Brevet FR2858072A1 — publié le 20050128

L'invention concerne un périphérique d'entrée pour ordinateur, utilisable pour la manipulation à l'écran d'objets virtuels dans des domaines aussi variés que la conception assistée par ordinateur (CAO), 5 l'infographie, les jeux video, ou l'imagerie médicale, et utilisable également pour la manipulation d'objets réels tels que des caméras de surveillance, des robots, ou des machines à mesurer tridimensionnelles. ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION On connaît des périphériques d'entrée pour ordinateur, appelés communément souris, qui comportent une coque sur laquelle s'appuie la main de l'opérateur et qui est fixée sur une base apte à glisser sur une surface 15 plane. Une telle souris est équipée de capteurs électriques aptes à générer des signaux électriques à destination de l'ordinateur en réponse à des mouvements de la souris, permettant de discriminer des mouvements selon deux directions distinctes, ce qui suffit pour la plupart 20 des applications bureautiques, mais est insuffisant pour permettre une manipulation d'un objet (virtuel ou réel) dans l'espace, nécessitant la commande de six degrés de liberté. On connait par ailleurs des périphériques 25 d'entrée qui sont constitués d'une base fixe et d'une coque reliée à la base par une liaison cinématique autorisant trois degrés de liberté de translation et trois degrés de liberté de rotation de la coque par rapport à la base. L'opérateur déplace la coque dans l'espace au gré 30 des mouvements qu'il veut imprimer à l'objet manipulé, et peut mobiliser simultanément plusieurs degrés de liberté. Le logiciel qui exploite les signaux des capteurs équipant un tel périphérique d'entrée est avantageusement programmé de façon que les mouvements de l'objet commandé 35 reproduisent fidèlement les mouvements de la coque. Néanmoins, l'un des degrés de liberté correspond à un mouvement de la coque selon une direction perpendiculaire au plan d'appui sur lequel repose la base du périphérique. Cette caractéristique empêche le repos de la 5 main sur la coque et implique un appui carpien (c'est-àdire sur la talon de la main) avec extension du poignet, ce qui risque d'engendrer dans le temps un trouble musculosquelettique connu sous le nom de syndrome du canal carpien. OBJET DE L'INVENTION L'invention a pour but de proposer un périphérique d'entrée qui présente le confort d'utilisation d'une souris, tout en permettant un contrôle de six degrés de 15 liberté. BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION L'invention a plus précisément pour objet un périphérique d'entrée pour ordinateur, comportant une par20 tie mobile manipulée par l'opérateur et équipé de capteurs électriques aptes à générer des signaux électriques à destination de l'ordinateur en réponse à des mouvements de la partie mobile imposés par l'opérateur, dans lequel la partie mobile comprend d'une part une coque reliée à 25 une base fixe au moyen d'une liaison cinématique agencée pour autoriser tout mouvement de la coque par rapport à la base à l'exception d'un déplacement selon une direction sensiblement perpendiculaire à un plan d'appui de la base, et d'autre part une molette de défilement. Ainsi, l'absence de déplacement de la coque par rapport à la base selon une direction sensiblement perpendiculaire à un plan d'appui de la base permet de maintenir la main en permanence en appui sur la coque, ce qui évite toute tension musculaire néfaste. La coque peut alors être manipulée selon cinq de- grés de liberté correspondant à deux translations selon des directions sensiblement parallèles au plan d'appui de la base et trois rotations, qui peuvent être mis en correspondance avec les cinq degrés de liberté correspon5 dants de l'objet manipulé. Quant au sixième degré de liberté manquant, il est contrôlé par la molette de défilement manoeuvrée par l'un des doigts de la main qui manipule la coque. Ainsi, il est possible de contrôler les six de10 grés de liberté de l'objet manipulé, tout en conservant la main en appui, et tout en gardant une correspondance très instinctive entre les déplacements de la coque et les déplacements de l'objet manipulé. Selon un mode particulier de réalisation de 15 l'invention, la liaison cinématique comprend un élément de liaison ayant une première extrémité sphérique reçue dans une cavité sphérique homologue de la coque, et une seconde extrémité plane reçue à glissement contre une surface plane de la base. Selon une caractéristique particulière de l'invention, l'extrémité sphérique de l'élément de liaison comporte des ergots qui s'étendent dans un plan équatorial de l'extrémité sphérique parallèle à la surface plane de la base, les ergots s'étendant au travers de 25 rainures de la cavité sphérique de la coque qui autorisent un débattement de la coque autour d'un axe contenu dans le plan équatorial. Avantageusement, le périphérique d'entrée comporte un premier coulisseau monté à coulissement sur la 30 base selon une première direction contenue dans ledit plan équatorial, et un second coulisseau monté à coulissement dans le premier coulisseau selon une seconde direction également contenue dans ledit plan équatorial et perpendiculaire à la première direction, le deuxième cou35 lisseau recevant l'extrémité des ergots dans des rainures circulaires de façon à ce que le second coulisseau soit en permanence centré sur l'extrémité sphérique de l'élément de liaison. De préférence, le périphérique d'entrée comporte 5 des moyens de rappel de la coque vers une position d'équilibre, par exemple des ressorts hélicoïdaux qui s'étendent entre la base et le second coulisseau ou encore un ressort hélicoïdal qui s'étend entre la coque et le second coulisseau et qui comporte deux extrémités ar10 rêtées. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit en référence aux figures annexées 15 parmi lesquelles: - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un périphérique d'entrée selon l'invention; - la figure 2 est une vue de dessus de la figure 1, sur laquelle la coque du périphérique d'entrée a été 20 partiellement découpée selon la ligne II-II de la figure 1. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En référence à la figure 1, le périphérique 25 d'entrée 1 de l'invention comporte une base 2 posée sur un plan d'appui 3, par exemple la table de l'opérateur. Le périphérique d'entrée 1 comporte une coque 4 ayant une forme bombée ergonomique apte à faciliter la prise en main. La coque 4 est reliée à la base 2 au moyen d'une liaison cinématique, ici réalisée par un élément de liaison 5 qui s'étend entre la base 2 et la coque 4. L'élément de liaison 5 a une extrémité supérieure sphérique 6 qui est reçue dans une cavité sphérique 7 homologue 35 de la coque 4, et une extrémité inférieure plane 8 qui s'étend contre une surface plane 9 de la base 2, ici parallèle au plan d'appui 3. On notera que la surface plane 9 est ici parallèle au plan d'appui 3. En variante, elle pourrai' s'étendre avec un angle par rapport audit plan d'appui. Pour la suite, on appellera direction transverse la direction perpendiculaire à la surface plane 9. Ces dispositions permettent les mouvements suivants: - des rotations de la coque 4 par rapport à la base 2 sous l'effet d'un couple imposé par la main de l'opérateur sur la coque 4 autour du centre de l'extrémité supérieure sphérique 6 de l'élément de liaison 5; - des translations de la coque 4 par rapport à la base 2 sous l'effet d'un effort dans le plan de base imposé par la main de l'opérateur, lors desquelles l'extrémité inférieure plane 8 de l'élément de liaison 5 glisse sur la surface plane 9 de la base 2. Les rotations confèrent à la coque 4 trois degrés de liberté de rotation, tandis que les translations confèrent à la coque 4 deux degrés de liberté de translation. On notera qu'un effort exercé par la main de 25 l'opérateur sur la coque 4 selon la direction transverse est transmis directement à la base 2 par l'élément de liaison 5 et n'entraîne aucun mouvement de la coque 4. La main de l'opérateur peut donc reposer sur la coque 4, ce qui permet de soulager le bras et évite tout appui car30 pien. Les cinq degrés de liberté de la coque 4 permis par la liaison cinématique entre la coque 4 et la base 2 sont avantageusement exploités pour figurer les cinq degrés de liberté correspondants d'un objet virtuel ou réel 35 manipulé à l'aide du périphérique d'entrée de l'invention. Quant au sixième degré, en l'occurrence celui qui correspond à une translation selon la direction transverse interdite par la liaison cinématique, il est con5 trôlé au moyen d'une molette de défilement 10 portée par la coque 4. Ici, la molette de défilement 10 est un simple secteur monté pivotant sur la coque 4 dans une plage angulaire déterminée. Pour mesurer les déplacements de la coque 4 par 10 rapport à la base 2, le périphérique d'entrée 1 est équipé de capteurs de déplacement, non représentés dans un souci de clarté des figures. Afin de faciliter la mesure des mouvements de la coque, on équipe le périphérique d'entrée 1 de pièces 15 auxiliaires, à savoir un premier coulisseau 10 et un second coulisseau 15, qui facilitent la mise en place de capteurs de position. Le premier coulisseau 10 est monté sur la base 2 pour coulisser selon la direction 14 (illustrée à la fi20 gure 2) qui s'étend dans un plan équatorial de l'extrémité sphérique 6 parallèle à la surface plane 9. A cet effet, et comme cela est visible à la figure 1, le premier coulisseau comporte des fentes 11 recevant des tenons 12 portés par des montants 13 solidaires de la 25 base 2 et qui s'étendent en regard l'un de l'autre de part et d'autre de la surface plane 9. Le second coulisseau 15 est monté dans le premier coulisseau 10 pour coulisser selon une direction 16 qui s'étend dans le plan équatorial précité, perpendiculaire30 ment à la direction 14. A cet effet, le second coulisseau comporte des tenons 17 (l'un deux est visible dans un écorché à la figure 2), coulissant dans des rainures 18 du premier coulisseau 10. Les coulisseaux 10,15 ne participent pas à la dé35 finition de la liaison cinématique entre la coque 4 et la ? base 2. Mais ils peuvent servir pour limiter l'amplitude des déplacements de la coque 4 dans les directions 14 et 16, en prévoyant des butées entre la base 2 et le premier coulisseau 10, ainsi qu'entre le second coulisseau 15 et le premier coulisseau 10. L'extrémité sphérique 6 de l'élément de liaison 5 comporte des ergots 21 qui s'étendent selon des directions radiales contenues dans le plan équatorial précité, et qui ont des extrémités reçues dans des rainures circu10 laires 20 du second coulisseau 15. De la sorte, le second coulisseau 15 est en permanence centré sur l'extrémité sphérique 6 de l'élément de liaison 5 et la suit dans ses déplacements. Lors d'un déplacement de la coque 4, le second 15 coulisseau 15 se déplace selon la direction 16 d'une quantité égale à la composante du déplacement de la coque 4 selon ladite direction 16, et entraîne le premier coulisseau 10 à se déplacer d'une quantité égale à la composante du déplacement de la coque 4 parallèle à la direc20 tion 14. On notera que pour permettre la rotation de la coque 4 malgré la présence des ergots 21, la cavité sphérique 7 de la coque 4 comporte des rainures 24 (ces rainures sont visibles en coupe sur la figure 2, le jeu en25 tre lesdites rainures et les ergots 21 ayant été exagéré) laissant passer les ergots 21 au travers de la cavité sphérique 7 de la coque 4, et autorisant un débattement angulaire de la coque 4 autour d'un axe contenu dans le plan équatorial précité. On notera que lors d'une rota30 tion de la coque 4 ayant une composante selon la direction transverse, l'élément de liaison 5 est entraîné en rotation avec la coque 4. La liaison ainsi instituée entre la coque 4 et l'élément de liaison 5 s'apparente à une liaison homocinétique entre deux arbres dTaxes con35 courants. Ces dispositions permettent la mise en place aisée de capteurs pour la détermination des différents mouvements de la coque 4. On pourra ainsi disposer un capteur de déplace5 ment entre la base 2 et le premier coulisseau 10, ce qui permet de connaître le déplacement de la coque 4 selon la direction 14. On peut également disposer un capteur de déplacement entre le premier coulisseau 10 et le second coulis10 seau 15, ce qui permet de connaître le déplacement de la coque 4 selon la direction 16. On peut encore disposer un capteur de position entre le second coulisseau 15 et l'extrémité de l'un des ergots 21, ce qui permet de connaître la rotation de la 15 coque 4 autour d'un axe perpendiculaire aux directions 14 et 16, donc parallèle à la direction transverse. On peut enfin disposer deux capteurs entre le second coulisseau 15 et la coque 4, qui mesurent des déplacements selon la direction transverse, et dont les indi20 cations permettent de déterminer les rotations de la coque autour de deux axes perpendiculaires qui s'étendant dans le plan équatorial précité. Enfin, pour le sixième degré de liberté contrôlé par la molette de défilement 10, un simple capteur de ro25 tation disposé sur l'axe de celle-ci fait l'affaire. Il est avantageux de contrôler non pas les déplacements eux-mêmes, mais les vitesses de déplacement. Pour ce faire, le logiciel qui exploite les signaux des capteurs du périphérique d'entrée est programmé pour dépla30 cer l'objet manipulé à une vitesse proportionnelle à l'écart entre une position d'équilibre de la coque (ou de la molette) et une position écartée imposée par l'opérateur. Pour définir une position d'équilibre de la co35 que, le périphérique d'entrée 1 est équipé de ressorts hélicoïdaux 22 qui s'étendent entre les montants 13 de la base 2 et le second coulisseau 15. Les ressorts 22 travaillent uniquement en traction et exercent un effort de rappel du second coulisseau 15 vers une position centrale 5 illustrée à la figure 2 dans laquelle les ressorts 22 exercent tous le même effort et s'étendent selon des directions sensiblement concourantes. Le rappel du second coulisseau 15 entraîne également le rappel du premier coulisseau 10 mais aussi le 10 rappel de l'élément de liaison 5, et, enfin, le rappel de la coque 4. Il est à remarquer que le rappel exercé par les ressorts 22 ne concerne que les mouvement de translation des différents éléments rappelés, et aucunement les mouvements de rotation de la coque 4 ou de 15 l'élément de liaison 5. Pour parfaire le rappel, un ressort hélicoïdal 23 (visible à la figure 1) s'étend entre le second coulisseau 15 et la coque 4 en ayant des extrémités arrêtées sur chacun des éléments précités. Une rotation de la co20 que 4 autour d'un axe parallèle à la direction transverse sollicite le ressort 23 en torsion, tandis qu'une rotation autour d'un axe perpendiculaire à la direction transverse sollicite le ressort 23 en compression asymétrique. Dans les deux cas, le ressort 23 exerce un effort 25 de rappel tendant à ramener la coque 4 dans une position angulaire d'équilibre. Etant donné la liaison homocinétique instituée par les ergots 21 et les rainures 24 entre l'élément de liaison 5 et la coque 4, le rappel de la coque 4 provoque également le rappel de l'élément de liai30 son 5 vers la position illustrée à la figure 2. Les ressorts 22, 23 définissent ainsi une position d'équilibre unique de la coque vers laquelle elle revient lorsqu'elle n'est pas manipulée. Pour finir, la molette de défilement 10 est elle35 même rappelée vers une position d'équilibre au centre de sa plage angulaire de débattement, au moyen d'un simple ressort à lame (non représenté). En variante, on peut prévoir un ressort de torsion. Les positions d'équilibre de la coque 4 et de la 5 molette 10 permettent de mesurer un écart entre lesdites positions d'équilibre et les positions dans lesquelles l'opérateur place la coque ou la molette. On remarquera que le premier coulisseau 10 et le second coulisseau 15 ne subissent jamais directement 10 l'effort imposé par la main de l'opérateur. En particulier, ils ne subissent aucun effort transverse, transmis directement de la coque 4 vers la base 2 par l'élément de liaison 5. Les coulisseaux 10,15 subissent uniquement des efforts d'entraînement selon un plan parallèle à la sur15 face plane 9 de la base 2, ainsi que les efforts des ressorts de rappel 22,23. Ils ne sont donc que très peu sollicités. L'invention n'est pas limitée aux modalités particulières de l'invention qui viennent d'être décrites, 20 mais bien au contraire englobe toute variante entrant dans le cadre de l'invention tel que défini par les revendications. En particulier, bien que l'on ait illustré la molette de défilement comme étant positionnée sur la coque, 25 on pourra placer la molette sur la base fixe. Bien que l'on ait illustré le périphérique d'entrée avec une base indépendante, ladite base pourra faire partie intégrante d'un châssis, un pupitre ou encore un clavier. Bien que l'on ait illustré les moyens de rappel de la coque vers sa position d'équilibre comme étant constitués de ressorts hélicoïdaux, les moyens de rappel peuvent en variante être constitués d'éléments en élastomère, comme par exemple un élément tubulaire qui s'étend 35 entre le second coulisseau et la coque. REVEND I CATIONS 1. Périphérique d'entrée (1) pour ordinateur ou similaire, comportant une partie mobile manipulée par 5 l'opérateur et équipé de capteurs électriques aptes à générer des signaux électriques à destination de l'ordinateur en réponse à des mouvements de la partie mobile imposés par l'opérateur, caractérisé en ce que la partie mobile comprend d'une part une coque (4) reliée à 10 une base fixe (2) au moyen d'une liaison cinématique agencée pour autoriser tout mouvement de la coque (4) par rapport à la base (2) à l'exception d'un déplacement selon une direction sensiblement perpendiculaire à un plan d'appui de la base (2), et d'autre part une molette de 15 défilement (10). 2. Périphérique d'entrée selon la revendication 1, caractérisé en ce que la liaison cinématique comprend un élément de liaison (5) ayant une première extrémité sphérique (6) reçue dans une cavité sphérique (7) homolo20 gue de la coque (4), et une seconde extrémité plane reçue à glissement contre une surface plane (9) de la base (2). 3. Périphérique d'entrée selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'extrémité sphérique (6) de l'élément de liaison (5) comporte des ergots (21) qui 25 s'étendent dans un plan équatorial de l'extrémité sphérique (6) parallèle à la surface plane (9) de la base, les ergots (21) s'étendant au travers de rainures (24) de la cavité sphérique (7) de la coque (4) qui autorisent un débattement de la coque (4) autour d'un axe contenu dans 30 le plan équatorial. 4. Périphérique d'entrée selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte un premier coulisseau (10) monté à coulissement sur la base (2) selon une première direction (14) contenue dans ledit plan équatorial, 35 et un second coulisseau (15) monté à coulissement dans le premier coulisseau (10) selon une seconde direction (16) également contenue dans ledit plan équatorial et perpendiculaire à la première direction (14), le deuxième coulisseau (15) recevant l'extrémité des ergots (21) dans 5 des rainures circulaires (20) de façon à ce que le second coulisseau (15) soit en permanence centré sur l'extrémité sphérique (6) de l'élément de liaison (5). 5. Périphérique d'entrée selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de rappel 10 (22,23) de la coque (4) vers une position d'équilibre. 6. Périphérique d'entrée selon la revendication 4 et la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte des ressorts hélicoïdaux (22) qui s'étendent entre la base (2) et le second coulisseau (15). 7. Périphérique d'entrée selon la revendication 4 et la revendication (5), caractérisé en ce qu'il comporte un ressort hélicoïdal (23) qui s'étend entre la coque (4) et le second coulisseau (15) et qui comporte une extrémité arrêtée sur la coque 4 et une extrémité arrêtée sur le 20 second coulisseau (15).