Brevet FR2828748A1 — publié le 20030221

prdalabiemen1 an module, su mains psKiel, pour is systems lnduriel. 1 2828748 La présente invention concerne un dispositif de commande à élément mobile monté sur rotule, ce dispositif comprenant des moyens de détection de la position de l'élément mobile, reliés à des moyens de traitement de l' information qui génèrent des signaux représentant le déplacement dudit élément par rapport à deux ou trois axes de rotation. On a déjà proposé différents moyens pour détecter les déplacements d'un élément mobile formé d'un levier dans un tel dispositif, mais les moyens connus ont des inconvénients notables: - les capteurs potentiométriques ont des problèmes d'usure et d'encrassement des contacts, ils présentent des défauts de linéarité, et ils sont sensibles à l'environnement, - les capteurs rotatifs à détection optique d'occultations n'ont pas un fonctionnement satisfaisant aux vitesses faibles et aux vitesses élevées de déplacement du levier et selon les cas ne détectent que la vitesse ou que la position du levier, et ils sont coûteux, - les capteurs à effet de champ sont très coûteux, leur mise en oeuvre est complexe et leur sensibilité aux perturbations extérieures est très importante, so - les capteurs optiques utilisés dans la technique antérieure comprennent en général quatre photodétecteurs, ou des photodétecteurs à quatre quadrants ou une matrice de photodétecteurs à deux rangées et deux colonnes, et ne peuvent suivre qu'un 2 2828748 débattement angulaire très limité du levier autour d'un axe ou de deux axes de rotation. L' invention a notamment pour objet un dispositif s du type précité, qui ne présente pas ces inconvénients des moyens connus. Elle a également pour objet un dispositif de ce type, qui soit équipé de capteurs fiables et peu coûteux, permettant de détecter la position de o l'élément mobile et de suivre ses déplacements autour de trois axes de rotation sur des débattements angulaires de valeur maximale. Elle propose, à cet effet, un dispositif de commande à élément mobile monté sur rotule, ledit élément étant destiné à être déplacé en rotation autour d'au moins deux axes différents et le dispositif comprenant des moyens de détection optique de la position dudit élément, reliés à des moyens de traitement de l' information, caractérisé en ce que zo les moyens de détection comprennent au moins deux matrices de photodétecteurs pour la détection de points répartis uniformément sur au moins un support en forme de sphère ou de portion de sphère, les matrices et le ou les supports étant disposés autour de la rotule dudit élément et étant les uns fixes et les autres mobiles et solidaires de l'élément. Grâce à cette combinaison des matrices de photodétecteurs et du ou des supports portant des points uniformément répartis et détectables o optiquement par les matrices de photodétecteurs, les positions de l'élément mobile et ses déplacements autour de deux ou trois axes de rotation peuvent être déterminés sur des débattements angulaires importants, typiquement supérieurs à 45 et pouvant 3 2828748 atteindre 180 ou même 360 autour d'au moins un axe ., preclte. De plus, le dispositif selon l 'invention n'est soumis à aucun phénomène d'usure ou d'hystérésis susceptible de perturber la détection de la position et des déplacements de l'élément mobile, hormis en ce qui concerne la rotule. Dans un mode de réalisation préféré de l 'invention, les matrices de photodétecteurs sont o fixes et le ou les supports de points sont mobiles et portés par l'élément mobile. De préférence, les matrices de photodétecteurs sont disposées à 90 l'une de l'autre autour d'un axe de rotation de l'élément mobile, qui peut être l'axe de cet élément lui-même dans une position particulière, par exemple une position de repos. Les moyens de traitement de l' information auxquels sont reliées les matrices de photodétecteurs comprennent des moyens programmés pour déterminer les positions des points précités par rapport aux matrices de photodétecteurs et pour suivre les trajectoires de ces points lors des déplacements de l'élément mobile. Ces moyens programmés sont par exemple destinés à rechercher dans chaque matrice d'abord un groupe de trois photodétecteurs qui voient un même point, puis, parmi les photodétecteurs restants, les groupes de deux photodétecteurs voyant un même point puis, parmi les photodétecteurs restants, le ou les so photodétecteurs qui voient chacun un point ou une partie d'un point à cheval sur un bord d'une matrice, puis à déterminer les positions des centres des points vos par les photodétecteurs, et à répéter ces déterminations avec une fréquence suffisante pour que 4 2828748 les déplacements des points entre deux déterminations successives soient inférieurs au rayon de ces points. Ce traitement est réalisable à vitesse élevée par un microprocesseur d'un type disponible dans le commerce. De façon générale, l 'invention est applicable aux manettes de commande du type "joystick" utilisables avec des consoles de jeux vidéo et des ordinateurs, à des systèmes de mesure qui utilisent o des éléments montés sur rotule, à des prothèses, à des articulations de systèmes robotiques et à tout dispositif à levier articulé autour de deux ou trois axes de rotation, notamment des leviers de changement de vitesse pour véhicules automobiles. L' invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre d'exemple en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - les figures 1 et 2 sont des wes schématiques de face et de dessus respectivement illustrant le principe du dispositif selon l 'invention; - la figure 3 est une vue schématique de dessus d'une variante de réalisation; - la figure 4 est une vue schématique, à plus grande échelle, d'une disposition uniforme de points; - la figure 5 illustre les moyens de détermination de position et de déplacement dans le so dispositif selon l'invention. Dans le mode de réalisation des figures 1 et 2, le dispositif selon l'invention comprend un élément mobile formé par un levier 10 monté sur un support 12 par une articulation à rotule comprenant une tête de 2828748 rotule 14 de forme sphérique reque dans un logement 16 de forme correspondante, le logement 16 étant par exemple porté par le levier 10 tandis que la tête de rotule 14 est portée par le support 12. Des moyens de rappel 18 tels que de préférence un ressort unique, sont montés entre le levier 10 et le support 12 pour solliciter constamment le levier dans une position de repos ou position neutre qui est celle représentée aux dessins. o Le levier 10 est solidaire de deux portions de sphère 20 qui sont sensiblement identiques et centrées sur la tête de rotule 14 et qui sont déplacables par le levier 10 en regard et au voisinage immédiat de deux matrices 22 de photodétecteurs portées par le support 12, de facon équidistante par rapport au centre de la roLule. De préférence, les matrices 22 sont à 90 l'une de l'autre autour d'un axe 24 qui passe par le centre de la rotule 14 et qui est par exemple o perpendiculaire au support 12, les supports 20 étant également à 90 l'un de l'autre autour du centre de la rotule. En figure 1, les supports 20 et les matrices 22 sont représentés diamétralement opposés pour plus de clarté, mais la configuration réelle correspond à la vue schématique de dessus de la figure 2. Dans ce mode de réalisation, les matrices 22 se trouvent radialement à l'extérieur des supports 20, mais pourraient en variante être placées radialement o à l'intérieur de ces supports. Les faces extérieures des supports 20 portent une série de points 26 répartis uniformément, qui sont équidistants les uns des autres comme représenté schématiquement en figure 4 o l'on voit que ces points 26 sont de forme circulaire et placés aux 6 2828748 sommets de triangles équilatéraux identiques et adjacents. Ces points sont optiquement détectables par les photodétecteurs des matrices 22, en raison de leurs propriétés optiques et/ou de leurs couleurs. Par exemple, ces points peuvent être réfléchissants, transparents et/ou diffusants. Ils peuvent éventuellement être associés à des moyens d'éclairage, placés par exemple à l'intérieur des supports 2 0 lorsque les points 26 sont transparents o et/ou diffusants, ou bien à l'extérieur des supports 2 0 lorsque les points 26 sont plus ou moins réfléchissants. Les dimensions des points 26 et les distances entre ces points sont adaptées aux dimensions des photodétecteurs des matrices 22. Par exemple, comme représenté schématiquement en figure 5, les photodétecteurs 28 des matrices 22 sont de forme carrée et les points 26 sont des cercles dont le diamètre est sensiblement égal au côté des zo photodétecteurs 28. Les distances entre les points 26 sont choisies pour que deux points 26 puissent être détectés simultanément et entièrement par une matrice 3x3 de photodétecteurs 22, que deux points 26 adjacents ou consécutifs ne puissent pas être détectés par le même photodétecteur 28, et qu'une matrice 3x3 puisse détecter au moins un point et moins de trois points en totalité, la distance entre deux points 26 étant par exemple sensiblement égale à deux fois le côté d'un photodétecteur 28. so Les sorties des photodétecteurs 28 des matrices 22 sont reliées à des entrées de moyens 3 0 de traitement de l' information qui, à partir des signaux de sortie des photodétecteurs 28, génèrent des signaux 32 représentant la position du levier 10 dans un repère formé de trois axes perpendiculaires 7 2828748 passant par le centre de la roLule 14 et permettant le suivi des déplacements du levier 10 en rotation autour de ces axes. Les moyens 30 de traitement de l' information comprennent des moyens de calcul tels qu'un microprocesseur, qui sont programmés pour la détermination de la position et du déplacement du levier 10. Cette détermination est faite par exemple de la façon suivante, pour chaque matrice 22: - on commence par rechercher un groupe d'au moins trois photodétecteurs qui détectent la présence d'un point 26 Dans le cas de la matrice 22 représentée en partie gauche de la figure 5, il S s'agit des photodétecteurs 1, 2, 4 et 5. On vérifie que dans ce groupe il y a au moins deux photodétecteurs diagonalement opposés (il s'agit dans cet exemple des photodétecteurs 1 et 5 ainsi que 2 et 4) et l'on vérifie également que le total des signaux zo de sortie des quatre photodétecteurs correspond à la dimension d'un point 26, - on recherche ensuite, un groupe de deux photodétecteurs parmi les photodétecteurs autres que ceux trouvés ci-dessus, comprenant le photodétecteur s central 5 et voyant un point 26 (il n'y en a pas dans le cas de la matrice 22 de la partie gauche de la figure 5), - on recherche ensuite parmi les photodétecteurs restants des couples de groupes consécutifs de deux so photodétecteurs du contour de la matrice 22, qui détectent un point 26, le contour de la matrice 22 comprenant tous les photodétecteurs autres que le photodétecteur central 5 (par exemple 6,3 et 2,1; 3,2 et 1,4; etc.. .), 8 2828748 - ensuite, parmi les photodétecteurs non retrouvés auparavant, on recherche un groupe de deux photodétecteurs faisant partie du contour et détectant un point 26 (dans le cas de la matrice 22 de la partie gauche de la figure 5, il s'agit des photodétecteurs 6 et 9), - on recherche ensuite parmi les photodétecteurs autres que ceux trouvés jusque-là, un photodétecteur du contour sur lequel un point 26 serait centré, - on cherche ensuite si un photodétecteur 2, 4, 6 ou 8 détecte au moins la moitié d'un point 26 dont le restant serait à l'extérieur de la matrice 22, et on vérifie que la mesure est supérieure à la moitié de celle d'un point complet, - on cherche ensuite si un point 26 est centré sur le photodétecteur central 5 et on vérifie si la mesure est comparable à celle d'un point complet. Ensuite, à partir des mesures fournies par les photodétecteurs, on détermine par un calcul zo trigonométrique les positions des centres des points 26 dans le plan de la matrice 22. On répète cette détermination pour permettre le suivi du déplacement du levier 10. Après avoir déterminé les emplacements des centres des points 26 détectés, on détermine leurs déplacements à partir de l'écart entre leurs positions dans deux déterminations successives. Pour ne pas perdre les points entre ces deux déterminations successives, il faut que les déplacements correspondants des points so soient inférieurs au rayon des points. Lorsque l'intervalle de temps entre deux déterminations successives est déterminé par une fréquence maximale d'échantillonnage des photodétecteurs, la combinaison de cette fréquence et 9 2828748 du rayon des points 26 détermine une valeur maximale de la vitesse mesurable de déplacement du levier 10. En pratique, on détermine le déplacement d'un point entre deux mesures success ives en as sociant un groupe de photodétecteurs détectant le point dans la première mesure à un groupe de photodétecteurs détectant le même point dans la mesure suivante. Si cela n'est pas possible, on recherche parmi les groupes de photodétecteurs identifiés dans la deuxième mesure, un groupe que l'on peut associer à un groupe de photodétecteurs identifiés dans la première mesure, de préférence le groupe de photodétecteurs pour lequel la position du point a été déterminse avec la meilleure précision. On peut ainsi, à partir des déplacements des points 26 sur les deux matrices 22, calculer le déplacement du levier 10 autour de trois axes de rotations différents. Pour améliorer la sensibilité de la détection zo autour d'un axe de rotation, on peut, comme représenté schématiquement en figure 3, décaler angulairement une des matrices 22 par déplacement autour de cet axe de rotation sur une distance angulaire correspondant à la moitié de l'étendue angulaire d'un photodétecteur 28. On peut également prévoir, pour faciliter la détection d'une position de repos ou position neutre du levier, que chaque support 20 comprenne au moins un point 26 différent des autres par ses propriétés optiques détectables par les photodétecteurs 28. Ce point de référence 26 peut avoir également des dimensions différentes de celles des autres points 26. Dans un mode de réalisation, les supports 20 sont des films photographiques, négatifs ou du type 2828748 diapositive que l'on déforme en portions de sphère. Le film photographique a été préalablement exposé avec une image portant une distribution de points 26, qui, après déformation sphérique, devient comparable à celle représentée en figure 4 dans le cas d'un plan. Dans l'exemple de réalisation décrit et représenté, les matrices 22 de photodétecteurs comprennent trois rangées et trois colonnes de photodétecteurs. On peut bien entendu utiliser des matrices comprenant un plus grand nombre de photodétecteurs, même s'il est préférable, d'un point de w e pratique, d'utiliser des matrices de taille 3x3. On peut notamment utiliser des matrices à huit photodétecteurs, de préférence des matrices 3x3 dont on a supprimé ou omis de brancher le détecteur central ou un détecteur périphérique. I1 en résulte une simplification de l 'acquisition de données o numériques, puisqu'on se ramène au cas d'un signal à 8 bits, c'est-à-dire d'un octet. A partir de la connaissance des positions des points les uns par rapport aux autres et de ce que voient les huit photodétecteurs de la matrice, on peut calculer ce que verrait le 9ème photodétecteur s'il était présent ou branché, et donc obtenir le même résultat qu'avec une matrice 3x3. Par ailleurs, les matrices 22 peuvent être planes, comme représenté, ou bien de forme légèrement bombée pour épouser la forme des supports 20. On peut ainsi utiliser des matrices carrées comprenant une pluralité de photodétecteurs élémentaires de petite taille, dont les dimensions unitaires sont plusieurs fois inférieures à celle d'un point 26. 11 2828748 REVENDI CATIONS 1 - Dispositif de commande à élément mobile monté sur rotule, l'élément mobile (10) étant destiné à être déplacé en rotation autour d'au moins deux axes différents et le dispositif comprenant des moyens de détection optique de la position de cet élément, reliés à des moyens (30) de traitement de l' information, caractérisé en ce que les moyens de o détection comprennent au moins deux matrices (22) de photodétecteurs (28) pour la détection de points (26) répartis uniformément sur au moins un support (20) en forme de sphère ou de portion de sphère, les matrices (22) et le ou les supports (20) étant disposés autour de la rotule (14) dudit élément et étant les uns fixes et les autres mobiles et solidaires de l'élément mobile. 2 - Dispositif selon la revendication 1, zo caractérisé en ce que les matrices (22) de photodétecteurs sont fixes et le ou les supports (20) de points (26) sont portés par l'élément mobile (10). 3 - Dispositif selon la revendication 1 ou 2, s caractérisé en ce que l'élément mobile (10) est déplaçable en rotation autour de trois axes. 4 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les deux matrices (22) de photodétecteurs sont disposées à 90 l'une de l'autre autour d'un axe de rotation de l'élément mobile. - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'une des matrices (22) est 12 2828748 décalée angulairement autour de l'axe précité, d'une distance angulaire correspondant à la moitié de l'étendue angulaire d'un photodétecteur (28). 6 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque matrice (22) comprend au moins trois rangées et trois colonnes de photodétecteurs( 28). o 7 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'un photodétecteur de chaque matrice (22) à trois rangées et trois colonnes de photodétecteurs est supprimé ou débranché. s 8 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les supports (20) de points (26) et les matrices (22) de photodétecteurs sont centrés sur la roLule (14). zo 9 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les points (26) sont équidistants et situés sur les sommets de triangles équilatéraux identiques et adjacents. z 10 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque point (26) a une dimension correspondant au moins à celle d'un photodétecteur (28) des matrices (22) précitées. so 11 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les points (26) sont optiquement transparents, réfléchissants, diffusants et/ou colorés. 13 2828748 12 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou les supports (20) portent des points de référence dont les propriétés optiques et/ou les dimensions sont s différentes de celles des autres points (26). 13 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens (30) de traitement de l' information comprennent des moyens o programmés pour déterminer les positions des points (26) par rapport aux matrices (22) de photodétecteurs et pour suivre les trajectoires de ces points lors des déplacements de l'élément mobile (10), ces moyens étant programmés pour rechercher dans chaque matrice 1S d'abord un groupe de trois photodétecteurs (28) voyant un même point (26), puis parmi les photodétecteurs restants, un groupe de deux photodétecteurs voyant un même point (26) et comprenant un photodétecteur central, puis parmi les o photodétecteurs restants, les groupes de deux photodétecteurs du contour de la mat rice voyant un point (26), puis parmi les photodétecteurs restants, un ou des photodétecteurs voyant chacun un point (26) ou une partie d'un point (26) à cheval sur un bord d'une matrice (22), puis pour déterminer les positions des centres des points vus par les photodétecteurs (28), et pour répéter ces déterminations avec une fréquence suffisante pour que les déplacements des points entre deux déterminations successives soient inférieurs au rayon d'un point (26). 14 - Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément mobile