Brevet FR2849937A1 — publié le 20040716

INTERFACE DE SIMULATION MANUELLE DESCRIPTION Le sujet de l'invention est une interface de simulation manuelle envisagée avant tout comme liaison avec un environnement virtuel, que porte l'utilisateur au bout du bras et qui lui permet à la fois d'imposer certaines commandes tout en recevant, 10 d'après l'environnement simulé, diverses sensations de tact en retour. Des documents de l'art antérieur qui divulguent de telles interfaces se présentant sous forme de manche ou de poignée que tient l'utilisateur 15 sont les brevets US 4 795 296 et 5 577 417. Les applications de telles interfaces sont nombreuses et comprennent les visites virtuelles, les jeux de simulation, les apprentissages, etc. L'utilisateur plongé dans l'environnement virtuel doit pouvoir agir 20 par certaines actions et ressentir leurs effets, ce qui impose l'emploi d'interfaces commodes et assez riches pour permettre des échanges diversifiés avec l'environnement. La plupart des interfaces connues sont trop simplistes pour permettre plus que des échanges 25 rudimentaires, ce qui réduit l'intérêt des environnements virtuels et entrave leur développement. Un avantage essentiel de l'interface selon l'invention est qu'elle comprend deux modes de réaction nettement différents pour exprimer l'accomplissement 30 d'action de différentes natures. Il devient possible de distinguer en réponse aux actions de l'opérateur d'une B 14277.3/JCI part des retours d'effort, associés notamment à une préhension, et d'autre part des réactions d'actions plus délicates associées à une reconnaissance tactile. L'interface de simulation est caractérisée en ce 5 qu'elle comprend une manchette attachée à un poignet d'un utilisateur et une poignée placée devant une main de l'utilisateur, la poignée est montée à la manchette par des actionneurs de déplacement, et la poignée possède des actionneurs tactiles devant des doigts de 10 la main, les actionneurs de déplacement et tactiles étant commandés par des moteurs sensibles à des impulsions de réponse de simulation. Une tige peut remplacer la manchette; elle permet alors de tenir l'interface par l'autre main de l'utilisateur. Elle 15 peut aussi être adjointe à la manchette pour soutenir la poignée. L'introduction d'actions variées par l'interface est aussi un avantage appréciable, qui peut être obtenu dans des formes particulières mais 20 privilégiées de l'invention: ainsi, la poignée peut comprendre une portion proche de la manchette, équipée d'au moins un bouton poucier de commande; ou encore la manchette (ou la tige) peut être équipée d'un capteur de déplacement sans contact, dont les mouvements sont 25 repérés dans l'environnement proche. Il convient aussi que cette interface portée par l'utilisateur reste légère, surtout dans ses parties mobiles. Il est ainsi avantageux que les moteurs de commande des actionneurs de déplacement 30 soient placés sur la manchette (ou la tige) plutôt que sur la poignée mobile qu'ils font mouvoir. B 14277.3/JCI La richesse dans les sensations de réaction dépend aussi du nombre de mouvements possibles qu'on peut infliger à la poignée. Avantageusement, les actionneurs de déplacement commandent des déplacements 5 dans des directions différentes essentiellement perpendiculaires, deux des actionneurs de déplacement étant placés entre des bords latéraux opposés de la poignée et une portion de support associée à la manchette. La poignée est alors très mobile; elle est 10 même déplaçable dans toutes les directions si elle comprend une tige transversale montée sur lesdits deux actionneurs, qui commandent des déplacements dans des directions perpendiculaires entre elles et inclinées par rapport à la tige, et un troisième actionneur de 15 déplacement est disposé entre la tige transversale et une portion principale de la poignée en faisant coulisser la portion principale sur la tige. Des liaisons plus complexes entre la manchette et la poignée sont possibles. Nous décrirons maintenant l'invention d'après les figures suivantes: - la figure 1 est une vue générale de l'interface, et les figures 2, 3, 4 et 5 des vues particulières. L'interface de la figure 1 comprend une manchette 1 composée d'une bande que l'utilisateur s'attache autour du poignet, par exemple par superposition de bords 2 couverts de tissu agrippant ou par tout moyen équivalent, et une poignée 3 s'étendant 30 devant la main de l'utilisateur. B 14277.3/JCI La manchette 1 a un double rôle de support et, dans cette réalisation, d'indication de mouvement de l'utilisateur. La manchette 1 soutient la poignée 3 au moyen d'une monture 4 qui est composée 5 essentiellement d'une tige 5 s'étendant à côté de la poignée 3. Dans la réalisation des figures 2 à 4, la tige 5 porte à ses extrémités opposées deux actionneurs 6 et 7 linéaires, par exemple à vis et écrou, qui sont orientés dans deux directions perpendiculaires entre 10 elles. Ces deux directions sont aussi fortement inclinées par rapport à une tige 8 le long de laquelle la poignée 3 peut coulisser et qui est raccordée par ses extrémités à des tables en X-Y 41 et 42 lui permettant de se déplacer en translation dans deux 15 directions sous l'action de moteurs 51. La tige 8 s'étend à travers un évidement d'une portion principale 10 de la poignée 3, et un troisième actionneur 11 est logé dans cet évidement. Il est solidaire de la portion principale 10 et coulisse 20 le long de la tige 8, encore grâce à un mécanisme à vis et écrou. La tige 8 a une section non circulaire pour retenir en rotation la portion principale 10, dans laquelle elle coulisse. Les mouvements des actionneurs de 25 déplacement 6, 7 et 11 déplacent la portion principale de la poignée, tenue par l'utilisateur, dans des directions essentiellement perpendiculaires de l'espace selon des mouvements proches de translations ou ressentis comme tels par l'utilisateur. Il est ainsi 30 possible de simuler diverses réactions de l'environnement virtuel de façon complexe par des B 14277.3/JCI combinaisons de ces translations. Un autre moyen par lequel des réactions de l'environnement peuvent être transmises à l'utilisateur consiste en des actionneurs tactiles 12, dont le nombre est compris de préférence 5 entre un et quatre et qui sont disposés sur une couronne de la portion principale 10, à des endroits o l'utilisateur pose les bouts de ses doigts. Les actionneurs tactiles 12 consistent en des vibreurs miniatures qui sont des produits du commerce. Certains 10 modèles sont réglables en intensité ou même en direction de vibration pour donner des sensations plus détaillées. Des moteurs de haut-parleur peuvent aussi être employés. La distance entre le corps de la poignée 3 et la couronne supportant les actionneurs 12, 15 représentée fixe sur les figures de façon simplifiée, peut être réglable afin de placer les actionneurs tactiles 12 o ils sont le mieux ressentis. Des réactions simulées par les actionneurs de déplacement 6, 7 et 11, comprenant de façon connue 20 un moteur, un codeur ou un autre moyen de mesure, peuvent typiquement être des forces de résistance à une poussée ou une action virtuelle du même genre de l'utilisateur; et des réactions simulées par les actionneurs tactiles peuvent être des contacts sur des 25 objets virtuels ou d'autres actions sans utilisation de force par l'utilisateur; ou encore des changements d'état d'objets virtuels. L'environnement virtuel est soutenu par un système de commande central qui est renseigné par des capteurs pouvant être de genres bien 30 différents, dont certains sont situés sur l'interface et d'autres sont situés ailleurs. Il régit les B 14277.3/JCI actionneurs de déplacement par l'intermédiaire de moteurs, et les actionneurs tactiles 12 en définissant leurs réactions d'après la façon dont il a été programmé. Les environnements virtuels eux-mêmes sont très variés et ne sont pas le sujet de l'invention. L'exploration de l'environnement virtuel s'effectue aussi par des commandes de l'opérateur. Certaines peuvent être fournies par l'interface dont il est question ici. La portion principale 10 comprend au 10 moins un bouton 13 au bout d'une partie droite contenant la tige 8 à l'opposé des actionneurs tactiles 12: cette partie droite de la poignée est un appui pour le pouce de l'opérateur, qui presse sur les boutons 13 dès que nécessaire. La commande de ces 15 boutons peut être associée à une action déterminée dans l'environnement, comme la prise d'un outil ou d'un autre objet. D'autres moyens de commande sont constitués par un capteur de mouvements 14 sur la manchette 1. Il 20 s'agit d'un capteur de type optique, magnétique ou autre, qui permet, à l'aide d'une source de rayonnement 17 formant une référence fixe, de mesurer les déplacements en position et en orientation de l'interface par rapport à la source 17. Ce type de 25 capteur est bien connu. Les mouvements de l'interface peuvent être convertis en différentes actions, comme des mouvements dans l'environnement virtuel. Enfin, il est avantageux que la manchette 1 porte, des actionneurs de déplacement 6 et 7. Ces 30 actionneurs sont constitués de façon connue par un moteur, un codeur et un système à vis et écrou. B 14277.3/JCI L'actionneur 11 et situé avantageusement sur la tige 8 et dans un évidemment de la poignée 3. La réalisation de la figure 5 illustre une autre forme de l'invention, différente à la jonction 5 entre la manchette 1 et la poignée 3 (inchangées). Six actionneurs sont ici utilisés pour offrir autant de degrés de liberté de déplacement. Six moteurs 18 sont utilisés pour commander ces actionneurs, dont cinq sont visibles, le sixième, commandant un actionneur 10 semblable à l'actionneur Il par sa fonction et son emplacement, étant dans la poignée 3. En haut et en bas de la poignée 3, on trouve comme précédemment des tables de mouvement plan (en X-Y) 19 et 20 constituées de deux glissières 15 perpendiculaires 21 et 22 permettant de déplacer les deux extrémités de la poignée 3. Deux actionneurs 23 et 24, ou 25 et 26, sont portés par chaque table 19 ou 20 et commandent les mouvements sur les glissières. Si ces mouvements sont identiques et de mêmes sens, des 20 translations pures de la poignée sont obtenues; si les sens sont opposés, des rotations pures. La poignée 3 est soutenue par une paire de cardans 27 entre les tables 19 et 20 et les extrémités de la tige 8, ainsi qu'une glissière 29 entre l'extrémité basse de la tige 25 8 et la table 20 pour ajuster l'espace entre, les cardans 27 solidaires des tables 18 et 20. Un cinquième actionneur 28, coaxial à la tige 8, fait tourner celleci autour de son axe. La manchette 1 pourrait être supprimée l'utilisateur saisirait alors directement la tige 5 à côté de la poignée 3 par son autre main. Dans ce cas, B 14277.3/JCI la commande par la simulation se ferait avec ladite autre main, qui déplacerait l'interface, et les réactions seraient ressenties par la première main comme précédemment. B 14277.3/JCI REVENDICATIONS 1) Interface de simulation, caractérisée en ce qu'elle comprend une poignée (3) placée devant une 5 main d'un utilisateur, une manchette (1) attachée à un avant-bras de l'utilisateur et/ou une tige (4) saisie par l'autre main de l'utilisateur, la poignée est reliée à la manchette ou à la tige par des actionneurs de déplacement (6, 7, 11), et la poignée possède des 10 actionneurs tactiles (12) devant des doigts de la main, les actionneurs de déplacement et tactiles étant commandés par des réponses d'actions de simulation. 2) Interface de simulation selon la revendication 1, caractérisée en ce que la poignée (3) 15 comprend une portion (10) proche de la manchette (1) ou de la tige, équipée d'au moins un bouton poucier (13) de commande. 3) Interface de simulation selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en 20 ce que la manchette ou la tige (4) est équipée d'un capteur de position ou de déplacement sans contact (14) avec une référence fixe. 4) Interface de simulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce 25 que des moteurs (16) de commande des actionneurs de déplacement sont placés sur la manchette. 5) Interface de simulation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que les actionneurs de déplacement commandent des 30 déplacements dans des directions différentes essentiellement perpendiculaires, deux des actionneurs B 14277.3/JCI de déplacement (6, 7) étant placés entre des bords latéraux opposés de la poignée et une portion de support associée à la manchette. 6) Interface de simulation selon la 5 revendication 5, caractérisée en ce que la poignée comprend une tige transversale (8) montée sur lesdits deux actionneurs, qui commandent des déplacements dans des directions perpendiculaires entre elles et inclinées par rapport à la tige, et un troisième 10 actionneur de déplacement est disposé entre la tige et une portion principale (10) de la poignée (3) en faisant coulisser la portion principale sur la tige (8). 7) Interface de simulation selon la 15 revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que quatre des actionneurs de déplacement sont placés par paires entre des tables de déplacement en X-Y adjacents à des bords latéraux opposés de la poignée et la portion de support associée à la manchette.