Brevet FR2782813A1 — publié le 20000303

-1- La présente invention décrit une interface entre un opérateur et une machine utilisant les modifications des caractéristiques d'une force exercée par la machine sur l'opérateur. Il s'agit d'utiliser le sens du toucher et le sens proprioceptif des muscles de la main, interface dite haptique. Jusqu'à présent, l'aspect sensori-moteur a été absent des interfaces hommes machines. Mais les techniques de réalité virtuelle imposent la prise en compte de cet aspect parce que les interfaces de simulations habituelles, visuelles ou auditives ne suffisent plus à appréhender un environnement virtuel complexe. Par exemple: la vue d'un objet même en relief ne renseigne ni sur son poids ni sur sa structure interne ( répartition du poids, élasticité, résistance, contenu dans le cas d'un récipient...). Aussi ces dernières années un certain nombre de solutions ont vu le jour. Il s'agit soit d'interface sensitive, soit d'interface dite haptique faisant appel au retour d'effort. On peut regrouper ces interfaces en deux grandes catégories: a) les interfaces sensitives: Elles permettent de stimuler la peau de l'utilisateur. On peut ainsi simuler une texture ou l'état de surface d'un objet. On peut aussi communiquer de manière plus complexe par exemple en utilisant le braille. Il s'agit d'appareils créant des effets très limités appelés retours tactiles. On peut énumérer: - le retour tactile à matrice d'aiguilles ( Par exemple pour afficher un texte en braille). - le retour tactile par vibration. - le retour tactile pneumatique. - le retour tactile thermique. - les leviers de commande avec retour d'effort. - les manches à balai avec un retour d'effort. Ce type d'interfaces s'avère très limité en dehors de l'utilisation ludique ( pilotage d'un simulateur d'avion par exemple). - les boules de commandes ("trackball") avec retour d'effort. b) les interfaces haptiques: Elles permettent d'agir sur les muscles de l'utilisateur. En général, un capteur mesure la force exercée par la main sur le dispositif tandis qu'un moteur fourni la force de réaction du dispositif -2- Cette dernière force est calculée par l'ordinateur en fonction de l'effet souhaité. La force est calculée dans un référentiel fixe, le dispositif de retour d'effort étant solidaire d'un support fixe sauf dans le cas de l'exosquelette o l'engin épouse la main de l'utilisateur. Il faut souligner qu'elles introduisent une relation instrumentale avec le monde informationnel ( fonction argotique). Grâce à elles, l'information n'est plus désincarnée mais se traduit par un mouvement, un travail. On peut énumérer: - le pantographe à deux degrés de liberté. - les tables trois axes avec une poignée ou un doigté et qui produisent un retour d'effort. - les volants avec retour d'effort destinés à des jeux vidéo. - les engins de type "lampe de bureau" fixé sur une table comportant de éléments en rotation suivant plusieurs degrés de liberté avec une poignée ou un doigté et des moteurs associés à des capteurs de force permettant un retour d'effort. - soit d'engin constitué d'un exosquellette de la main avec retour d'effort sur chacun des doigts de la main. Le fait que l'appareil doit être fixé entraine une limitation de l'espace de travail à un volume assez faible et proportionnel au coût de l'équipement. D'autre part, il est nécessaire de limiter l'intensité du retour d'effort pour des raisons de sécurité. Description: La présente invention a pour objectif de faire intervenir l'aspect sensori- moteur entre l'homme et la machine et ce de manière simple, peu coûteuse et sûre. La présente invention utilise notre manière de soupeser les objets pour en apprécier la masse et la structure interne. Cette fonction utilise les capacités proprioceptives de nos muscles. Contrairement aux autres dispositifs existant, la présente invention n'a pas besoin d'être fixée pour produire un effet sensible sur la main. Il s'agit d'un objet de la forme d'un tube que l'on tient dans la main, dont on peut repérer la position dans l'espace et dont le centre de gravité peut être modifié par l'ordinateur. Le dispositif décrit pourra être associé à des capteurs de positions tridimensionnelles. -3- De plus, l'appareil pourra compléter certaines interfaces de réalité virtuelle tel que, par exemple, des casques de réalité virtuelle. Les utilisations possibles peuvent être: - guider la main pour certaines opérations manuelles, guidage des personnes mal voyantes, - simulation d'un effort si on prend appuie sur un objet fixe, indication d'information supplémentaire lors de l'examen de carte ou de graphique ( par exemple: une personne passe l'objet sur une carte et les réactions de l'appareil lui donnent des indications sur l'hydrologie du sous-sol), - correction de posture lors de l'utilisation d'interface d'immersion dans un monde virtuel ( dans le cas d'une adaptation à un casque de réalité virtuelle par exemple), - interface haptique dans le cadre de la réalité virtuelle,... - base pour des modules pouvant s'assembler afin de simuler des interactions complexes. Les modules sont reliés par des pièces de liaison comportant des capteurs contrôlant leur état ( par exemple: pièces de liaison avec un axe orthogonale et capteur de position angulaire). Dans la première réalisation de l'invention, le déplacement du centre de gravité est assuré par une masselotte entrainée par un système électro- mécanique. Le tout est contenu dans un tube léger. La partie mobile devra constituer l'essentiel du poids du dispositif Une poignée peut s'adapter au centre du tube. Deux poignées optionnelles peuvent s'adapter aux deux extrémités du tube. Dans la deuxième réalisation de l'invention, le déplacement du centre de gravité est assuré par une masselotte entrainée par un système pneumatique. Le tout est contenu dans un tube léger. La partie mobile devra constituer l'essentiel du poids du dispositif. Une poignée peut s'adapter au centre du tube. Deux poignées optionnelles peuvent s'adapter aux deux extrémités du tube. Dans la troisième réalisation de l'invention, le déplacement du centre de gravité est réalisé par le déplacement d'un liquide entre au moins deux réservoirs. Le liquide devra constituer l'essentiel du poids du dispositif. Le tout est contenu dans un tube, un disque, une sphère ou tout autre forme adéquate. Le dispositif comporte une adaptation à une partie du corps de l'utilisateur. -4- La source d'énergie nécessaire peut-être contenue dans le dispositif ou extérieur au dispositif Dans ce dernier cas, il faudra relier l'appareil par un fil à cette source d'énergie. Dans toutes les réalisations de l'invention, une interface électronique de contrôle et de commande éventuellement contenue dans le dispositif de l'invention, reçoit les commandes du micro-ordinateur hôte via une liaison série standard. Brève description des dessins: La figure 1 représente le shéma de principe, vue de face, des deux premières réalisations de l'invention. La figure 2A représente la vue de face en coupe de la première réalisation de l'invention. La figure 2B représente la vue de gauche de la première réalisation de l'invention utilisant un système pignon crémaillère. La figure 2C représente la vue de gauche de la première réalisation de l'invention utilisant un moteur linéaire. La figure 2D représente la vue de face en coupe de la première réalisation de l'invention utilisant un moteur linéaire. La figure 3A représente la vue de face en coupe de la deuxième réalisation de l'invention. La figure 3B représente la vue de gauche de la deuxième réalisation de l'invention. La figure 4 représente la première réalisation de l'invention munie de ces deux poignées optionnelles. La figure 5 représente une vue de face de la première réalisation de l'invention adaptée pour l'utilisation modulaire de l'invention. La figure 6 représente un exemple d'utilisation modulaire comportant deux modules. Description détaillée: Dans la première et la deuxième réalisation de l'invention, la modification du centre de gravité s'obtient par déplacement d'une masselotte 101 à l'intérieur d'un tube 102 (fig 1). Dans la première réalisation de l'invention (fig. 2), la masselotte est entrainée par un système pignon crémaillère. Deux pignons 201 et 202 sont entrainés par un moteur électrique miniature équipé d'un réducteur 203. Le corps de la masselotte comprend une rainure 204 permettant le passage de la crémaillère 205. -5- La position du centre de gravité est calculée grâce à un système infrarouge simple. Une diode émettrice 206 est placée sur la masselotte et une diode ou une photodiode réceptrice 207 sur un des fonds du tube derrière un diaphragme 208. Celle-ci produit donc une tension inversement proportionnelle à la distance entre la diode émettrice et la diode réceptrice. Ceci permet ainsi de connaître la position approximative du centre de gravité par rapport à une des extrémités du tube. La position de la masselotte peut être mesurer par un encodeur optique linéaire plus sophistiqué. L'alimentation peut être fournie par le cable de commande 209 ou contenu dans un accumulateur à l'intérieure de la masselotte. Un passage 209 et une rainure 210 permettent le mouvement libre du cable sans gêner celui de la masselotte. Si l'énergie est fournie par l'extérieur, l'interface communique avec l'ordinateur par un cable électrique 209, sinon par une liaison infrarouge. Le repérage du dispositif dans l'espace est déterminé de manière optique, acoustique, électromagnétique suivant trois coordonnées. Le repérage du dispositif dans l'espace est indépendant et ne fait pas partie de la présente invention. il peut s'agir d'un repérage électromagnétique, mécanique, sonore, ultra-sonore, radio ou optique. De plus, l'orientation spatiale du dispositif peut être prise en compte, par exemple, grâce à un inclinomètre. Dans cette première réalisation du dispositif de l'invention, le système moteur, pignon, crémaillère peut être remplacé par un moteur électrique linéaire 211 et son rail 212 de longueur appropriée (Figure 2C et 2D). L'interface électronique implantée sur une carte extérieur au dispositif est construite autour d'un micro-controleur, de un à quatre pilotes pour moteurs à courant continu. Elle communique avec le micro-ordinateur grâce à une liaison série standard. Elle est reliée au dispositif de l'invention par un cable comportant cinq fils: deux pour la commande du moteur 203 électrique, trois pour la diode 206 et la photodiode 207 infrarouge. Cette interface peut commander jusqu'à quatre exemplaires de la première réalisation de l'invention. Dans la deuxième réalisation de l'invention (fig. 3), la masselotte est entrainée au moyen d'un système pneumatique. La modification du centre de gravité s'obtient par déplacement d'une masselotte 101 à l'intérieur d'un tube étanche 301 similaire à un cylindre pneumatique à double effet. -6- La masselotte constituant le piston est entrainée par l'injection d'air dans la partie droite du cylindre 302 ou dans la partie gauche 303. L'étanchéité est assurée par deux joints 304 en caoutchoux aux deux extrémités de la masselotte. Les deux parties du cylindre sont alimentées par l'intermédiaire de deux tuyaux souples 305 et 306. Chacun des tuyaux souples est relié à une des sorties d'un inverseur pneumatique commandé par le micro-ordinateur hôte à travers une interface électronique simple, l'entrée de l'inverseur étant relié à un compresseur. La position de la masselotte est calculée grâce à un système infrarouge simple constitué d'une diode émettrice 307 qui illumine une des faces 308 de la masselotte 101 et, d'une diode photoréceptrice 309 munie d'un diaphragme. La tension produite par la diode réceptrice, éclairée par réflexion, est fonction de la position de la masselotte 101. L'interface électronique extérieur au dispositif est construite autour d'un micro- controleur, de quatre inverseurs pneumatiques et d'un compresseur pneumatique. Elle communique avec le micro-ordinateur hôte via une liaison série standard. Elle est reliée au dispositif par un cable comportant deux tubes à air souples, trois pour la diode 206 et la photodiode 207 infrarouge. Dans la troisième réalisation de l'invention, non illustrée, le déplacement du centre de gravité est obtenu par déplacement d'un liquide entre deux réservoirs. Les réservoirs de même volume V sont reliés par une pompe réversible. Le volume du liquide est égale au volume V. La pompe réversible permet de répartir la masse du liquide entre les deux réservoirs. Chaque réservoir est constitué par un long tube creux en plastique translucide et de section identique à celle de la pompe réversible. Une des extrémités est reliée à la pompe, l'autre à un vase d'expansion rempli d'air. Un système optique infrarouge permet de mesurer la longueur du tube occupée par le liquide. L'interface électronique implantée sur une carte extérieur au dispositif est construite autour d'un micro-controleur, de un à quatre pilotes pour moteurs à courant continu. Elle permnnet de commander jusqu'à quatre pompes réversibles. Elle communique avec le micro-ordinateur grâce à une liaison série standard. - 7- Dans le cas de l'utilisation d'un ordinateur hôte, des logiciels dits de réalité virtuelle ou des logiciels de simulation, détermine le comportement de l'invention. Ces logiciels, très variés, ne sont pas décrits ici. Le dialogue, entre l'ordinateur hôte et l'interface du dispositif s'effectue au moyen de commandes simples tel que: - réinitialiser. - équilibrer c'est à dire placer le centre de gravité au milieu du dispositif - placer le centre de gravité dans une position donnée. - faire osciller le centre de gravité autour d'une position donnée, suivant une période donnée et pendant une durée donnée. Utilisation: Une factçon d'utiliser le dispositif de l'invention permet d'introduire certaines sensations dans les logiciels de réalités virtuelles. L'utilisateur saisit le dispositif par la poignée centrale. Il peut alors ressentir le déplacement du centre de gravité en fonction du logiciel utilisé. Si le dispositif est équipé d'un inclinomètre, le dispositif de l'invention peut répondre à une solicitation de la main. Un logiciel de réalité virtuelle représente une pièce en trois dimensions. Quand l'opérateur déplace sa main, il se déplace dans l'espace virtuel. Le logiciel peut grâce au dispositif donner des informations supplémentaires. L'utilisateur peut aussi saisir une extrémité du dispositif par une des poignées optionnelles à la manière dont les sourciers tiennent leurs baguettes. Si l'utilisateur pose l'autre extrémité sur une table, il peut ressentir les différences de poids des objets décrits dans l'espace de réalité virtuelle. Une autre facçon d'utiliser le dispositif de l'invention consiste au guidage d'une personne mal-voyante. La personne tient le dispositif dans une main. L'interface du dispositif est programmée de telle manière qu'elle donne des indications sur l'environnement, par exemple: la présence d'un obstacle ou la présence d'une porte. Le dispositif de l'invention est aussi adaptable à un casque de réalité virtuelle. Ainsi, dans une simulation de course automobile, le dispositif recrée l'effet de l'accélération subit par la tête d'un pilote automobile. -8- On peut utiliser le dispositif de l'invention comme des modules élémentaires pour reconstituer des interactions complexes avec l'utilisateur. Les modules sont reliés entre eux soit par des liaisons fixes, soit par des liaisons comportant un ou plusieurs degrés de liberté. Le premier type de module est constitué par: - un support 503 à fixer sur une table ou un autre module, - un dispositif 501 tel que décrit dans le première réalisation, - un axe de rotation 502 sur lequel est fixé ce dispositif - un capteur de position angulaire du dispositif sur l'axe. Le dispositif est en rotation libre autour de l'axe. Le deuxième type de module est constitué par: - un support à fixer sur une table ou un autre module, - un dispositif tel que décrit dans le première réalisation, - une rotule comportant deux degrés de liberté sur lequel est fixé ce dispositif, - deux capteurs de position angulaire pour déterminer l'état de la rotule. Une application est constituée par: - un premier module du premier type 601 fixé sur une table à deux degrés de liberté en translation XY 603. - un second module du premier type 602 fixé sur le premier module. Le dispositif du deuxième module est muni de sa poignée optionnelle à une de ses extrémités. On peut remplacer la poignée par un doigté ou un stylet. Le tout est relié à un ordinateur qui détermine le comportement de l'application en fonction de la position donnée au premier module par rapport à la table suivant deux axes. -9- Revendications: 1) Dispositif permettant à une machine de communiquer avec un utilisateur par l'intermédiaire d'une force variable caractérisé en ce qu'il s'agit d'un corps présentant des agencements aptes à modifier sensiblement la position de son centre de gravité, comprenant: a) un tube enveloppe (102) pouvant être tenu par la main et, b) une masselotte (101), mobile à l'intérieur du tube enveloppe, représentant l'essentiel de la masse du dispositif et, c) un mécanisme permettant de déplacer la masselotte à l'intérieur du tube et, d) un système permettant de contrôler la position de la masselotte dans un repère lié au dispositif et, e) une interface électronique de commande et de contrôle. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs masselottes mobiles et plusieurs mécanismes permettant de déplacer chaque masselotte indépendamment des autres. 3) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il se compose de: a) une enveloppe de forme adéquate adaptable au corps humain et, b) deux réservoirs contenant un liquide représentant l'essentiel de la masse du dispositif et, c) une pompe réversible miniature reliant les deux réservoirs et, d) un système permettant de mesurer le volume contenu dans un des deux réservoirs et, e) une interface électronique de commande et de contrôle. 4) Dispositif selon la revendication 3 caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs réservoirs pouvant contenir un liquide reliés deux à deux par une pompe réversible miniature. ) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend des agencements aptes à dialoguer avec un ordinateur. 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'énergie nécesssaire à son fonctionnement peutêtre fournit par des accumulateurs placés à l'intérieur du dispositif. 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte un agencement apte à repérer sa position et son orientation. 8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend des agencements aptes à l'adapter à une partie quelconque de la morphologie de l'utilisateur. -10- 9) Un système de conception assisté par ordinateur caractérisé en ce qu'il comporte: - un ordinateur et, - un assemblage de modules composés chacun de: a) un dispositif selon une quelconque des revendications précédentes et, b) au moins un moyen de liaison comportant au moins un degré de liberté, le dit moyen de liaison permettant d'assembler deux modules et, c) au moins un capteur permettant de mesurer l'état de la liaison.