré par le premier actionneur sous l’effet du premier signal de commande, et d’un deuxième gauchissement dynamique généré par le deuxième actionneur sous l’effet du deuxième signal de commande. il comporte une combinaison pondérée d’un premier gauchissement dynamique, généré par le premier actionneur sous l’effet du premier signal de commande, d’un deuxième gauchissement dynamique généré par le deuxième actionneur sous l’effet du deuxième signal de commande, et d’un ou plusieurs gauchissements dynamiques additionnels générés par un ou plusieurs actionneurs additionnels sous l’effet d’un ou plusieurs signaux de commande additionnels. lorsque la première région et la deuxième région sont connues à l’avance les premiers signaux de commande et les deuxièmes signaux de commande sont déterminés au moyen des opérations suivantes : a) identification, pour chacun des actionneurs et chacune des régions de la surface de contact, d’un spectre fréquentiel représentant la pondération en fonction de la fréquence de l’effet de l’actionneur sur toute région de la surface de contact ; b) calcul de la matrice inverse H 122 de la matrice des spectres H22 associant la première région et la deuxième région, au premier actionneur et au deuxième actionneur ; c) multiplication de la matrice inverse H_122 par la matrice U21 obtenue en empilant les spectres fréquentiels Ui et II2 issus de transformation du domaine temporel au domaine fréquentiel des déplacements désirés, (u1 et u2) de la surface de contact dans les régions (Z1 et Z2) ; d) transformation dans le domaine temporel des produits obtenus à l’étape c); e) application aux actionneurs. lorsque la première région et la deuxième région sont connues à l’avance, les premiers signaux de commande, les deuxièmes signaux de commande et les signaux additionnels éventuels sont déterminés au moyen des opérations suivantes : f) identification, pour chacun des actionneurs et chacune des régions de la surface de contact, d’un spectre fréquentiel représentant la pondération en fonction de la fréquence de l’effet de l’actionneur sur toute région de la surface de contact ; g) extraction des lignes correspondant aux régions a et b issues de la matrice des spectres Hy associant chaque région (i) à chaque actionneurs (j) et empilant des dites lignes correspondant aux régions a et b en une seule matrice H (ap)j ; h) calcul de la matrice pseudo inverse H+j(ap) de H(ap)j ; i) multiplication de la matrice pseudo inverse H+j(ap) par la matrice II(ab)ΐ obtenue en empilant les spectres fréquentiels Ua et Up issus de transformation du domaine temporel au domaine fréquentiel des déplacements désirés, ua et up, de la surface de contact dans les régions a et b. j) transformation dans le domaine temporel des produits obtenus à l’étape i) ; k) application aux actionneurs. lorsque la première région, la deuxième région et les régions additionnelles éventuelles sont connues à l’avance, les premiers signaux de commande, les deuxièmes signaux de commande et les signaux additionnels éventuels sont déterminés au moyen des opérations suivantes :
L) identification, pour chacun des actionneurs et chacune des régions de la surface de contact, d’un spectre fréquentiel représentant la pondération en fonction de la fréquence de l’effet de l’actionneur sur toute région de la surface de contact ; m) extraction des lignes correspondant à des régions a et b et des régions additionnelles issue de la matrice des spectres Hy associant chaque région (i) à chaque actionneurs (j) et empilant des dites lignes correspondant aux régions a et b et aux régions additionnelles en une seule matrice HCj ; n) calcul de la matrice pseudo inverse H+jC de HCj ; o) multiplication de la matrice pseudo inverse H+jC par la matrice Ud obtenue en empilant les spectres fréquentiels issus de transformation des déplacements désirés, ua et up, de la surface de contact dans les régions a et b et des déplacements désirés additionnels. p) transformation dans le domaine temporel des produits obtenus à l’étape o) ; q) application aux actionneurs. lorsque la première ou la deuxième région varient au cours du temps, les premiers signaux de commande, les deuxièmes signaux de commande sont déterminés au moyen des opérations suivantes : r) identification, pour chacun des actionneurs et chacune des régions de la surface de contact, d’un spectre fréquentiel représentant la pondération en fonction de la fréquence de l’effet de l’actionneur sur toute région de la surface de contact ; s) calcul de la matrice inverse H ½2 de la matrice des spectres H22 associant la première région et la deuxième région, au premier actionneur et au deuxième actionneur ; t) transformation dans le domaine temporel des produits obtenus à l’étape s) ; u) convolution matricielle du produit de l’étape t) par l’empilement des déplacements désirés. v) application aux actionneurs. lorsque la première région ou la deuxième région varient au cours du temps, les premiers signaux de commande, les deuxièmes signaux de commande et les signaux de commande additionnels éventuels sont déterminés au moyen des opérations suivantes : w) identification, pour chacun des actionneurs et chacune des régions de la surface de contact, d’un spectre fréquentiel représentant la pondération en fonction de la fréquence de l’effet de l’actionneur sur toute région de la surface de contact ; x) extraction des lignes correspondant aux régions a et b issue de la matrice des spectres Hy associant chaque région (i) à chaque actionneurs (j) et empilant des dites lignes correspondant aux régions a et b en une seule matrice H (ap)j ; y) calcul de la matrice pseudo inverse H+kab) de H(ap)j ; z) transformation dans le domaine temporel des produits obtenus à l’étape y) ; aa) convolution matricielle du produit de l’étape z) par l’empilement des déplacements désirés ; bb) application aux actionneurs. lorsque la première région ou la deuxième région, ou les régions additionnelles éventuelles varient au cours du temps, les premiers signaux de commande, les deuxièmes signaux de commande et les signaux de commande additionnels éventuels sont déterminés au moyen des opérations suivantes : cc) identification, pour chacun des actionneurs et chacune des régions de la surface de contact, d’un spectre fréquentiel représentant la pondération en fonction de la fréquence de l’effet de l’actionneur sur toute région de la surface de contact ; dd) extraction des lignes correspondant à des régions a et b et des régions additionnelles issue de la matrice des spectres Hy associant chaque région (i) à chaque actionneur (j) et empilant des dites lignes correspondant aux régions a et b et aux régions additionnelles en une seule matrice HCj ; ee) calcul de la matrice pseudo inverse H+jC de HCj; ff) transformation dans le domaine temporel des produits obtenus à l’étape ee); gg) convolution matricielle du produit de l’étape ff) par l’empilement des déplacements désirés ; hh) application aux actionneurs.
[0019] Un deuxième aspect de l’invention concerne une interface haptique mettant en oeuvre le procédé ci-dessus, caractérisée en ce qu’elle comporte : une surface de contact (110) équipée d’un dispositif de détection et de localisation d’au moins un point de contact entre au moins un utilisateur (101 ) et ladite surface de contact ; au moins deux actionneurs (120) solidaires de la portion rigide, montés à distance l’un de l’autre et adaptés pour être actionnés simultanément afin de générer au moins un déplacement (D) de ladite portion rigide ; et une unité de traitement (130) adaptée pour piloter chaque actionneur (120) avec une évolution temporelle différente.
[0020] Avantageusement, l’interface haptique comporte un bâti dans lequel est montée la surface de contact.
[0021] De façon avantageuse, la surface de contact est reliée au bâti par l’intermédiaire des moyens de suspension viscoélastique.
[0022] Selon certains modes de réalisation, la surface de contact est encastrée rigidement sur tout son pourtour sur un bâti.
[0023] Selon certains modes de réalisation, la surface de contact est encastrée partiellement sur un bâti. [0024] Selon certains modes de réalisation, la surface de contact est dans une condition d’encastrement bords libres.
[0025] Un troisième aspect de l’invention concerne un dispositif électronique interactif, caractérisé en ce qu’il comporte une interface haptique telle que définie ci- dessus.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
[0026] D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures dans lesquelles :
[0027] La figure 1 représente schématiquement une vue d’une interface haptique selon l’invention avec un utilisateur en contact par deux doigts avec ladite interface.
[0028] La figure 2 représente une vue de face de la surface de contact où est montré une disposition possible d’actionneurs sur le pourtour ainsi que des zones d’intérêt et une unité de traitement.
[0029] La figure 3 représente une vue de dessus schématique d’une interface haptique selon un mode de réalisation de l’invention, dans lequel quatre actionneurs agissent dans les angles de la surface de contact et prennent appui sur le bâti, la direction normale étant conventionnellement dirigée selon la direction Z.
[0030] La figure 4 représente une vue schématique d’une interface haptique selon un mode de réalisation de l’invention où deux actionneurs agissent dans la direction normale à la surface de contact et deux actionneurs exercent des efforts de flexion sur la plaque.
[0031] La figure 5 représente un mode de réalisation où quatre actionneurs exercent des efforts de flexion sur la plaque dans des directions variées.
[0032] La figure 6 représente un mode de réalisation où quatre actionneurs exercent des efforts de flexion sur la plaque et sont positionnés près des bords de la surface, entre deux angles.
[0033] La figure 7 représente un mode de réalisation dans lequel quatre actionneurs exercent une poussée dans la direction normale provoquant un déplacement rigide de la surface de contact si le déplacement est à faible accélération et provoquant, lors d’une forte accélération, un mode de flexion principal où la plaque adopte temporairement une forme bombée ou en creux.
[0034] La figure 8 représente un mode de réalisation dans lequel quatre actionneurs exercent des poussées dans la direction normale propres à provoquer un déplacement pivotant autour d’un axe de la surface de contact de sorte qu’un doigt en contact avec cette surface sur une ligne ne recevra aucun signal tactile alors qu’un doigt en contact éloigné de cette ligne recevra un signal.
[0035] La figure 9 représente un mode réalisation dans lequel les quatre actionneurs exercent des poussées dans la direction normale propres à provoquer une flexion de la surface de contact sous l’effet d’efforts.
[0036] La figure 10 représente un mode réalisation dans lequel les quatre actionneurs exercent des efforts de flexion statiques ou dynamiques dans la surface de contact provoquant un gauchissement statique ou dynamique de cette surface.
[0037] La figure 11 représente, à des fins d’exemplification, le gauchissement dynamique d’une surface de contact sous l’effet d’un seul actionneur excité par une courte impulsion et située dans l’un de ses angles que l’on peut comparer à l’effet d’un autre actionneur excité par une même impulsion mais situé dans un autre angle.
[0038] La figure 12 représente, aussi à des fins d’exemplification, les spectres de l’influence de quatre actionneurs situés aux quatre angles d’une surface de contact sur un même point.
[0039] La figure 13 représente les étapes d’un procédé de détermination des signaux d’excitation de quatre actionneurs pour produire des déplacements distincts désirés simultanément en deux différentes régions lorsque ces régions sont connues par avance.
[0040] La figure 14 représente les étapes d’un procédé de détermination des signaux d’excitation de quatre actionneurs pour produire des déplacements distincts désirés simultanément en deux différentes régions lorsque ces régions varient au cours du temps.
[0041] La figure 15 représente, à l’issue des étapes des figures 13 ou 14, comment une combinaison pondérée au cours du temps des gauchissements dynamiques provoqués par les quatre actionneurs excités par des formes d’onde spécifiques peuvent reconstruire en un point désiré, a, une forme d’onde voulue, ici une ondelette de Ricker, alors que simultanément, un autre point désiré, b, reste immobile. D’autres points de la surface sont libres de se déplacer sans affecter le fonctionnement tactile de l’interface haptique.
DESCRIPTION DETAILLEE
[0042] Un exemple d’une interface haptique, dans laquelle des petits déplacements désirés évoluant au cours du temps sont générés en deux régions séparées d’une surface de contact, est décrit en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Cet exemple illustre les caractéristiques et avantages de l'invention. Il est toutefois rappelé que l'invention ne se limite pas à cet exemple.
[0043] Sur les figures, les éléments identiques sont repérés par des références identiques. Pour améliorer la lisibilité des figures, les échelles de taille entre éléments représentés ne sont pas respectées.
[0044] Les figures 1 et 2 représentent des exemples d’une interface haptique selon l’invention. Cette interface haptique 100 comporte : une surface de contact 110 par laquelle l’utilisateur 101 peut interagir avec l’interface haptique 100, des actionneurs 120 qui permettent de générer des petits déplacements de la surface de contact 110, et une unité de traitement 130 qui permet, notamment, de piloter les actionneurs 120.
[0045] Un exemple de réalisation d’un procédé pour générer des sensations tactiles localisées sur une surface et d’une interface haptique mettant ce procédé en oeuvre est décrit en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. Cet exemple illustre les caractéristiques et avantages de l'invention. Il est toutefois rappelé que l'invention ne se limite pas à cet exemple.
[0046] La surface de contact 110 est la face par laquelle l’utilisateur entre en contact avec l’interface haptique. Ce peut être la face d’une plaque mince flexible, par exemple réalisée dans un matériau transparent, de forme rectangulaire, comme représenté sur la figure 2. L’homme du métier comprendra que la surface de contact peut prendre d’autres formes que rectangulaires, comme par exemple circulaire, triangulaire ou trapézoïdale. La surface de contact peut également prendre d’autres formes que celle d’une plaque mince flexible. Elle peut être, par exemple, une coque de la forme d’une surface réglée. Elle peut être aussi une pièce de forme arbitraire, telle que possédant des surfaces gauches. Ces formes arbitraires permettront aussi des flexions et des déplacements de la coque sous l’effet de l’action d’actionneurs.
[0047] La surface de contact 110 comporte en outre un dispositif de détection et de localisation du contact - ou de la proximité - de l’utilisateur et détermine les coordonnées et peut en outre estimer la taille de la zone de contact. La surface de contact peut aussi comporter un dispositif de mesure de l’effort appliqué par l’utilisateur. De tels dispositifs de détection, de localisation du contact et de mesure de l’effort sont bien connus dans le domaine des surfaces tactiles et ne seront donc pas décrits plus en détail.
[0048] Dans la suite de la description, l’invention sera décrite pour un nombre de quatre actionneurs et pour deux zones ou régions distinctes. Il est bien entendu que le procédé peut s’appliquer à un nombre d’actionneurs différent de quatre, par exemple deux, trois, cinq, six, sept ou huit, tout en restant un nombre faible par rapport aux arts antérieurs décrits précédemment. De même, le procédé peut s’appliquer à un nombre de régions (ou zones) différents de deux, par exemple trois, quatre, etc.
[0049] Dans l’exemple de la figure 1 , deux doigts de l’utilisateur 101 sont en contact, simultanément, avec deux zones distinctes Z1 et Z2 de la surface de contact 110 de l’interface haptique 100. Chaque zone Z1 et Z2, appelée zones de contact ou régions, sont des portions de la surface de contact avec lesquelles l’utilisateur 101 est en contact mécanique. Dans l’exemple de la figure 1 , l’utilisateur 101 est directement en interaction tactile avec l’interface haptique 100 en touchant, en appuyant, ou en glissant avec ses doigts sur la surface de contact.
[0050] Dans des variantes, l’utilisateur 101 peut être en contact tactile avec l’interface haptique 100 au moyen d’un seul doigt, de plusieurs doigts ou d’une autre partie de son corps. Il peut également être en contact avec l’interface haptique 100 de façon indirecte, par l’intermédiaire d’un équipement adapté tel qu’un stylet ou un gant tactile. La suite de la description sera donnée pour l’exemple d’un premier et d’un deuxième doigt d’un utilisateur, étant entendu qu’il peut s’agir d’une autre partie du corps de l’utilisateur ou d’un équipement adapté. De même les exemples donnés en référence à des premier et deuxième doigts d’un utilisateur peuvent être étendus à plusieurs doigts ou points de contact d’un même utilisateur ou à un doigt ou point de contact d’un premier utilisateur et un doigt ou point de contact d’un deuxième utilisateur.
[0051] Que l’interaction tactile entre l’utilisateur 101 et la surface de contact 110 soit un contact direct ou un contact indirect, la zone de la surface de contact peut être un unique point ou être un ensemble de zones contiguës ou discrètes comme dans l’exemple de la figure 1 .
[0052] Les actionneurs 120 agissent sur la surface de contact 110 et sont configurés pour appliquer de petits déplacements à ladite surface de contact soit dans une direction tangentielle, soit dans une direction normale, soit par un moment de torsion comme expliqué ultérieurement. Les actionneurs 120 sont montés de façon à être solidaires de la plaque mince dont une face est la surface de contact 110. Les actionneurs 120, au moins au nombre de deux, sont positionnés à distance l’un de l’autre. Ils peuvent, par exemple, être positionnés en diagonale l’un par rapport à l’autre lorsque la surface de contact 110 est de forme rectangulaire ou de façon diamétralement opposée si la surface de contact est circulaire. Lorsque les actionneurs 120 sont dans un nombre supérieur à deux, par exemple trois, quatre, ou plus, lesdits actionneurs sont répartis sur le pourtour de la surface de contact 110. Dans l’exemple de la figure 2, les actionneurs sont au nombre de quatre et sont positionnés chacun dans un angle de la surface de contact 110. L’homme du métier comprendra que plusieurs positions des actionneurs peuvent être envisagées, dès lors que lesdits actionneurs sont suffisamment distants les uns des autres pour effectuer des déplacements et des déformations différentes de la plaque mince.
[0053] Selon certains modes de réalisation, l’interface haptique comporte des moyens de suspension viscoélastique configurés pour permettre de petits déplacements, soit dans la direction normale, soit dans la direction tangentielle. Les moyens de suspension sont adaptés pour autoriser des petits déplacements de la plaque mince. Ces moyens de suspension viscoélastique peuvent être liés, par exemple, à un bâti fixe 180 représenté dans la figure 3. Les moyens de suspension viscoélastique peuvent être, par exemple, des joints en matière caoutchouteuse et/ou en élastomère, alvéolés ou non, fixés par exemple au moyen d’une couche adhésive viscoélastique de sorte à relier la plaque mince au bâti de l’interface haptique. Souvent la surface de contact est une face d’une plaque mince liée par adhésion à un cadre, ouvert ou non, faisant office de bâti. La surface de contact est alors capable de procurer des sensations haptiques grâce à des petits déplacements autour d’une position moyenne.
[0054] Selon certains modes de réalisation, la surface de contact 110, ou plaque flexible, est encastrée rigidement dans un bâti. Selon certains autres modes de réalisation, la plaque flexible est encastrée partiellement dans le bâti. Selon d’autres modes de réalisation, la plaque flexible est dans une condition d’encastrement à bords libres.
[0055] L’unité de traitement 130 assure le traitement des données reçues du dispositif de détection et de localisation et pilote les actionneurs 120. L’unité de traitement met en oeuvre un procédé de coordination des actionneurs, configuré pour susciter des déplacements transitoires ou oscillants de la surface de contact autour d’un état neutre et commander un signal d’excitation mécanique - appelé aussi signal de commande - variable au cours du temps, à chaque actionneur 120. L’unité de traitement 130 met en oeuvre, en outre, un procédé de gestion des interactions pour que deux sensations différentes soient perçues différemment par deux utilisateurs ou deux doigts d’une même main en fonction de l’usage que l’on veut permettre. Des exemples bien connus de tels usages, parmi un très grand nombre, sont de modifier le facteur d’agrandissement d’une image ou de provoquer la rotation d’une molette virtuelle dans le plan de la surface de contact.
[0056] L’interface haptique décrite ci-dessus met en oeuvre un procédé de génération de sensations tactiles. Ce procédé permet à l’utilisateur de ressentir des sensations tactiles à chaque point de contact de l’utilisateur avec la surface de contact. Dans l’exemple de la figure 1 , le procédé de l’invention permet à l’utilisateur 101 de ressentir des sensations haptiques dans chacun des deux doigts en contact avec la surface de contact, les sensations tactiles pouvant être différentes dans un doigt et dans l’autre. Dans d’autres exemples, non représentés sur les figures, plusieurs utilisateurs peuvent être en contact simultanément avec l’interface haptique, l’interface haptique étant alors apte à fournir des sensations tactiles à chacun des différents utilisateurs même lorsque ces derniers sont simultanément en contact avec ladite interface haptique. [0057] Selon l’invention, les sensations tactiles sont générées par les actionneurs 120 commandés et pilotés par l’unité de traitement 130. Cette unité de traitement 130 met en oeuvre des programmes informatiques de commande et de pilotage des actionneurs 120 afin de provoquer des déplacements de la plaque mince dont une face est la surface de contact. Un cas important de ce pilotage est lorsque qu’il est désiré de provoquer des sensations tactiles dans un doigt sans stimuler un autre doigt lui aussi en contact avec la même surface. Cet autre doigt sera donc en interaction avec une zone neutre.
[0058] Le procédé de l’invention a pour dessein de générer un déplacement de la surface tactile procurant à l’utilisateur une première sensation tactile dans un premier doigt à l’instant où son premier doigt entre en contact avec l’interface haptique et, en même temps, une deuxième sensation tactile dans son deuxième doigt au moment où son deuxième doigt entre en contact avec l’interface tactile, l’une des deux pouvant être neutre ou les deux sensations pouvant être différentes. Selon l’invention, la surface tactile est la surface d’une plaque mince qui peut être déplacée dans un repère bidirectionnel XY ou dans un repère tri-directionnel XYZ. On appelle déplacement tri- directionnel, une déformation de la plaque mince, comme représenté sur les figures 9 à 11 . Autrement dit, le procédé selon l’invention propose, en réponse à un premier contact avec la surface de contact, de générer un premier signal de commande assurant un déplacement ou une déformation de la surface tactile dans sa totalité et, en réponse à un deuxième contact avec la surface de contact, de générer un deuxième signal de commande assurant l’annulation ou la modification du déplacement ou de la déformation de la surface tactile en un des deux points de contact (c'est-à-dire un des contacts entre un doigt et la surface tactile).
[0059] De façon plus précise, l’unité de traitement 130 met en oeuvre un procédé de coordination des actionneurs 120 configuré pour tirer parti du principe de superposition linéaire des signaux qui s’applique dans le cas des petits déplacements de corps solides. Ceci rend possible en particulier de produire simultanément une sensation dans un seul doigt et une autre sensation dans un autre doigt, qu’elles soient transitoires ou persistantes, tel que décrit plus haut.
[0060] Deux exemples de dalles tactiles sont représentés sur les figures 3 et 4 avec des configurations différentes d’actionneurs 120. Dans l’exemple de la figure 3, les actionneurs 120 appliquent des efforts sur la plaque mince dans la direction Z normale à la surface de contact 110. Dans l’exemple de la figure 4, les actionneurs 120 appliquent des moments de torsion sur la plaque mince autour d’une direction tangente à la surface de contact 110. Chaque actionneur 120 est monté solidaire de la plaque mince, dans un angle de surface de contact. De tels actionneurs peuvent comporter un circuit magnétique qui interagit avec une ou plusieurs bobines et peuvent adopter de très nombreuses configurations : planaires, radiales, axiales, etc. Ces moteurs peuvent appliquer un effort sur la plaque mince en prenant appui sur un socle ou en agissant sur une masselotte par application du principe de conservation du moment cinétique. Il est aussi possible d’employer des actionneurs de type piézoélectrique généralement associés à un dispositif d’amplification du mouvement. Les actionneurs piézoélectriques étant rigides, ils sont adaptés à provoquer des déplacements de flexion dans une plaque mince selon des configurations monomorphes ou bimorphes. Les actionneurs sont configurés par paires opposées et sont orientés pour faciliter les petits déplacements et les petites déformations de la plaque mince dans une large plage de fréquences. L’intensité de chacun des efforts est déterminée par l’unité de traitement 130 de sorte que l’action combinée desdits efforts des différents actionneurs 120 permet de susciter des déplacements voulus évoluant au cours du temps dans des zones désignées de la surface de contact. Les figures 5 et 6 montrent que des actionneurs peuvent être configurés pour provoquer des flexions selon différentes directions et depuis divers emplacements. En particulier, la figure 5 montre un mode de réalisation où quatre actionneurs 120 sont positionnés dans les angles de la surface de contact 110 et exercent des efforts de flexion sur la plaque dans des directions variées. La figure 6 montre un mode de réalisation où quatre actionneurs 120 sont positionnés près des bords de la surface de contact, entre deux angles de ladite surface - par exemple à mi-distance entre deux angles consécutifs - et exercent des efforts de flexion sur la plaque.
[0061] La figure 7 montre un exemple simple d’un tel déplacement où les quatre actionneurs 120, sous l’effet de quatre commandes identiques, déplacent la plaque mince dans la direction Z normale à la surface de contact 110. Des déplacements rapides associés à de fortes accélérations peuvent donner lieu à des forces inertielles suffisantes pour provoquer une déformation de la plaque mince et donc de la surface de contact 110 sous la forme d’un bombement convexe ou concave selon leur signe. L’homme du métier reconnaîtra dans cette déformation l’excitation d’un mode principal superposé à un mouvement de corps rigide tel qu’il est décrit dans les traités de mécanique des structures. L’homme du métier reconnaîtra aussi que la géométrie des modes dépend fortement des conditions d’encastrement de la plaque mince qui peuvent être simples ou complexes, donnant lieu à une très grande variété de géométries de déformations. La figure 8 représente un mode de réalisation semblable à celui de la figure 3, mais dans lequel quatre actionneurs 120 exercent des poussées, dans la direction normale Z, propres à provoquer un déplacement pivotant autour d’un axe de la surface de contact de sorte tel qu’un doigt en contact avec cette surface, sur une ligne 140, ne recevra aucun signal tactile alors qu’un doigt en contact éloigné de cette ligne 140 recevra un signal. La figure 8 montre comment une combinaison de commandes aux quatre actionneurs 120 peut provoquer le pivotement de la plaque mince autour d’un axe contenu dans la surface de contact, causant ainsi l’annulation des déplacements le long d’une ligne 140. Un doigt en contact avec l’emplacement 150 ne sera donc pas tactilement stimulé alors qu’un doigt en contact avec l’emplacement 160 le sera. Comme dans l’exemple de la figure 7, de fortes accélérations peuvent provoquer l’excitation de modes, qui dans ce cas ne peuvent pas être décrits de manière simple et qui se superposent au déplacement de corps rigide. Les figures 9 et 10 montrent de façon intuitive comment certaines combinaisons de commandes d’actionneurs agissant dans la direction normale à la plaque mince, ou qui lui appliquent des efforts de torsion, peuvent provoquer des déformations quasi- statiques de cette plaque mince auxquelles s’ajoutent des modes de déformation dynamiques simples ou d’ordres supérieurs. En particulier, la figure 9 montre un mode réalisation dans lequel les quatre actionneurs 120 exercent des poussées dans la direction normale propres à provoquer une flexion de la surface de contact 110 sous l’effet d’efforts. La figure 10 montre un mode réalisation dans lequel les quatre actionneurs 120 exercent des efforts de flexion statiques ou dynamiques dans la surface de contact 110 provoquant un gauchissement statique ou dynamique de cette surface.
[0062] La figure 11 montre un exemple réel de la déformation instantanée d’une plaque mince apte à être employée dans une interface haptique, dans ce cas libre à son pourtour, quand un premier actionneur A1 lui applique un effort impulsionnel et quand un deuxième actionneur A2 lui applique le même effort impulsionnel dans la mesure où les deux actionneurs A1 et A2 sont éloignés l’un de l’autre. Si les deux efforts impulsionnels étaient appliqués simultanément, la déformation instantanée de la plaque mince serait la somme des deux déformations instantanées. Puisque les déplacements de tous les points d’une plaque varient au cours du temps sous l’effet d’excitations appliquées à divers points de cette plaque par des actionneurs, il est possible de représenter ces effets sous la forme de spectres fréquentiels qui représentent la pondération en fonction de la fréquence de l’effet d’un actionneur sur tout point de la plaque. La figure 12 montre le cas réel d’une interface haptique où de tels spectres sont représentés par des courbes 210 dont la déviation verticale mesure l’influence de chacun de quatre actionneurs sur un point a de la surface de contact en fonction de la fréquence d’excitation variant de 0 à 1000 Hz.
[0063] Il est donc possible de représenter le comportement de plusieurs régions de la plaque mince, désignées par un indice, i, excitées par plusieurs actionneurs désignés par un indice, j, par une matrice de spectres, Hy, réunissant tous les spectres hy caractéristiques de l’association de chaque zone avec chaque actionneur :
Htj = Ui/Sj où les Ui sont les spectres des déplacements des i régions de la plaque mince et les Sj sont les signaux de commande des j actionneurs. L’homme du métier reconnaîtra que de tels spectres peuvent être obtenus de façon routinière si l’on mesure les déplacements de région de la plaque mince, par exemple, par vibrométrie optique, en plaçant des accéléromètres dans les régions d’intérêt, ou par d’autres méthodes. On peut alors procéder à l’identification des spectres par des excitations sinusoïdales à fréquence glissante, par excitation par un bruit blanc, en encore par la réponse impulsionnelle. C’est par une méthode de ce type que la figure 12 a été obtenue.
[0064] La figure 13 représente les étapes d’un procédé de détermination des signaux de commande de quatre actionneurs permettant de produire des déplacements distincts désirés simultanément en deux différentes régions lorsque ces régions sont connues par avance. Dans la variante montrée par la figure 13, le procédé mis en oeuvre par l’interface haptique 100 permet la gestion des stimulations multiples. Si, par exemple, l’interface haptique détecte la présence d’un premier doigt en un emplacement a, de la surface de contact 110 qui doit être stimulé et qu’un deuxième doigt est détecté en un autre emplacement b, qui doit être aussi stimulé alors l’unité de traitement 130 est apte à appliquer les calculs indiqués par la figure 13. [0065] Dans la figure 13, l’évolution des déplacements ua et u voulus aux emplacements des régions a et b sont extraits de la mémoire de l’unité de calcul 130 ou sont calculés en fonction de données extérieures à l’étape 301 et leurs spectres Ua et U calculés à l’étape 302. Ce calcul peut s’effectuer par la méthode de la transformée de Fourier rapide aussi connue sous le nom de transformation de Fourier discrète (TFD). Il faut noter que l’étape 302 est optionnelle si ces signaux sont connus à l’avance auquel cas leurs spectres discrets peuvent être précalculés et mémorisés par l’unité de traitement 130. Les lignes Haj H j sont alors extraites à l’étape 303 de la matrice des spectres Fl et combinées en une sous-matrice H(ap)j. Cette matrice de spectres possède, par exemple, quatre colonnes et deux lignes si l’interface haptique est dotée de quatre actionneurs et que deux emplacements de régions sont sélectionnés. Chaque spectre contenu dans la matrice a une longueur égale au nombre de points résultants de la TFD. L’étape 304 procède au calcul de la matrice H+j(a ) pseudo inverse de la matrice H(ap)j pour chaque fréquence auxquelles les spectres sont connus. Cette pseudo inverse peut être calculée au sens de Moore- Penrose comme il est bien connu par l’homme de l’art, ce qui dans ce cas minimise la norme euclidienne des valeurs résultantes de leur produit par un vecteur. Il est aussi connu par l’homme de l’art que d’autres matrices pseudo inverses peuvent être calculées afin d’optimiser d’autres critères par la minimisation d’autres normes. À l’étape 305, la matrices pseudo inverse est multipliée par la matrice à deux lignes et une colonne U(Qp)i composée des spectres Ua et Up. A l’étape 306, la transformée de Fourier inverse est appliquée au produit matriciel de H+j(ap) par U(ap)i afin de synthétiser l’évolution au cours du temps des quatre signaux pour chacun des quatre actionneurs. Ces évolutions sont appliquées aux actionneurs à l’étape 307 par l’unité de traitement 130. Il faut aussi noter que les étapes 303, 304, 305 et 306 sont optionnelles si les données sont connues à l’avance ; dans ce cas, les résultats de chaque étape peuvent être précalculés et mémorisés par l’unité de traitement 130.
[0066] La figure 14 représente les étapes d’un procédé de détermination des signaux de commande de quatre actionneurs permettant de produire des déplacements distincts désirés simultanément en deux différentes régions lorsque l’emplacement de ces régions varient au cours du temps. En particulier, la figure 14 montre une chaîne de calculs ou de pré-calculs semblables à celle de la figure 13 avec des étapes 401 , 402, 403 et 404 identiques aux étapes 301 , 302, 303 et 304 de la figure 13. Dans la variante de la figure 14, les étapes 405 et 406 s’effectuent dans le domaine temporel plutôt que dans le domaine de Fourier. Cette chaîne de calculs et de pré-calculs est appropriée dans le cas où les emplacements a et b ne sont pas connus à l’avance et où l’évolution temporelle des signaux doit être réactualisée en temps réel. Dans un tel cas, les vecteurs issus de l’étape 405 s’appellent des noyaux de convolution, h+ aj et lr¾, formant un noyau H+j(a ),qui peuvent être calculés en temps réel ou précalculés.
[0067] La figure 15 montre le résultat de l’application des chaînes de traitement des figures 13 et 14. Elle montre comment une pond au cours du temps des gauchissements dynamiques provoqués par les quatre actionneurs excités par des formes d’onde spécifiques peuvent reconstruire des déplacements désirés D si bien que, en un point désiré a, une forme d’onde voulue (ici une ondelette de Ricker), alors que, simultanément, un autre point désiré b reste immobile. D’autres points de la surface sont libres de se déplacer sans affecter le fonctionnement tactile de l’interface haptique. En particulier, les déplacements d’une plaque mince déformée par l’action de quatre actionneurs sont montrés aux instants 501 , 502, 503, 504, 505 et 506 et où les emplacements a et b sont indiqués. Dans ce cas particulier, il est voulu que le déplacement de l’emplacement a évolue selon une ondelette de Ricker autrement connue sous le nom de chapeau mexicain alors que l’emplacement b reste immobile. Les évolutions temporelles sur une période de 25 ms sont indiquées dans la portion inférieure de la figure 15 où l’on peut voir les trajectoires temporelles des régions au voisinage des emplacements a et b. Les calculs de mise en oeuvre du procédé ont été illustrés pour le cas d’un nombre arbitraire d’actionneurs déterminant l’évolution temporelle des déplacements de deux régions distinctes, cependant il sera facile à l’homme de l’art d’étendre ce procédé à un plus grand nombre de régions d’une surface de contact dont on désire déterminer les trajectoires indépendamment et simultanément.
[0068] Bien que décrit à travers un certain nombre d'exemples, variantes et modes de réalisation, le procédé de génération de sensations tactiles de l’invention et l’interface haptique mettant en oeuvre ce procédé comprennent divers variantes, modifications et perfectionnements qui apparaîtront de façon évidente à l'homme du métier, étant entendu que ces variantes, modifications et perfectionnements font partie de la portée de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
[Revendication 1] Procédé de génération d’une sensation tactile destinée à être ressentie par un utilisateur (101) en contact avec une surface de contact (110) d’une interface haptique (100), comportant une opération d’émission simultanée d’un premier signal de commande pour commander un premier actionneur (120) et d’un deuxième signal de commande pour commander un deuxième actionneur (120), simultanément au premier actionneur, les premier et deuxième actionneurs étant solidaires de la surface de contact et provoquant un déplacement de ladite surface de contact, caractérisé en ce que :
- le premier signal de commande comporte une première évolution temporelle assurant à une première région de la surface de contact (Z1) une première évolution temporelle, et assurant une deuxième évolution temporelle à une deuxième région de la surface de contact (Z2), et
- le deuxième signal de commande comporte une deuxième évolution temporelle assurant à la première région de la surface de contact (Z1) une deuxième évolution temporelle, et assurant une deuxième évolution temporelle à la deuxième région de la surface de contact (Z2),
- où le premier signal de commande et le deuxième signal de commande sont tels que l’évolution temporelle de la première région de la surface de contact (Z1) soit décrite par une fonction désirée du temps distincte d’une autre fonction désirée du temps décrivant l’évolution temporelle de la seconde région de la surface de contact (Z2).
[Revendication 2] Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu’il comporte un ou plusieurs actionneurs additionnels comportant une opération d’émission simultanée d’un ou plusieurs signaux de commande additionnels pour commander un ou plusieurs actionneurs additionnels (120) simultanément au premier actionneur et deuxième actionneur, les actionneurs additionnels étant solidaires de la surface de contact et provoquant un déplacement de ladite surface de contact, et en ce que :
- les signaux de commande additionnels comportent chacun des évolutions temporelles additionnelles assurant à une première région de la surface de contact et à une deuxième première région de la surface de contact des évolutions temporelles additionnelles.
[Revendication 3] Procédé selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu’il comporte une ou plusieurs régions de contact additionnelles recevant des évolutions temporelles additionnelles issues d’actionneurs additionnels et caractérisé en ce que le nombre total d’actionneurs est égal ou supérieur au nombre total de régions.
[Revendication 4] Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu’il comporte une combinaison pondérée d’un premier gauchissement dynamique, généré par le premier actionneur sous l’effet du premier signal de commande, et d’un deuxième gauchissement dynamique généré par le deuxième actionneur sous l’effet du deuxième signal de commande.
[Revendication 5] Procédé selon la revendications 2 caractérisé en ce qu’il comporte une combinaison pondérée d’un premier gauchissement dynamique, généré par le premier actionneur sous l’effet du premier signal de commande, d’un deuxième gauchissement dynamique généré par le deuxième actionneur sous l’effet du deuxième signal de commande, et d’un ou plusieurs gauchissements dynamiques additionnels générés par un ou plusieurs actionneurs additionnels sous l’effet d’un ou plusieurs signaux de commande additionnels.
[Revendication 6] Procédé selon les revendications 1 et 4, caractérisé en ce que lorsque la première région et la deuxième région sont connues à l’avance les premiers signaux de commande et les deuxièmes signaux de commande sont déterminés au moyen des opérations suivantes :
- a) identification, pour chacun des actionneurs et chacune des régions de la surface de contact, d’un spectre fréquentiel représentant la pondération en fonction de la fréquence de l’effet de l’actionneur sur toute région de la surface de contact ;
- b) calcul de la matrice inverse H 122 de la matrice des spectres H22 associant la première région et la deuxième région, au premier actionneur et au deuxième actionneur ;
- c) multiplication de la matrice inverse H_122 par la matrice U21 obtenue en empilant les spectres fréquentiels Ui et II2 issus de transformation du domaine temporel au domaine fréquentiel des déplacements désirés, (ui et U2) de la surface de contact dans les régions (Z1 et Z2) ;
- d) transformation dans le domaine temporel des produits obtenus à l’étape c) ; - e) application aux actionneurs.
[Revendication 7] Procédé selon les revendications 2 et 5, caractérisé en ce que, lorsque la première région et la deuxième région sont connues à l’avance, les premiers signaux de commande, les deuxièmes signaux de commande et les signaux additionnels éventuels sont déterminés au moyen des opérations suivantes :
- f) identification, pour chacun des actionneurs et chacune des régions de la surface de contact, d’un spectre fréquentiel représentant la pondération en fonction de la fréquence de l’effet de l’actionneur sur toute région de la surface de contact ;
- g) extraction des lignes correspondant aux régions a et b issues de la matrice des spectres Hy associant chaque région (i) à chaque actionneurs (j) et empilant des dites lignes correspondant aux régions a et b en une seule matrice H(ap)j ;
- h) calcul de la matrice pseudo inverse H+(j(ap) de H(ap)j ;
- i) multiplication de la matrice pseudo inverse H+j(ap) par la matrice U(ap)i obtenue en empilant les spectres fréquentiels Ua et Up issus de transformation du domaine temporel au domaine fréquentiel des déplacements désirés, ua et up, de la surface de contact dans les régions a et b.
- j) transformation dans le domaine temporel des produits obtenus à l’étape i) ;
- k) application aux actionneurs.
[Revendication 8] Procédé selon les revendications 2, 3 et 5, caractérisé en ce que, lorsque la première région, la deuxième région et les régions additionnelles éventuelles sont connues à l’avance, les premiers signaux de commande, les deuxièmes signaux de commande et les signaux additionnels éventuels sont déterminés au moyen des opérations suivantes :
- I) identification, pour chacun des actionneurs et chacune des régions de la surface de contact, d’un spectre fréquentiel représentant la pondération en fonction de la fréquence de l’effet de l’actionneur sur toute région de la surface de contact ;
- m) extraction des lignes correspondant à des régions a et b et des régions additionnelles issue de la matrice des spectres Hy associant chaque région (i) à chaque actionneurs (j) et empilant des dites lignes correspondant aux régions a et b et aux régions additionnelles en une seule matrice HCj ; - n) calcul de la matrice pseudo inverse H+jC de HCj ;
- o) multiplication de la matrice pseudo inverse H+jCpar la matrice Ud obtenue en empilant les spectres fréquentiels issus de transformation des déplacements désirés, ua et up, de la surface de contact dans les régions a et b et des déplacements désirés additionnels.
- p) transformation dans le domaine temporel des produits obtenus à l’étape o) ;
- q) application aux actionneurs.
[Revendication 9] Procédé selon les revendications 1 et 4, caractérisé en ce que, lorsque la première ou la deuxième région varient au cours du temps, les premiers signaux de commande, les deuxièmes signaux de commande sont déterminés au moyen des opérations suivantes :
- r) identification, pour chacun des actionneurs et chacune des régions de la surface de contact, d’un spectre fréquentiel représentant la pondération en fonction de la fréquence de l’effet de l’actionneur sur toute région de la surface de contact ;
- s) calcul de la matrice inverse H ½2 de la matrice des spectres H22 associant la première région et la deuxième région, au premier actionneur et au deuxième actionneur ;
- t) transformation dans le domaine temporel des produits obtenus à l’étape s) ;
- u) convolution matricielle du produit de l’étape t) par l’empilement des déplacements désirés.
- v) application aux actionneurs.
[Revendication 10] Procédé selon les revendications 2 et 5, caractérisé en ce que, lorsque la première région ou la deuxième région varient au cours du temps, les premiers signaux de commande, les deuxièmes signaux de commande et les signaux de commande additionnels éventuels sont déterminés au moyen des opérations suivantes :
- w) identification, pour chacun des actionneurs et chacune des régions de la surface de contact, d’un spectre fréquentiel représentant la pondération en fonction de la fréquence de l’effet de l’actionneur sur toute région de la surface de contact ; - x) extraction des lignes correspondant aux régions a et b issue de la matrice des spectres Hy associant chaque région (i) à chaque actionneurs ( j) et empilant des dites lignes correspondant aux régions a et b en une seule matrice H(ap)j ;
- y) calcul de la matrice pseudo inverse H+kab) de H(ap)j ;
- z) transformation dans le domaine temporel des produits obtenus à l’étape y) ;
- aa) convolution matricielle du produit de l’étape z) par l’empilement des déplacements désirés ;
- bb) application aux actionneurs.
[Revendication 11] Procédé selon les revendications 2, 3 et 5, caractérisé en ce que, lorsque la première région ou la deuxième région, ou les régions additionnelles éventuelles varient au cours du temps, les premiers signaux de commande, les deuxièmes signaux de commande et les signaux de commande additionnels éventuels sont déterminés au moyen des opérations suivantes :
- cc) identification, pour chacun des actionneurs et chacune des régions de la surface de contact, d’un spectre fréquentiel représentant la pondération en fonction de la fréquence de l’effet de l’actionneur sur toute région de la surface de contact ;
- dd) extraction des lignes correspondant à des régions a et b et des régions additionnelles issue de la matrice des spectres Hy associant chaque région (i) à chaque actionneur (j) et empilant des dites lignes correspondant aux régions a et b et aux régions additionnelles en une seule matrice HCj ;
- ee) calcul de la matrice pseudo inverse H+jC de HCj;
- ff) transformation dans le domaine temporel des produits obtenus à l’étape ee) ;
- gg) convolution matricielle du produit de l’étape ff) par l’empilement des déplacements désirés ;
- hh) application aux actionneurs.
[Revendication 12] Interface haptique (100) mettant en oeuvre le procédé selon l’une quelconque des revendications 1 à 11 , caractérisée en ce qu’elle comporte :
- une surface de contact (110) équipée d’un dispositif de détection et de localisation d’au moins un point de contact entre au moins un utilisateur (101 ) et ladite surface de contact ; - au moins deux actionneurs (120) solidaires de la portion rigide, montés à distance l’un de l’autre et adaptés pour être actionnés simultanément afin de générer au moins un déplacement (D) de ladite portion rigide ; et
- une unité de traitement (130) adaptée pour piloter chaque actionneur (120) avec une évolution temporelle différente.
[Revendication 13] Interface haptique selon la revendication 12, caractérisée en ce qu’elle comporte un bâti dans lequel est montée la surface de contact (110).
[Revendication 14] Interface selon la revendication 13, caractérisée en ce que la surface de contact (110) est reliée au bâti par l’intermédiaire des moyens de suspension viscoélastique.
[Revendication 15] Interface selon la revendication 12, caractérisée en ce que la surface de contact (110) est encastrée rigidement sur tout son pourtour sur un bâti.
[Revendication 16] Interface selon la revendication 12, caractérisée en ce que la surface de contact (110) est encastrée partiellement sur un bâti.
[Revendication 17] Interface selon la revendication 12, caractérisée en ce que la surface de contact (110) est dans une condition d’encastrement bords libres.
[Revendication 18] Dispositif électronique interactif, caractérisé en ce qu’il comporte une interface haptique (100) selon l’une quelconque des revendications 12 à 17.
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