Brevet FR2707911A1 — publié le 19950127

MANIPULATEUR A ACTIONNEMENT MULTIMODE. La présente invention concerne un manipulateur à actionnement multimode utilisable dans de nombreuses applications telles que, par exemple, la télécommande, la télémanipulation, le pilotage, ou même la gestion d'un curseur sur un afficheur associé à un processeur. Habituellement, les manipulateurs de ce genre font intervenir une manette de commande pouvant rotuler sur une structure fixe et qui est associée à des moyens de détection aptes à fournir des signaux électriques représentatifs de l'orientation et, éventuellement, de l'amplitude des déplacements transversaux du levier (voire même uniquement des efforts transversaux exercés sur celui-ci). Un tel manipulateur, qui utilise des jauges de contrainte en tant que moyen de détection, se trouve décrit dans le brevet FR No 2 659 789 au nom de la Demanderesse. Dans cet exemple, la manette est en outre mobile axialement de manière à pouvoir actionner le bouton-poussoir d'un interrupteur de validation et de permettre à l'opérateur de réaliser simultanément une action de manoeuvre (en exerçant sur la manette un effort transversal) et une action de validation indépendante (en soumettant la manette à un effort axial). - 2 - 2707911 Il s'avère que ces manipulations qui conviennent ergonomiquement à certaines fonctions de pilotage et de télémanipulation, ne se prêtent pas bien à la gestion d'un curseur sur un écran, par exemple, dans le cas d'applications telles que la conception ou le dessin assisté par ordinateur. C'est la raison pour laquelle pour ce type d'applications on préfère les tablettes graphiques ou même des dispositifs tels que les "souris" ou les "trackballs". On constate qu'à l'inverse, ces moyens ne conviennent pas bien au pilotage et aux télémanipulations. L'invention a donc plus particulièrement pour but un manipulateur qui cumule les avantages des solutions précédemment évoquées sans en présenter les inconvénients, et ce, de manière à pouvoir être utilisé aussi bien pour des gestions de curseur ou similaire que pour des pilotages et des télémanipulations. En vue de parvenir à ces résultats, elle propose un manipulateur multimode faisant intervenir: - un organe de commande monté rotatif autour d'un axe de rotation par l'intermédiaire d'un arbre sensiblement coaxial, - des moyens d'articulation permettant audit arbre de rotuler autour d'un centre de rotation sous l'effet d'un effort exercé sur l'organe de commande avec rappel élastique en position de repos dès que cesse ledit effort, - des moyens permettant de détecter la position angulaire de l'organe de commande autour dudit axe, - des moyens permettant de détecter l'orientation de l'arbre autour dudit centre de rotation, - 3 - 2707911 - des moyens de commutation permettant le passage d'un premier mode de fonctionnement dans lequel au moins les informations relatives à l'orientation de l'arbre sont prises en compte, à un second mode de fonctionnement dans lequel au moins les informations de position angulaire sont prises en compte, - des moyens permettant de valider l'information de position angulaire de l'organe de commande et d'orientation de l'arbre détectées par les susdits moyens de détection. Il est clair que dans le premier mode de commande, l'opérateur peut utiliser le manipulateur d'une façon classique. Par contre, dans le second mode, l'opérateur peut faire tourner l'organe de commande autour de son axe de rotation, par exemple pour effectuer une rotation synchrone correspondante d'un organe commandé. Dans le cas de la gestion des déplacements d'un curseur, cette solution pourra permettre de déterminer et d'afficher à l'écran (par exemple grâce à un axe mobile en rotation autour d'un point du curseur en correspondance avec la rotation de l'organe de commande) la direction que doit emprunter ce dernier pour parvenir à un emplacement recherché. L'action sur des moyens de commande pouvant consister en les moyens de validation peut alors provoquer un déplacement du curseur dans la direction ainsi déterminée; jusqu'à ce qu'il atteigne l'emplacement choisi. Des modes d'exécution de l'invention seront décrits ci- après, à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est une représentation schématique, en coupe axiale verticale d'un manipulateur selon l'invention utilisé pour la gestion d'un curseur affiché sur un écran; - 4 - 2707911 La figure 2 est une vue de dessus du manipulateur représenté sur la figure 1; Les figures 3, 4 et 5 sont des représentations schématiques de l'écran qui permettent d'illustrer un mode de fonctionnement du manipulateur; La figure 6 est une vue schématique, en coupe axiale d'une variante d'exécution du manipulateur. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, le manipulateur 1 est destiné à assurer la gestion d'un curseur C affiché sur l'écran 2 d'un dispositif d'affichage associé à un processeur 3. Ce manipulateur comprend un boîtier 4, de forme parallélépipédique dont la face supérieure 5 est munie d'un palier central vertical 6 dans lequel peut pivoter et coulisser axialement un arbre rotatif tubulaire 7. Cet arbre rotatif 7 porte, à son extrémité supérieure, un disque rotatif 8 qui s'étend parallèlement à la face supérieure 5. Le maintien en position axiale de l'ensemble arbre 7- disque 8 est assuré par un ressort de compression 9 disposé coaxialement entre la face supérieure 5 et le disque 8. L'arbre tubulaire 7 comprend une portion amincie 10 située sensiblement à mi-distance entre la face supérieure 5 et le disque. Cette région amincie forme, en quelque sorte, une articulation élastique similaire à une rotule, grâce à laquelle l'ensemble formé par le disque 8 et la partie supérieure de l'arbre 7 peut rotuler autour - 5 - 2707911 d'un centre de rotation 0, par exemple sous l'effet d'une pression axiale exercée à la périphérie du disque 8. Le disque 8 comprend, par ailleurs, une cavité centrale coaxiale 11 qui communique avec le volume intérieur de l'arbre tubulaire 7, et dans laquelle est monté coulissant, avec rappel par ressort 12, un poussoir coaxial 13 solidaire d'une tige 14. Par ailleurs, le boîtier 4 renferme: - un détecteur 15 disposé en regard d'une roue codeuse 16 portée par l'arbre tubulaire 7, coaxialement à celui- ci, - un micro-interrupteur 17 disposé sous l'arbre tubulaire 7 de manière à être actionné par celui-ci lorsqu'à la suite d'une pression exercée sur le disque 8 l'arbre 7 se déplace vers le bas contre l'action du ressort 9, au-delà d'une course prédéterminée, - un micro- interrupteur 18 disposé sous l'extrémité de la tige 14 qui ressort de l'extrémité inférieure de l'arbre tubulaire 7, de manière à être actionné à la suite d'une pression exercée sur le poussoir 13, - une jauge de contrainte optionnelle 19, placée en parallèle ou en remplacement de l'interrupteur 17, de manière à obtenir un signal proportionnel à la force exercée sur le disque 8, et un dispositif à jauges de contrainte G monté sur l'arbre au niveau de la portion amincie de manière à pouvoir déterminer l'orientation de la flexion de l'arbre; ce dispositif pourra avantageusement comprendre quatre jauges de contrainte régulièrement espacées autour de l'arbre de manière à ce qu'une flexion de ce dernier provoque une extension ou une compression des jauges de contrainte. Dans cet exemple, la face supérieure 5 du boîtier 4 supporte quatre touches de fonction T1 à T4, de forme - 6 - 2707911 trapézoïdale, avec la petite base incurvée, qui occupent l'espace compris entre le disque 8 et les bords latéraux du boîtier 4. Ces touches de fonction T1 à T4 agissent sur des interrupteurs respectifs 20 montés sur la face supérieure 5. La surface cylindrique du disque 8 est munie d'une piste crantée 22 sur laquelle vient porter une bille 23 sollicitée par un ressort 24 en appui sur le boîtier 4, de manière à engendrer une sensation tactile lors de l'entraînement en rotation du disque 8. La face supérieure du disque 8 peut être recouverte d'une couche tactile 21 apte à déceler la présence d'un doigt ou d'une main à proximité immédiate du disque 8, voire même un effleurement de ce dernier. Les interrupteurs 17, 18, 20, le détecteur 15, la jauge de contrainte 19, la surface tactile 26 et le dispositif à jauges de contrainte G, sont connectés à un circuit d'interface 27 qui assure une mise en forme des signaux délivrés par ces éléments et les transmet sous une forme numérique appropriée, au processeur 3. Celui-ci est notamment conçu de manière à déterminer, en fonction des informations transmises par le dispositif à jauges de contrainte G, l'intensité et la direction, dans un plan radial de la flèche prise par l'arbre tubulaire 7. Tel que précédemment décrit, le manipulateur 1 présente deux modes principaux de fonctionnement sélectables, par exemple grâce à la touche T1, à savoir: - un premier mode de fonctionnement qui correspond à celui d'un manipulateur classique et qui fait intervenir le dispositif à jauges de contrainte G pour définir la position et l'intensité d'un effort exercé sur le disque 8, et - 7 - 2707911 - un deuxième mode de fonctionnement qui fait intervenir le détecteur 15 associé à la roue codeuse 16 pour fournir au processeur une information relative à la position angulaire. Bien entendu, ces deux modes de fonctionnement peuvent en outre utiliser les touches T1 à T4, le poussoir 13, l'interrupteur 18 permettant de détecter les déplacements axiaux de l'arbre tubulaire et la couche tactile 26, les fonctions affectées à ces différents moyens dépendant du type d'application. Le fonctionnement du manipulateur selon le premier mode est classique et ne sera donc pas décrit plus en détail. Par contre, le fonctionnement selon le second mode permet d'exécuter, d'une façon particulièrement originale et avantageuse, une multiplicité de fonctions telles que notamment un déplacement du curseur vers un point à atteindre, avec ou sans visualisation du tracé, le relevé d'un cap et/ou de la distance du curseur à un point singulier, etc... Lorsque l'opérateur désire déplacer le curseur du point A o il se trouve, vers un point X, il sélecte tout d'abord le mode de fonctionnement correspondant en exerçant une pression sur la touche T1 puis il pose ses doigts sur le disque 8. La couche tactile 26 détecte la présence des doigts et en informe le processeur 3 qui procède alors à l'affichage d'un axe A' (en traits interrompus) passant par le centre du curseur C et présentant la dernière orientation donnée à ce dernier. L'opérateur fait alors pivoter le disque 8, pivotement dont les données angulaires sont transmises au processeur 3 par le détecteur 15 qui, à son tour, provoque un pivotement de l'axe autour du centre 0. - 8 - 2707911 Bien entendu, l'opérateur poursuit son pivotement jusqu'à ce que l'axe A passe par le point à atteindre X. L'opérateur exerce alors un appui sur le disque 8 de manière à provoquer une commutation de l'interrupteur 17. Celui-ci émet un signal en direction du processeur 3 qui commande un déplacement du curseur C le long de l'axe A, en direction du point X à atteindre. Dans le cas o l'on utilise la jauge de contrainte 19, la vitesse de déplacement du curseur C peut être rendue proportionnelle à l'effort exercé sur le disque 8 (à chaque valeur de l'effort détecté par la jauge 19 peut correspondre une valeur déterminée de la vitesse d'avance). Une fois que le curseur C a atteint le point X recherché, l'opérateur peut appuyer sur le poussoir 13 pour provoquer une commutation de l'interrupteur 18 et, en conséquence, la validation de la position du curseur C. Cette validation peut se traduire par une prise en compte des coordonnées du curseur C par le processeur 3, par une singularisation du point X à l'écran et, éventuellement, par l'effacement de l'axe A. Bien entendu, en sélectionnant un mode graphique, par exemple par une action sur une touche 20, il est possible de visualiser, d'une façon persistante, les déplacements du curseur C. Dans ce cas, ce tracé se maintiendra à la suite de l'effacement de l'axe A. La figure 3, qui illustre le processus précédemment décrit, montre la visualisation à l'écran du trajet du curseur de la position initiale A vers le point X sur l'axe A (la direction initiale A' de cet axe A étant indiquée en traits interrompus). - 9 - 2707911 Toutefois, le mode opératoire utilisé dans cet exemple n'est pas unique: il serait possible dans un premier temps d'orienter grossièrement l'axe A" comme représenté figure 4 en traits interrompus, (par exemple en utilisant le premier mode de fonctionnement) puis de procéder ensuite à un ou plusieurs changements de direction pour atteindre le point X. Ce changement de direction peut être effectué en tournant le disque 8, avec ou sans interruption du déplacement du curseur, c'est- à-dire avec ou sans pression sur le disque 8. Il apparaît clairement qu'en combinant la pression et la rotation du disque 8, il est possible d'obtenir des trajets du curseur de forme courbe, voire même circulaire. A partir du point X, le curseur C peut être amené à un point Y d'une façon analogue à celle précédemment décrite (figure 5). En raison de ses particularités, le manipulateur précédemment décrit offre de nombreuses possibilités. Il permet, par exemple, de définir le cap que doit suivre le curseur pour parvenir au point recherché ainsi que la distance séparant le curseur de ce point, ces informations pouvant être affichées à l'écran une fois que l'axe lié au curseur a été orienté de manière à passer par ce point et que cette orientation a été validée. Il permet d'effectuer des sélections rapides de plages de commande, disposées par exemple autour de l'écran (par exemple de la façon indiquée en traits interrompus sur la figure 7), en procédant simplement à une orientation de l'axe lié au curseur C de manière à ce qu'il passe par la - 10 - 2707911 plage choisie et en validant l'orientation correspondante (sans devoir nécessairement déplacer le curseur le long de l'axe A). Par ailleurs, les deux modes de fonctionnement précédemment décrits peuvent être combinés dans certaines applications et, en particulier, pour la gestion d'un curseur. Dans ce cas, le premier mode de fonctionnement pourra être utilisé pour effectuer une orientation rapide mais grossière de l'axe lié au curseur, le second mode servant ensuite à afficher cette orientation. Bien entendu, l'invention ne se limite pas au mode d'exécution précédemment décrit. Ainsi, selon le mode d'exécution illustré sur la figure 6, l'arbre 35 sur lequel est porté le disque 8 pourrait comprendre une portion sphérique 36 rotulant dans des coquilles de formes complémentaires 37 solidaires du boîtier ou d'une structure mobile en translation par rapport à ce dernier. L'extrémité inférieure de l'arbre est alors accouplée à une jauge de contrainte 38 assurant à la fois la détection de l'ordre de déplacement du curseur C, la direction de l'axe A lié au curseur et la vitesse de déplacement du curseur C. Dans ce cas, l'orientation de l'axe lié au curseur n'est pas obtenue par une rotation du disque 8 mais par un appui sur le disque dans une zone orientée (par rapport au centre du disque) en correspondance avec l'orientation souhaitée de l'axe lié au curseur. Des butées 39, 40 peuvent être prévues de manière à limiter le basculement de l'arbre 35. - 11 - 2707911 Revendications 1. Manipulateur à plusieurs modes d'actionne- ment utilisable notamment à la gestion d'un curseur (C) sur un afficheur (2) associé à un processeur (3), caractérisé en ce qu'il comprend: - un organe de commande (8) monté rotatif autour d'un axe de rotation, par l'intermédiaire d'un arbre (7) sensiblement coaxial, - des moyens d'articulation (10) permettant audit arbre (7) de rotuler autour d'un centre de rotation (0) sous l'effet d'un effort exercé sur l'organe de commande (8) avec rappel élastique en position de repos dès que cesse ledit effort, - des moyens (15, 16) permettant de détecter la position angulaire de l'organe de commande (8) autour dudit axe (7), - des moyens (G) permettant de détecter l'orientation de l'arbre (7) autour dudit centre de rotation (0), - des moyens de commutation (T1) permettant le passage d'un premier mode de fonctionnement dans lequel au moins les informations relatives à l'orientation de l'arbre (7) sont prises en compte, à un second mode de fonctionnement dans lequel seules les informations de position angulaire de l'organe de commande (8) sont prises en compte, - des moyens permettant de valider l'information de position angulaire de l'organe de commande (8) et d'orientation de l'arbre (7) détectées par lesdits moyens de détection (G, 15, 16). 2. Manipulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les susdits moyens d'articulation consistent en une portion flexible (10) de l'arbre (7), et en ce que, dans ce cas, les moyens permettant de détecter l'orientation de l'arbre consistent en un - 12 - 2707911 dispositif à jauges de contrainte (G) disposées au niveau de ladite portion (10). 3. Manipulateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les susdits moyens d'articulation consistent en une liaison à rotule (36, 37) prévue entre une structure support fixe ou mobile en translation et une région centrale de l'arbre (35), et en ce que, dans ce cas, les moyens permettant de détecter l'orientation de l'arbre consistent en un dispositif à jauges de contrainte (38) couplé à l'extrémité de l'arbre (35) opposée à l'organe de commande (8). 4. Manipulateur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le susdit arbre (7) est axialement mobile contre l'action de moyens élastiques (9), et en ce qu'il comprend un interrupteur (17) et/ou une jauge de contrainte (19) sensible aux déplacements axiaux du susdit arbre (7). 5. Manipulateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens permettant de détecter la position angulaire de l'organe de commande (8) consistent en une roue codeuse (16) portée par le susdit arbre (7) et associée à un détecteur (15). 6. Manipulateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le susdit arbre (7) est tubulaire, et en ce que les moyens de validation comprennent un poussoir (13) monté coulissant avec rappel par ressort dans une cavité centrale (11) coaxiale de l'organe de commande (8) et qui coopère avec un interrupteur (18). 7. Manipulateur selon l'une des revendications précédentes, - 13 - 2707911 caractérisé en ce qu'il comprend une pluralité de touches (T1 à T4) disposées autour de l'organe de commande (8). 8. Manipulateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le susdit organe de commande est revêtu d'une couche tactile (26) apte à détecter la présence et/ou le contact d'un doigt de l'opérateur. 9. Manipulateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les susdits moyens de communication (T1 à T4) permettent de passer à un troisième mode de fonctionnement prenant en compte à la fois les informations relatives à la position angulaire de l'organe de commande (8) et les informations relatives à l'orientation de l'arbre (7). 10. Manipulateur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la rotation de l'organe de commande (8) et/ou le pivotement de l'arbre (7) commandent l'orientation du susdit curseur, le déplacement de celui- ci dans la direction choisie étant ensuite obtenu par une action sur des moyens de commutation.