Brevet FR2654233A1 — publié le 19910510

La présente invention concerne un interface permettant d'envoyer ma nuellement des informations à un ordinateur. Ces informations sont généralement destinées d'une part à guider un curseur sur la surface de ltécran, d'autre part à signaler à l'ordinateur quand ce curseur a atteint une zone de l'écran où une action doit être déclenchée. Actuellement, le principal interface utilisé pour communiquer manuellement avec l'ordinateur, en dehors du clavier, est un dispositif communément appelé 'souris". Ce dispositif est composé d'un boitier mobile guidé à la main dont les déplacements sont retransmis à l'ordinateur et généralement visualisés sous la forme d'un curseur se déplaçant sur l'écran. Il comporte en outre un ou plusieurs boutons à deux états (ouvert ou fermé) permettant d'envoyer à l'ordinateur des renseignements complémentaires à l'aide des doigts. Ce dispositif, bien que de plus en plus répandu, possède cependant plusieurs inconvénients - Déplacement imprécis: le mécanisme comporte au moins trois transmissions par frottement (la boule roulant sur le sol, les galets qui transmettent les mouvements de celle-ci) et donc susceptibles de patiner ou de 6'encrasser. - Encombrement important: Le déplacement de la souris sur le bureau nécessite le dégagement d'une surface de travail importante qui lui sera exclusivement réservée. Eg outre, l'obligation de travailler sur une surface plane interdit l'usage de la souris sur un ordinateur portable dans les conditions justifiant l'emploi de celui-ci (train, avion, extérieur en général...) - Fréquents aller-retours de la main : A moins d'accepter une grande imprécision, le rapport entre le déplacement de la main et celui du curseur doit être très grand Cà un grand déplacement de la souris correspondra un petit déplacement du curseur sur l'écran).Ainsi, pour effectuer un déplacement important sur l'écran, l'utilisateur devra le décomposer en plusieurs déplacements de la souris qu'il interrompra à chaque fois à lalimite de la surface de travail pour la soulever et la ramener a l'intérieur Certains programmes - notamment graphiques - proposent plusieurs vitesses de fonctionnement permettant d'avoir soit une grande précision sur de petites distances, soit un déplacement rapide au détriment de la précision. Mais il est impossible de conjuguer les deux avantages. Plusieurs interfaces moins utilisés corrigent certains. défauts de la souris, mais en perdant des avantages en contrepartie Le plus simple, la manette de jeu, est un levier relié à un socle fixe et pouvant prendre 8 positions: avant-arrière, gauche-droite et leurs combinaisons. L'encombrement est réduit mais la précision l'est aussi. En outre il est relativement peu aisé de passer rapidement du clavier à la manette. Sur de rares systèmes, la manette a été remplacée par un levier proportionnel de type 'manche à balai' d'avion. La précision est augmentée, le coût aussi. Comme pour la manette de jeu, il est malaisé de repasser rapidement au clavier. De plus, le temps de réponse entre une position extrême et son opposé est relativement long. Enfin la position repliée des doigts leur interdit tout mouvement latéral indépendant. La tablette graphique est l'interface qui présente la meilleure précision, au prix d'un encombrement important et d'un coût élevé. Elle est constituée d'un stylet dont le déplacement sur une surface spéciale est analysé par la surface elle-même (en général par un ensemble de capteurs de pression, parfois aussi de façon optique). Mais elle permet d#fficile- ment aux doigts controlant le stylet d'envoyer dans le même mouvement les informations autorisées par les boutons de la souris. Il est également malaisé de passer rapidement du clavier au stylet. Interface pratiquement abandonné pour les applications courantes, le stylo optique : travaillant directement sur la surface de l'écran1 les déplacements sont analysés par des capteurs optiques disposés sur le pourtour de ce dernier, ou par une surface sensible et transparente le recouvrant. Les inconvénients en sont principalement le coût et une position peu ergonomique dans la mesure où l'écran est généralement vertical et situé relativement loin de l'utilisateur. Interface relativement nouveau, la boule: C'est une souris posée sur le dos. On agit directement sur la boule qui permettait à celle-ci de se déplacer, simulant ainsi le déplacement. L'encombrement s'en trouve ainsi réduit et la précision légérement améliorée. Mais les doigts continuellement occupés à courir sur la boule pour la faire tourner ne sont plus aptes à envoyer d'autres informatfonîdans le même mouvement, si ce n'est au prix d'une gymnastique assez laborieuse. Le dispositif selon l'invention concilie les avantages des principaux systèmes: l'encombrement réduit, la possibilité d'un déplacement continu sur une longueur illimitée, une très grande précision (alliant les mouvements manuels rapides à la finesse des mouvements digitaux) ainsi que la possibilité d'envoyer de nombreuses informations supplémentaires dans le même mouvement, tout en conservant la position ergonomique et les réflexes instinctifs habituellement utilisés par la souris. De plus, la position est confortable puisque le bras peut reposer sur une surface stable, sans frottement. Enfin l'entretien est nul et le coût réduit. Le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce qu'il concerne la mesure non des déplacements réels de la main mais de ses déplacements virtuels, celle-ci étant stabilisée par le dispositif qui recueille ainsi les pressions résultant de sa réaction au déplacement. Il est composé d'un boitier flottant relié à un socle fixe par l'intermédiaire de capteurs de pressions. Le boitier flottant, recouvrant entièrement le socle, est d'une forme permettant une prise en main aisée: donc sensiblement parallélépipédique , ou hémisphérique. Dans une version de base, deux capteurs disposés perpendiculairement enregistrent de façon proportionnelle les pressions exercées latéralement ou longitudinalement sur le boitier flottant. Dans une version plus perfomante, d'autres capteurs permettront d'obtenir des informations supplémentaires sur les pressions exercées par la main. Ainsi - Un capteur disposé orthogonalement aux précédents recueillera les pressions exercées verticalement sur le boitier. - Le dédoublement des capteurs recueillant les pressions latérales permettra de mesurer les forces de torsion exercées sur le boitier. Ceci à partir de la différence de pression exercée sur les deux capteurs d'une même face. - De la même façon, 3 ou 4 capteurs remplaçant le capteur vertical permettront de mesurer les forces exercées en roulis et en tangage. Dans la version de base, le boitier flottant est muni de 1 à 4 contacteurs à deux états (ouverts ou fermés), disposés sous les doigts, qui fourniront des informations sur l'appui de ceux-ci. Dans le cas d'un boitier muni de capteurs verticaux, les contacteurs auront une sensibilité supérieure au seuil de déclenchement de ces capteurs afin de ne pas inter férer sur les informations concernant les pressions verticales exercées sur le boitier dans son ensemble. Dans une version plus performante, un ou plusieurs des contacteursà deux positions sont remplacés par des dispositifs de mesures proportionnelles. Ces dispositifs ont pour chaque doigt la même fonction que lven- semble du dispositif pour la main. Chacun est muni de capteurs verticaux, latéraux et longitudinaux mesurant les pressions exercées par les doigts, le boitier flottant étant maintenant considéré comme la base de référence. Ces capteurs ont une sensibilité plus grande que celle des capteurs précédents, la pression qu'ils mesurent atteignant sa valeur maximale juste avant le seuil de déclenchement des capteurs correspondant du boitier. On obtient ainsi deux mesures complémentaires: une mesure grossière des pressions exercées par la main, et une mesure plus fine des pressions exercées par les doigts (ceci s'appliquant plus particulièrement à l'index). Cette version du dispositif selon l'invention permet ainsi de retrouver un fonctionnement naturel des membres: la main étant utilisée pour les déplacements importants mais grossiers, et les doigts pour les déplacements plus fins, comme dans l'écriture ou le dessin. Cependant, les mini-dispositif6 pour les doigts peuvent être utilisés de façon autonome, intégrés à n'importe quel support autre que le boitier flottant. Le dispositif peut rassembler l'ensemble des capteurs cités sans que tous soient systématiquement utilisés conjointement. De même, il est possible d'utiliser certains capteurs proportionnels comme des capteurs tout ou rien, les valeurs inférieures à un seuil médian étant considérées comme nulles, et les valeurs supérieures comme égales à 1. Il s'agit d'un interface polyvalent dont la fonction dépendra des différentes utilisations. Le boitier comme le socle peuvent être réalisés en matière plastique. Le socle (1) peût être un parallélépipède ayant des dimensions de l'ordre de 10 cm pour la longueur, 7cm pour la largeur et 2 cm pour la hauteur. Sa face inférieure sera recouverte d'un tapis antidérapant (15) et il pourra éventuellement être rendu solidaire de la surface sur laquelle il repose (S) par l'intermédiaire de vis, sangles (par ex pour l'utilisation sur un accoudoir) ou tout autre système de fixation. Le boitier flottant (2), ouvert sur sa face inférieure, sera légérement plus volumineux que le socle sur lequel il s'ajustera afin de permettre d'intercaler entre les deux les capteurs de pressions (3:latéraux, 4:longitudinaux, et 5:verticaux). Ce dispositif est représenté figure 1 (A:vu de dessus, b: vu de face) La figure 2, vue de dessus indique le rapport entre la main et le dispositif. Pour des raisons de clarté, les capteurs sont symbolisés sous forme de pastilles (Fig 3 :(A) vue de face, (B) vue de profil, F étant la direction des forces mesurées). Selon le type de capteurs de pression utilisés, ceux-ci seront solidaires du socle, du boitier, ou des deux conjointement. Des capteurs de type piézo-électrique! par exemple, seront uniquement solidaires du socle et serviront de support au boîtier. Dans le cas de capteurs à condensateur (agrandissement figure 4), l'une des plaques (6) sera liée au socle (1) et la seconde (7) au boitier (2), les deux plaques étant séparées par un isolant élastique (8) qui les maintient écartées en l'absence de pression mais peut être co#primé par une pression, permettant ainsi leur rapprochement qui déterminera la variation de tension délivrée par le condens teur (La surface de chaque plaque peut évidemment être égale à celle d'une face du socle). Dans le cas d'un principe de type piezo (figure 5), les capteurs horizontaux seront opposés deux par deux. Dans le cas de condensateurs, un seul capteur suffit pour mesurer une pression dans une des directions et son opposée, à condition qu'il soit maintenu dans un état de pression moyen par un mécanisme de rappel (9) tel que ressort, aimantation, surface élastique, disposé sur la face opposée du boitier et d'une résistance à la compression égale à celle de l'isolant élastique du capteur (figure 6). Ces deux types ne sont cités que comme exemple, d'autres types de capteurs de pression pouvant être utilisés. Les figures 7 à 10, comportant chacune une tue de dessus (A) et une vue de face (B) représentent le dispositif muni des capteurs permettant la mesure des forces exercées en roulis (fig. 7), en tangage (fig.8) en lacet (torsion) (fig. 9) et enfin muni d'une combinaison de capteurs suffisante pour mesurer l'ensemble de ces forces (fig. 10) La figure 11 représente les emplacements des contacteurs pour les doigts (8) ceux-ci étant les mêmes pour les contacteurs verticaux simples à deux positions ou les mini-dispositifs de mesures combinées. La figure 12 représente un agrandissement d'un tel mini-dispositif intégré dans le boitier (2). A l'échelle du doigt le principe reste le même que pour le dispositif à l'échelle de la main bien que préférentiellement pour des raisons de gain de place, la partie flottante (2d) soit cette fois contenue dans la partie fixe (ld). Le mini-dispositif est représenté équipé de capteurs de pressions latérales (3d) longitudinales (4d) et verticales (5d). Les possibilités de mouvements de tous les doigts n'étant pas similaires, tous les mini-dispositifs ne seront pas forcément équipés d'un jeu complet de capteurs, les capteurs latéraux étant préférentiellement réservés à l'index et, avec une résolution moindre, au majeur.De meame, les résolutions des capteurs latéraux seront moins fines quècelles des capteurs longitudinaux, welles-même moins fines que celles des cap-teurs verticaux. La figure 13 donne un exemple de l'échelle des mesures pouvant être appliquées à l'index (A), au majeur (B), à l'annulaire (C) et à l'auriculaire (D) Dans tous les cas, les tensions délivrées par les capteurs seront collectées à l'intérieur du boitier où elles seront traitées, soit de façon numérique après passage dans un convertisseur analogique-digital, soit uniquement de façon analogique, de telle sorte que les informations transmises au système récepteur (principalement ordinateur) soient adap- tées au mode de communication attendu par celui-ci. La liaison avec le système récepteur pourra se faire par l'intermé- diaire d'une nappe comprenant autant de cables que de capteurs dans le cas d'une liaison analogique, ou, dans le cas d'une liaison numérique, par une simple liaison série ou parallèle (le choix étant lié à celui du traitement à l'intérieur du boitier) .Dans le cas d'un ordinateurinitialement prévu pour etre connecté à une souris standard, les informations transmises par le dispositif slon l'invention seront réparties en deux sorties distinctes : la première, se connectant sur la fiche normalement destinée à la souris ne transmettra que les données habituelles (déplacement horizontal et appui sur les boutons à deux positions) sous la forme habituellement employée (analogique ou digitale) ceci afin de permettre une utilisation immédiate en remplacement de la souris, sans modification ni du matériel récepteur ni du logiciel utilisateur. La seconde transmettra les éventuelles informations supplémentaires (torsion, roulis,tangage, pression verticale et mesures proportionnelles de l'appui sur les boutons) et se connectera sur une entrée série ou parallèle de l'ordinateur.L'adjonction d'un second cable n'est pas rédhibitoire dans la mesure où, contrairement à la souris, le dispositif selon l'invention reste immobile (et peut même éventuellement être intégré à l'ordinateur). En outre,dans le cas d'une utilisation simple, se limitant au remplacement de la souris, seul le cable habituel est nécessaire. Dans un premier temps, le dispositif peut être industrialisé sous une forme simple, comprenant uniquement les capteurs horizontaux mesurant le déplacement virtuel et des boutons à deux positions identiques à ceux utilisés dans le cas de la souris. Ce dispositif simple remplira les memes fonctions que la souris qu'il pourra remplacer sans adaptation tout en apportant des avantages significatifs: déplacements continus sur une longueur infinie, encombrement réduit, possibilité d'utilisation sur les portables dans les conditions spécifiques à ceux-ci, précision et résistance supérieures grâce à la suppression des mécanismes de roulement. Ce dispositif de base contiendra cependant l'électronique permettant de traiter la totalité des informations possibles. Il pourra ainsi recevoir en option le mini-dispositif recueillant les déplacements horizontaux précis de l'index. Dans ce cas, tout en ne nécessitant toujours que le cable habituel, il offrira alors une précision égale à celle d'une tablette graphique. Les boutons à deux positions pourront être amovibles et seront donc remplacé par des boutons proportionnels au fur et à mesure des besoins et de la création de logiciels utilisant leur fonctionnalités. La transition entre la souris et le dispositif selon l'invention peut ainsi se faire d'une manière progressive: du côté de l'utilisateur parce qu'il n'investira d'abord que das un mécanisme parfaitement adapté à son ordinateur et aux logiciels existant tout en offrant des avantages immédiats, et du côté du créateur de logiciels parce qu'il pourra se permettre d'attendre que le parc installé soit suffisamment important pour développer des applications spécifiques de façon rentable. Le dispositif selon l'invention n'a été décrit sous forme parallélépipèdique que par souci de clarté. La formeform@ extérieure du boitier ne dépend que de l'ergonomie. De même, le principe reste inchangé si l'élément flottant (2) décrit comme recouvrant l'élément fixe (1) est au contraire contenu dans celui-ci. REVENDICATIONS 1) Dispositif traduisant les mouvements manuels à l'intention d'un système électronique caractérisé en ce que des capteurs de pression (3) et (4) analysent de façon proportionnelle la combinaison des pressions longitudinales et transversales exercées par la main sur un socle fixe (1) par l'intermédiaire d'un boitier flottant (2) 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisée par la présence d'un capteur supplémentaire (5) analysant la pression exercée sur le socle dans un sens vertical. 3) Dispositif selon la revendicationl ou la revendication 2 caractérisé en ce qu'un capteur supplémentaire (3b) permet d'analyser les forces de torsions exercées sur le socle. 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'un ou deux capteurs supplémentaires (4b et 5b) permettent d'analyser les pressions exercées de façon dissymétrique dans le sens vertical. 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'un ou plusieurs capteurs (8) disposés sur le boitier (a), plus sensibles que le capteur de la revendication 2, analysent les pressions verticales exercées par les doigts sur des points précis de ce boitier. 6) Dispositif selon les revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que la taille et la sensibilité du dispositif permettent l'analyse des pressions exercées par le doigt. 7) Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que les capteurs disposés sur le boitier (8) sont remplacés par des dispositifs selon la revendication 6.