Brevet FR2863069A1 — publié le 20050603

INTERFACE ISOTONIQUE DESTINEE A LA COMMANDE D'UN OBJET, REEL OU VIRTUEL La présente invention concerne une nouvelle interface isotonique destinée à la commande d'un objet, réel ou virtuel. L'interface pourra être utilisée comme périphérique d'un ordinateur permettant à l'utilisateur de manipuler des objets dans un environnement virtuel ou de manière 10 plus large, de modifier cet environnement virtuel. Bien que, plus particulièrement prévue pour de telles applications, l'interface isotonique pourra également être destinée à la commande d'objets réels permettant la manipulation directe ou à distance de dispositifs mécaniques tels que bras manipulateur, robots ou autres dispositifs similaires. Il est important de noter que, par l'expression interface isotonique destinée à la commande d'un objet réel ou virtuel, on désigne toute interface dans laquelle on va mesurer le déplacement de ses différents organes et non pas la force transmise par l'utilisateur auxdits organes, l'interface opposant une résistance nulle ou constante au déplacement provoqué par l'utilisateur. Il existe différents types d'interfaces isotoniques pouvant être classées dans deux catégories, celles liées à l'utilisateur et les interfaces non liées. La présente invention se situe dans cette seconde catégorie, c'est à dire que seule une extrémité de l'interface est connectée à l'utilisateur. Dans la pratique, l'interface sera solidaire de l'environnement réel, c'est à dire qu'elle sera placée ou fixée à des éléments tels que la table, le sol ou un mur. Dans cette classe des interfaces à base fixe, on connaît notamment des dispositifs appelés communément souris ou des dispositifs apparentés tels que des trackball , ces derniers ayant toutefois un fonctionnement isométrique. Ces dispositifs très répandus présentent cependant différents inconvénients et notamment ne permettent pas une commande intuitive d'objets réels ou virtuels selon trois degrés de liberté. On connaît également des dispositifs de type joystick comportant une structure avec trois axes de rotation pouvant être contrôlés par une poignée. Cela étant, la structure des joysticks avec les axes de rotation perpendiculaires entre eux fait que la position des effecteurs est haute et qu'il n'est pas possible pour l'utilisateur de placer son avant-bras dans une position fixe et de manipuler l'interface en bougeant uniquement sa main. En conséquence, ces dispositifs ne sont pas adaptés à des travaux de commande longs ou continus. La présente invention a pour but de pallier aux inconvénients précités et de proposer une interface isotonique permettant la commande d'objets réels ou virtuels selon trois degrés de liberté. Un autre but de la présente invention est de proposer une interface isotonique qui puisse être utilisée sans nécessiter le déplacement de l'avant-bras de l'utilisateur. Un autre but de la présente invention est de proposer une interface isotonique permettant la commande d'objets virtuels ou réels de manière intuitive par rapport aux mouvements réalisés par l'utilisateur. L'invention a ainsi pour objet une interface isotonique destinée à la commande d'un objet réel ou virtuel. Selon l'invention, l'interface comprend: - des moyens de support de trois arbres pivotant, les axes des premier et second arbres étant parallèles entre eux et perpendiculaires au troisième, - des moyens de préhension permettant le pivotement de chacun desdits arbres, - des moyens de mesure du déplacement de chacun desdits arbres de manière à permettre la commande d'un objet, réel ou virtuel, selon trois degrés de liberté. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-après, d'un exemple préféré de réalisation, dans lequel la description n'est donnée qu'à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés par lesquels: - la figure 1 représente une vue en perspective d'un exemple de réalisation de ladite interface isotonique conforme à l'invention, - la figure 2 représente une vue en perspective d'un second mode de réalisation de l'interface isotonique conforme à l'invention, - la figure 3 et la figure 4 illustrent deux positions particulières de l'interface isotonique du second mode de réalisation représenté à la figure 2. En se reportant principalement à la figure 1 représentant un premier mode de réalisation de l'interface isotonique 1, on voit que cette dernière comprend des moyens de support 2 de trois arbres 3,4,5 pivotants, les axes des premier et second arbres étant parallèles entre eux et perpendiculaires au troisième. Ladite interface 1 comprend également des moyens de préhension 6 permettant le pivotement de chacun desdits arbres 3,4,5. Ladite interface 1 comporte également des moyens de mesure 7 du déplacement de chacun desdits arbres 3,4,5 de manière à permettre la commande d'un objet, réel ou virtuel, selon trois degrés de liberté. Dans les exemples de réalisation des figures 1 à 4, lesdits moyens de mesure 7 sont constitués de capteurs de position angulaire, et par exemple des potentiomètres, disposés sur les différents arbres. Cela étant, d'autres dispositifs permettant la mesure du déplacement pourront également être envisagés et, notamment, des capteurs optiques. Selon le premier mode de réalisation, les moyens de support 2 comprennent un élément de support 8 assujetti à une base 9 et lié au premier arbre 3 par une première liaison pivot. De préférence, ledit élément de support 8 aura un profil de forme triangulaire comportant au niveau de son sommet un alésage permettant le passage dudit premier arbre 3. On prévoit également au niveau dudit arbre 3, un moyen de blocage en translation entre ledit arbre 3 et ledit élément de support 8. L'arbre 3 est donc libre en rotation dans l'élément de support 8 selon un premier axe A. Bien entendu, d'autres modes de réalisation de la liaison pivot connus de l'homme de l'art pourraient être utilisés et notamment une liaison réalisée à partir d'un arbre et d'un palier lisse ou à roulements. Lesdits moyens de support 2 comprennent en outre une bras 10 assujetti perpendiculairement au premier arbre 3 et lié au second arbre 4 par une seconde liaison pivot. 2863069 4 La seconde liaison pivot pourra être réalisée de manière identique à la première liaison pivot à savoir que ledit bras 10 comporte un alésage dans lequel est introduit ledit second arbre 4, ce dernier étant bloqué en translation par rapport audit bras 10. Là encore, il ne s'agit que d'un exemple de réalisation de la liaison pivot et d'autres modes sont envisageables. Lesdits moyens de support 2 comportent en outre un élément de liaison 11 assujetti au second arbre 4 et relié par une troisième liaison pivot audit troisième arbre 5. Dans l'exemple de la figure 1, ledit élément de liaison 11 est constitué de deux branches perpendiculaires, une des branches étant assujetti au second arbre 4 et l'autre branche comportant une ouverture servant de liaison pivot audit troisième arbre 5 de manière identique aux première et seconde liaisons pivot. Comme indiqué plus haut, ladite interface 1 comporte également des moyens de préhension 6 permettant l'entraînement en rotation de chacun desdits arbres 3,4,5. Ces moyens de préhension 6 comprennent une tige 13 dont l'extrémité distale est solidaire du troisième arbre 5. Selon les exemples de réalisation des figures 1 à 4, lesdits moyens de préhension 6 comportent en outre un embout 12 disposé à l'extrémité proximale de la tige 13. Cet embout 12 est destiné à faciliter la prise en main de la tige 13 en permettant une saisie prismatique. En se reportant aux figures 1 à 4, on voit que l'extrémité distale de la tige 13 est disposée à l'intersection entre les axes de rotation B et C des second et troisième arbres 4,5. Cette disposition facilite le contrôle de la rotation des différents arbres par l'utilisateur. La figure 2 illustre un second mode de réalisation conforme à l'invention. Dans ce second mode de réalisation, lesdits moyens de support 2 comportent des éléments supplémentaires au premier mode décrit plus haut permettant d'augmenter la stabilité de ladite interface 1. A cette fin, on prévoit que les moyens de support 2 comportent un deuxième élément de support 14 assujetti à la base 9 et lié au premier arbre 3 par une liaison pivot. De préférence, ledit deuxième élément de support 14 sera réalisé de manière identique à l'élément de support 8. Dans ce second mode de réalisation, on prévoit avantageusement que les moyens de support 2 comportent, en outre, un second bras 15, parallèle au bras 10 assujetti au premier arbre 3 et lié audit élément de liaison 11 par l'intermédiaire d'un quatrième arbre 16. Dans cet exemple de réalisation, ledit élément de liaison 11 a une forme en U dans lequel les deux branches du U sont, pour l'une, assujettie au deuxième arbre 4 et, pour l'autre, assujettie au quatrième arbre 16. La partie reliant les deux branches a, elle, comme fonction de supporter le troisième arbre 5 laissant libre ce dernier en rotation. Selon l'invention, lesdits moyens de préhension 6 permettent le pivotement de chacun desdits arbres 3,4,5. En se reportant à la figure 2, on voit que, lorsque lesdits moyens de préhension sont déplacés circulairement vers la droite entraînant uniquement la rotation de l'arbre 5 autour de son axe C. En se reportant à la figure 3, on voit que cette fois, lesdits moyens de préhension 6 ont été déplacés circulairement, dans le sens vertical vers le haut et dans la profondeur vers l'arrière. Le déplacement circulaire vertical permet de réaliser une rotation du second arbre 4 autour de son axe B tandis que les mouvements circulaires en profondeur permettent la rotation dudit premier arbre 3 autour de son axe A. Il est tout à fait possible pour un utilisateur de commander le déplacement d'un ou plusieurs axes selon la commande qu'il souhaite transmettre. Ainsi, dans la figure 4, on voit que l'utilisateur imprime un mouvement vertical vers le bas permettant de faire pivoter le second arbre 4 dans un sens tout en imprimant un mouvement vers l'arrière pour faire pivoter ledit premier arbre dans un autre sens. La structure de l'interface 1 avec deux axes de rotation parallèles entre eux et perpendiculaires au troisième axe permet de limiter l'amplitude des déplacements à effectuer par l'utilisateur, ce dernier pouvant conserver fixe son avant-bras. De nombreux tests ont été réalisés pour définir également les caractéristiques dimensionnelles des différents éléments et offrir à l'utilisateur une bonne ergonomie. Ainsi, de préférence, la hauteur de l'élément de support 8 est comprise entre 100 et 130 mm et avantageusement 115 mm. La longueur du bras 10 est comprise, de préférence, entre 50 et 60 mm et avantageusement 55 mm. La longueur de la tige 13 est comprise entre 70 et 90 mm et avantageusement 80 mm. Ladite interface isotonique 1 est particulièrement adaptée pour la commande en position de l'objet, c'est à dire qu'à un déplacement des moyens de préhension va correspondre un déplacement proportionnel de l'objet. Cela étant, il est également envisageable d'utiliser l'interface isotonique 1 pour le contrôle en vitesse de l'objet et, dans ce cas, à un déplacement des moyens de préhension 6 va correspondre une commande en vitesse selon une direction donnée de l'objet. Dans le cas d'une utilisation de l'interface 1 comme un dispositif de contrôle en position, on définit des fonctions de passage des angles a, {3 et y correspondant respectivement aux mesures des angles de rotation des axes premier, second et troisième à des coordonnées X, Y, Z dans un repère orthonormé (O,x,y,z). On utilisera, de préférence, les fonctions suivantes: X = -sin!3 x a (avec a correspondant à la longueur de la tige 13), Y = cos(a + y) x cos 13 x a + sin axb a (avec b correspondant à la distance entre la première et la seconde liaisons pivot) Z= bxcosabxsin(a+y)xcos[3xa b Cela étant, il ne s'agit que d'un exemple de fonctions de transformation et bien d'autres fonctions sont envisageables. Il est également important de noter que l'interface peut comprendre des moyens d'entraînement, non représentés, dans les dessins annexés, permettant d'appliquer sur l'interface 1 un retour de forces. Il pourra notamment s'agir de moteur disposé sur un ou plusieurs arbres 1, 2,3 ou 4 exerçant un couple sur les arbres en fonction de l'environnement réel ou virtuel sur 30 lequel agit l'interface 1. On pourra également prévoir au niveau des moyens de préhension 6 des moyens de commande additionnels de l'objet réel ou virtuel permettant de commander l'objet réel ou virtuel selon au moins un degré de liberté supplémentaire. Ces moyens seront de manière avantageuse constitués d'un bouton pressoir disposé 5 sur l'embout 12. Bien entendu, d'autres modes de réalisation à la portée de l'homme de l'art auraient pu être envisagés sans pour autant sortir du cadre de l'invention définie par les revendications ci-après. REVENDICATIONS 1. Interface isotonique (1) destinée à la commande d'un objet, réel ou virtuel, 5 CARACTERISEE en ce qu'elle comprend: - des moyens de support de trois arbres (3,4,5) pivotant, les axes des premier et second arbres (A,B) étant parallèles entre eux et perpendiculaires au troisième (C), - des moyens de préhension (6) permettant le pivotement de chacun desdits arbres (3,4,5), - des moyens de mesure (7) du déplacement de chacun desdits arbres de manière à permettre la commande d'un objet, réel ou virtuel, selon trois degrés de liberté. 2. Interface isotonique selon la revendication 1, dans laquelle lesdits moyens de support (2) comprennent: - un élément de support (8) assujetti à une base (9) et lié au premier arbre (3) par 15 une première liaison pivot, - un bras (10) assujetti perpendiculairement au premier arbre (3) et lié au second arbre (4) par une seconde liaison pivot, - un élément de liaison (11) assujetti au second arbre (4) et relié par une troisième liaison pivot audit troisième arbre (5). 3. Interface isotonique selon la revendication 2, dans laquelle lesdits moyens de support (2) comportent un deuxième élément de support (14) assujetti à la base (9) et lié au premier arbre (3) par une liaison pivot permettant d'augmenter la stabilité de l'interface (1). 4. Interface isotonique selon la revendication 2 ou 3, dans laquelle les moyens de support (2) comportent un second bras (15), parallèle au premier, assujetti au premier arbre (3) et lié audit élément de liaison (11) par l'intermédiaire d'un quatrième arbre (16). 5. Interface isotonique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle les moyens de préhension (6) comprennent une tige (13) dont l'extrémité 30 distale est solidaire du troisième arbre (5). 2863069 9 6. Interface isotonique selon la revendication 5, dans laquelle les moyens de préhension (6) comportent un embout (12) disposé à l'extrémité proximale de la tige (13) permettant une saisie prismatique. 7. Interface isotonique selon la revendication 5 ou 6, dans laquelle l'extrémité distale de ladite tige (13) est disposée à l'intersection entre les axes de rotation des second et troisième arbres (4,5). 8. Interface isotonique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle lesdits moyens de mesure (7) sont constitués de capteurs de position angulaire disposés sur les premier, second et troisième arbres (3,4,5). 9. Interface isotonique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans laquelle au moins un desdits arbres (3,4,5) comprend des moyens d'entraînement permettant d'appliquer sur l'interface (1) un retour de forces. 10. Interface isotonique selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, dans laquelle la hauteur de l'élément de support (8) est comprise entre 100 et 130 mm. 11. Interface isotonique selon l'une quelconque des revendications 2 à 10, dans laquelle la longueur du bras (10) est compris entre 50 et 60 mm. 12. Interface isotonique selon l'une quelconque des revendications 5 à 11, dans laquelle la longueur de la tige (13) est comprise entre 70 et 90 mm. 13. Interface isotonique selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans laquelle on prévoit des moyens de commande additionnels dudit objet réel ou virtuel, permettant de commander ledit objet selon au moins un degré de liberté supplémentaire.