Brevet FR2808900A1 — publié le 20011116

La présente invention concerne un dispositif destiné à transformer le déplacement d'un outil ou de la main de l'utilisateur, en un signal électrique qui correspond à ou est représentatif dudit déplacement. L'invention trouve plus particulièrement application dans le domaine de la transmission ou transformation du déplacement d'un membre ou de la main de l'utilisateur, ou d'un outil tenu par celui-ci, en un signal susceptible d'être transmis à un système d'acquisition et/ou de traitement de l'information relative au dit déplacement, ledit système étant apte à utiliser cette information de manière qu'elle soit représentative du déplacement réel dans l'espace, dudit membre ou de la main de l'utilisateur. Plus spécifiquement, l'invention peut être appliquée notamment au domaine de l'informatique, pour transformer le déplacement d'un outil tenu à la main ou déplacement de la main, de l'utilisateur, en une information destinée à être traitée par un ordinateur. Dans ce domaine particulier d'application informatique, de manière connue, l'utilisateur transmet à l'ordinateur une information correspondant au déplacement de sa main, par l'intermédiaire d'une souris ou d'un joystick. Ces dispositifs sont largement répandus et donnent satisfaction, bien qu'ils présentent quelques limites. En premier lieu, les contacts mécaniques solides utilisés dans ces dispositifs connus entraînent une usure et doivent être entretenus et nettoyés régulièrement. En outre, ces dispositifs sont nécessairement associés à un support, généralement horizontal, qui limite la mobilité de l'utilisateur. Enfin, sur le plan psychologique, notamment en ce qui concerne la souris, l'utilisateur se déplace sur un plan horizontal pour transmettre une information sur l'écran en position verticale. II serait donc souhaitable de disposer d'un dispositif permettant de donner à l'utilisateur la perception naturelle du déplacement de sa main, ou de l'outil tenu à la main, et qui correspond au déplacement de l'objet (pointeur, personnage ou véhicule dans un jeu animé) dans la représentation telle qu'elle apparaît à l'écran relié à l'ordinateur. La présente invention remédie à ces inconvénients et propose un tel dispositif apte â donner à l'utilisateur la sensation d'une adéquation quasi parfaite entre le mouvement d'une partie de son corps (tête, membre, main, etc-, ou de l'outil qui tient) et le déplacement de l'objet dans la représentation qui lui apparaît à l'écran, et ce sans quasiment d'entrave dans l'espace. Le dispositif de l'invention ne se limite pas à la détection de mouvement de la main, mais s'étend à d'autres parties du corps, afin par exemple de détecter le tangage et le roulis ; il peut également être disposé sur les articulations d'un utilisateur pour détecter ou quantifier le mouvement de certains membres. De façon connue, on utilise à cette fin des techniques optiques, ultrasons, magnétiques ou encore inertielles qui présentent, outre leurs prix excessifs, des inconvénients Technique optique: des pastilles réfléchissantes sont disposées sur l'élément dont on souhaite capter les mouvements, des caméras judicieusement placées autour dudit élément filment la scène (les pastilles). Puis par des principes de stéréoscopie et de triangulation, les positions spatiales des pastilles sont déduites. Bien que cette technique permette d'obtenir une précision importante, elle présente un inconvénient majeur à savoir l'occultation c'est-à- dire qu'aucun objet ne doit se trouver dans le champ des caméras. Technique à ultrasons: trois émetteurs d'ultrasons formant un triangle définissant un plan orientable, sont disposés sur l'élément dont on souhaite capter les mouvements. Trois récepteurs d'ultrasons formant un triangle définissant un plan, sont disposés sur un élément fixe. Les récepteurs définissent un plan de référence. La mesure des distances, par chronométrage du temps de propagation des ultrasons, entre les trois couples émetteur- récepteur permet par triangulation de définir la position et l'orientation de l'élément dont on souhaite capter les mouvements. Cette technique souffre aussi du problème d'occultation. Technique magnétique: trois bobines orthogonales, disposé sur une source fixe émettent un champ magnétique. Trois autres bobines orthogonales sont disposées sur l'élément dont on souhaite capter les mouvements. Par mesure du déphasage on détermine la position et l'orientation dudit élément. Cette technique basée sur les phénomènes magnétiques est très perturbée par la présence de surfaces métalliques, elle requiert donc d'adapter l'environnement dans lequel on l'utilise. Elle n'autorise pas non plus une transmission radio en temps réel du fait des interférences, contrairement au dispositif de l'invention. Technique inertielle: des centrales inertielles composées de gyromètres et d'accéléromètres sont disposées sur l'élément dont on souhaite capter les mouvements, puis par intégration des informations issues des centrales on déduit le mouvement relatif de l'élément par rapport à une position et une orientation initiale connue. Cette technique souffre principalement de problèmes de dérives provenant de la sensibilité des capteurs aux changements de température. L'invention remédie à ces inconvénients et propose un dispositif peu onéreux, fiable et peu influencée par l'environnement. A ces fins, selon invention, le dispositif de transformation d'un déplacement en un signal électrique représentatif de celui-ci, du type comportant un élément mobile apte à se déplacer selon au moins un plan, par l'action de l'utilisateur, au moins un transpondeur apte à transformer le déplacement dudit élément mobile en un signal électrique représentatif dudit déplacement, ledit dispositif étant susceptible d'être relié à un système d'acquisition et/ou de traitement dudit signal, est caractérisé en ce que ledit élément mobile comporte au moins un jeu d'électrodes, à savoir une électrode de référence et une électrode de mesure, et en ce que ledit transpondeur comporte une masse de matériau conducteur électriquement, susceptible de se déplacer lors du mouvement de l'élément mobile par rapport à celui-ci, ladite masse étant associée auxdites électrodes de manière à permettre de relier les deux électrodes d'un même jeu pour une position donnée de la masse par rapport audit élément mobile. De préférence, ladite masse est en matériau déformable, plus particulièrement sous forme liquide, et le matériau est par exemple du mercure. Avantageusement, ledit élément mobile est constitué d'un anneau cylindrique creux en matériau isolant, susceptible d'être animé d'un mouvement de rotation dans son plan. Plus précisément, lesdites électrodes conductrices sont disposées à l'intérieur dudit anneau sur son pourtour extérieur, et ladite masse de matériau liquide étant susceptible de se déplacer par rapport audit élément mobile. De préférence encore, le dispositif comporte une pluralité de jeux d'électrodes régulièrement réparties sur le chemin de déplacement possible de ladite masse conductrice. Selon une forme avantageuse de réalisation, le dispositif comporte au moins deux éléments mobiles chacune dans un plan différent, et plus précisément les deux plans sont perpendiculaires. Selon une variante de réalisation, l'élément mobile comporte deux parties décalées angulairement l'une par rapport à l'autre, chaque partie incluant au moins un jeu d'électrodes et une masse conductrice, de manière que pour une position donnée des deux parties, les deux masses relient chacune des deux électrodes du jeu correspondant, tandis que pour une autre position des deux parties, l'une au moins des masses est dans une position déplacée telle que les deux électrodes du jeu correspondant ne soit plus reliées entre elles. L'invention sera bien comprise à la lumière de la description qui suit se rapportant à des exemples de modes de réalisation préférée de l'invention, et se référant aux dessins dans lesquels La figure 1 montre une première forme de réalisation du dispositif de l'invention, en vue de face; La figure 2 montre le dispositif de la figure 1 en vue de côté ; La figure 3 montre le dispositif de la figure 1 en position décalée angulairement ; La figure 4 montre en vue de face une représentation schématique d'une autre forme de réalisation de l'invention ; La figure 5 montre le dispositif de la figure 4 en position décalée angulairement, dans le plan de la figure; La figure 6 montre la tête d'un utilisateur pourvue de deux éléments mobiles disposés à angle droit; La figure 7 montre le bras d'un utilisateur pourvu de deux éléments mobiles ; La figure 8 montre la jambe d'un utilisateur pourvu de deux éléments mobiles ; La figure 9 montre un gant pourvu d'un élément mobile; et La figure 10 montre un utilisateur pourvu de six éléments mobiles et un ordinateur associé. On a représenté sur les figures 1 et 2 un premier exemple de réalisation du dispositif de l'invention, montrant respectivement en vue de face et de côté, pour une position donnée de celui-ci. Le dispositif comporte un élément mobile 1 constitué d'un anneau isolant creux, en matériau isolant tels que du verre. L'anneau 1 en forme de tore présente à titre d'exemple un diamètre extérieur de quatre centimètres et un diamètre intérieur de trois centimètres. Des paires d'électrodes référencées 2 et 3, les autres paires n'étant pas référencées pour des raisons de clarté, sont prévues sur le dispositif. Plus spécialement, les paires d'électrode sont constituées d'éléments constructeurs disposés pour chaque paire à un millimètre l'un de l'autre. Chaque paire d'électrodes est disposée de manière à d'une part affleurer à l'intérieur de l'anneau ou tore 1, et d'autre part dépasser de l'extérieur de celui-ci pour permettre aux électrodes d'être reliées à un dispositif électrique, composant ou autre (non représenté). Chaque paire d'électrodes inclue une électrode de référence 2 et une électrode de mesure 3. D'autres paires d'électrodes sont référencées 2', 3' et 6,7. Les deux électrodes contiguës des deux paires contiguës sont séparées de deux millimètres, à titre d'exemple. Les électrodes sont constituées de tout matériau conducteur adéquat et sont prévues et agencées par rapport à l'anneau cylindrique 1, de manière connue pour permettre une étanchéité et une fixation mécanique adéquates. A l'intérieur de l'anneau cylindrique 1 est disposé une masse en un matériau conducteur. Selon une première forme de réalisation, la masse est constituée d'une bille en métal, de préférence de l'acier. Selon une forme alternative de mise en oeuvre, la masse est en matériau déformable, de préférence liquide tel que du mercure. La masse de matériau conducteur est de volume tel, par rapport aux dimensions de l'anneau 1 et à l'espacement des électrodes, dans une position donnée de la masse 4, que celle-ci met en contact l'électrode de mesure 3' et l'électrode de référence 2' d'une paire d'électrodes données. A titre d'exemple, la masse conductrice présente une dimension dans le sens radial (par rapport à l'anneau 1) de deux millimètres une dimension transversale ou tangentielle de deux millimètres. Sa masse est d'environ 0,1 grammes dans l'exemple où elle est constituée de mercure. On a représenté également sur la figure un repère orthonormé xOy. L'axe Ox est représenté verticalement sur la figure tandis que l'axe Oy est représenté de manière horizontale. Le repère Oxy est lié à l'anneau. Une double flèche 5 symbolise et représente le mouvement de rotation possible de l'élément mobile annulaire 1 autour du point O et plus particulièrement autour de l'axe (non représenté) perpendiculaire au plan de la figure. On a représenté sur la figure 2 le dispositif de la figure 1, en vue de côté. En référence à la figure 3, on a montré le dispositif de la figure 1 dans lequel l'anneau 1 a subi une rotation angulaire autour de l'axe Oz, dans le sens horaire, selon la flèche 8. Le repère xOy est donc déplacé en rotation de manière correspondante selon l'angle de rotation qu'a subi l'élément mobile 1. L'élément mobile 1 est relié par l'intermédiaire des électrodes à un dispositif de mesure de tension électrique, et lui-même relié à des moyens permettant de transformer cette mesure ou cette tension en une information susceptible d'être utilisée dans un système de traitement tel qu'un périphérique d'ordinateurs. L'élément mobile annulaire 1 de la figure 3 a subi une rotation sous l'effet d'une commande d'un utilisateur (non représenté) ou d'un outil tenu par celui-ci provoquant par une liaison mécanique ou autre (non représenté) la rotation de l'élément de l'air 1. La liaison entre les électrodes et le dispositif de mesure de tension électrique et de transformation n'est pas représenté et est connue en elle-même, de manière à permettre la jonction mécanique d'une part et la jonction électrique d'autre part, notamment en vue de la rotation de l'élément mobile par rapport aux éléments fixes de l'ensemble du système auquel est relié le dispositif de l'invention. Sur la figure 3, la rotation de l'élément annulaire 1 fait que les électrodes situées dans la partie inférieure (vers le bas de la figure) par rapport au centre de l'anneau, ne sont plus les électrodes 2' et 3' mais d'autres électrodes en occurrence les électrodes 6 et 7. La masse de matériau conducteur et déformable 4 est sensiblement restée à l'aplomb du centre O, du fait de la gravité et se trouve donc en face et en contact des électrodes 6 et 7. Ainsi, le dispositif de mesure détecte une tension entre les électrodes 6 et 7, et une absence de tension entre les électrodes 2' et 3'. La position des électrodes 6 et 7 par rapport aux électrodes 2' et 3' donne une indication de l'amplitude de la rotation subie par l'élément annulaire 1. Cette amplitude de rotation de l'annuaire 1 est elle-même représentative de celle de l'outil tenu par l'utilisateur ou la main de l'utilisateur. On a représenté sur la figure 4 une variante du dispositif selon l'invention comportant deux tubes de préférence cylindrique en matériau isolant tel que du verre, et référencés 9 et 10, fixes l'un par rapport à l'autre et orientés de manière que leur axe longitudinal respectif 9A, 10A forme un angle donné, de préférence un angle droit, l'un par rapport à l'autre. Les moyens de liaison mécanique entre les tubes 9 et 10 sont connus en eux-mêmes et non représentés. L'ensemble des tubes 9 et 10 est susceptible d'être entraîné en rotation dans le plan de la figure autour du centre de rotation O et tel que symbolisé par la double flèche 11. Le centre O est lui-même centre d'un repère orthonormé xOy représenté sur la figure de manière. Dans l'exemple donné, l'axe Oy constitue la bissectrice de l'angle formé par les deux axes longitudinaux des cylindres 9 et 10. Ces derniers forment donc un V ouvert vers le haut selon un angle droit. En d'autres termes, les axes 9A et 10A sont inclinés à 45 par rapport à Ox et à Oy. A l'intérieur de chaque cylindre, est prévue une masse de matériau déformable conducteur tels que du mercure, et référencée respectivement 12 et 13. La masse 12, respectivement 13, est telle qu'elle couvre sensiblement le fond de chaque cylindre 9 et 10. A la base 9B, 10B respectivement de chaque cylindre 9,10 est disposé une paire d'électrodes référencées respectivement 13, 14 (cylindre 9) et 15 et 16 (cylindre 10). Les électrodes sont disposées de manière à au moins affleurer à l'intérieur du cylindre correspondant, de façon que la masse conductrice déformable mobile 12 et 13 correspondante établisse le contact entre les deux électrodes d'une même paire. De même, les électrodes dépassent de la base 9B, 10B de chaque cylindre de façon à être reliées par des moyens non représentés et connus en eux-mêmes, à un système de mesure de la tension entre les deux électrodes de chaque paire, et des moyens de traitement de cette information pour la transformer en une donnée correspondant au déplacement en rotation de l'ensemble des cylindres 9 et 10. Sur la figure 5, on a représenté le dispositif de la figure 4 dans lequel l'ensemble premier et second cylindre 9 et 10 a subi une rotation dans le sens horaire, autour du point O dans le plan de la figure, symbolisée par la flèche 17, selon un angle donné. Les cylindres 9 et 10 occupent des positions différentes dans l'espace et il en est de même pour le repère orthonormé, qui a subi une rotation d'angle équivalent. Le premier cylindre 9 est passé d'une position oblique à une position verticale. La masse conductrice mobile 12 correspondante n'a pas quitté le fond 9B du cylindre 9 et établit toujours le contact entre les électrodes 13 et 14. L'autre cylindre 10 a subi une rotation qui l'a passé d'une position oblique à une position quasi horizontale. II en résulte que la masse conductrice mobile 13, par gravité, est déplacée et en conséquence n'établit plus le contact entre les électrodes 15 et 16. Cette information est transmise aux moyens de mesure (non représenté) qui en déduit une information relative à la rotation de l'ensemble 9I10. Dans le dispositif des figures 4 et 5, la mesure est telle qu'elle permet de déterminer la présence d'une rotation de l'ensemble ou de quantifier celle-ci dans une gamme relativement large. On peut imaginer que le dispositif comporte une pluralité de cylindres tels que les cylindres 9 et 10, régulièrement répartis de manière radiale, selon un angle donné par exemple cinq cylindres pour former une étoile à cinq branches, ou dix cylindres voire plus, en fonction de la taille et l'encombrement. On comprend que plus le nombre de cylindres est élevé, plus la précision de la mesure est grande. On a représenté sur les figures 6 à 10, de façon schématique, un utilisateur muni d'un ou plusieurs dispositifs de l'invention, dans l'application visant à détecter ou quantifier le mouvement de certains membres ou la tête d'un utilisateur. Un élément mobile est associé et fixé à la tête ou un membre d'un utilisateur par une ou deux bande(s) de fixation ou lanière(s) souple(s) dont deux branches sont fixées à l'élément mobile et dont les extrémité libres sont susceptibles d'être attachées par des moyens connus, de manière que les lanières entourent la tête ou le membre. Sur la figure 6, l'utilisateur porte deux éléments mobiles disposés sur sa tête, selon deux plans orthogonaux afin de détecter les mouvements de tangage et de roulis, Sur la figure 7, les éléments sont fixés au coude et au poignet, il permet en combinant les positions angulaires mesurées par le dispositif et résultantes du déplacement du bras (ex: fléchissement), de déduire la position de la main dans l'espace, La figure 8 montre deux éléments disposés au genou et à la cheville, permettant, en combinant les positions angulaires mesurées par le dispositif et résultantes du déplacement de la jambe (exemple: fléchissement), de déduire la position du pied, L'utilisateur de la figure 9 est associé au niveau du poignet (ou de la cheville) à un élément permettant de détecter un mouvement brusque de la main (ou du pied) , la (les) masse(s) mobile(s) se déplaçant sous l'effet des forces d'inerties produites par l'accélération que subit le dispositif au cours du déplacement brusque de la main (ou du pied). L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toutes variantes telles que mentionnées dans les revendications. REVENDICATIONS 1) Dispositif de transformation d'un déplacement en un signal électrique représentatif de celui-ci, du type comportant un élément mobile apte à se déplacer selon au moins un plan, par l'action de l'utilisateur, au moins un transpondeur apte à transformer le mouvement en un signal électrique représentatif dudit mouvement, ledit dispositif étant susceptible d'être relié à un système d'acquisition et/ou de traitement dudit signal, caractérisé en ce que ledit élément mobile comporte au moins un jeu d'électrodes, à savoir une électrode de référence et une électrode de mesure, et en ce que ledit transpondeur comporte une masse de matériau conducteur électriquement, susceptible de se déplacer lors du mouvement de l'élément mobile par rapport à celui-ci, ladite masse étant associée auxdites électrodes de manière à permettre de relier les deux électrodes d'un même jeu pour une position donnée de la masse par rapport audit élément mobile. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite masse est déformable et sous forme liquide, est par exemple du mercure. 3) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite masse est constitué de métal tel de l'acier. 4) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit élément mobile est constitué d'un anneau cylindrique creux en matériau isolant, susceptible d'être animé d'un mouvement de rotation dans son plan. 5) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdites électrodes conductrices sont disposées à l'intérieur dudit anneau sur son pourtour extérieur, et ladite masse de matériau liquide étant susceptible de se déplacer par rapport audit élément mobile. 6) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de jeux d'électrodes régulièrement réparties sur le chemin de déplacement possible de ladite masse conductrice. 7) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte deux éléments mobiles chacune dans un plan différent, et plus précisément les deux plans sont perpendiculaires. 8) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'élément mobile comporte au moins deux parties décalées angulairement l'une par rapport à l'autre, chaque partie incluant au moins un jeu d'électrodes et une masse conductrice, de manière que pour une position donnée des deux parties, les deux masses relient chacune des deux électrodes du jeu correspondant, tandis que pour une autre position des deux parties, l'une au moins des masses est dans une position déplacée telle que les deux électrodes du jeu correspondant ne soit plus reliées entre elles.