Brevet FR2950329A1 — publié le 20110325

t o La présente invention se rapporte au domaine des tapis mobiles permettant de déplacer une charge portée par une membrane. L'invention se rapporte plus particulièrement, mais pas uniquement, au domaine des tapis prévus pour se déplacer sous les pas d'un utilisateur qui parcourt une réalité virtuelle. 15 Les membranes utilisées sont généralement des membranes souples et élastiquement déformables. Cependant, les tapis comprennent une motorisation généralement distante du lieu où la charge s'applique sur le tapis. Or, la distance entre le lieu d'application de la charge et la motorisation est susceptible d'induire une déformation élastique de la membrane. De ce fait, il 20 n'y a pas de relation linaire entre un déplacement de la charge et un mouvement de la motorisation. En particulier, une accélération progressive de la motorisation peut induire un déplacement retardé et brutal de la charge. Dans le cas d'un tapis de réalité virtuelle, la charge est essentiellement un utilisateur debout sur la membrane, et, un déplacement brutal du tapis peut 25 provoquer la chute de cet utilisateur. En outre, notamment pour un tapis de réalité virtuelle, il est important que le déplacement de la membrane, à l'endroit où l'utilisateur se trouve, soit maîtrisé, tant en position, qu'en vitesse et en accélération, afin de rendre réaliste et cohérent, le déplacement de l'utilisateur dans la réalité virtuelle. L'invention a pour but de proposer un dispositif et un procédé qui permettent de résoudre les inconvénients précédemment exposés, et notamment d'assurer une transmission maîtrisée d'un mouvement à l'endroit où la charge est portée par la membrane. Selon l'invention, un tel dispositif pour déplacer une charge, comprenant un châssis, une membrane et une motorisation, ladite membrane étant prévue pour porter ladite charge, ladite motorisation étant conçue pour déplacer ladite membrane relativement au châssis, est caractérisé en ce que le dispositif comprend des moyens pour rigidifier au moins une partie de la Io membrane. Les moyens de rigidification peuvent être disposés pour rigidifier la membrane lorsque ladite membrane parcourt une zone de rigidification fixe relativement au châssis. Cette zone de rigidification peut être une zone d'application de la charge sur la membrane. 15 Avantageusement, la membrane comprend un matériau magnéto-rhéologique, de préférence un polymère, et les moyens de rigidification comprennent des moyens magnétiques pour générer un champ magnétique dans la zone de rigidification. Le polymère peut être un élastomère. Les moyens magnétiques sont avantageusement disposés de sorte que le champ 20 magnétique varie progressivement dans la zone de rigidification, de préférence en diminuant lorsqu'on s'éloigne d'un centre de ladite zone de rigidification. Les moyens magnétiques peuvent comprendre au moins un aimant permanent et/ou au moins un électro-aimant disposé à proximité de la membrane dans la zone de rigidification. 25 Lorsque les moyens magnétiques comprennent au moins un électroaimant, celui-ci peut être une bobine plate dont chaque spire est plus écartée de ses voisines à mesure où l'on s'éloigne d'un centre de la zone de rigidification. Lorsque les moyens magnétiques comprennent au moins un 30 électroaimant, celui-ci peut être une bobine plate dont chaque spire est plus éloignée de la membrane à mesure où l'on s'éloigne d'un centre de la zone de rigidification. Les moyens magnétiques peuvent aussi comprendre plusieurs aimants permanents répartis à proximité de la membrane. Le dispositif peut être un tapis de réalité virtuelle, c'est-à-dire être prévu pour se déplacer dans une réalité virtuelle, et comprendre un noyau formant châssis, sensiblement rigide, et la membrane formant une enveloppe disposée pour pouvoir se déplacer dans toutes les directions autour du noyau, l'enveloppe formant avec une face supérieure dudit noyau une surface adaptée pour le déplacement d'une personne, l'ensemble formé par le noyau et son enveloppe reposant sur des moyens de soutien appropriés. Le noyau d'un tel dispositif est avantageusement sensiblement de révolution autour d'un axe sensiblement vertical, la zone de rigidification s'étendant au-dessus du noyau. En outre, un procédé selon l'invention pour rigidifier la membrane d'un dispositif prévu pour déplacer une charge posée sur ladite membrane, par exemple un tapis de réalité virtuelle, est caractérisé en ce que : - on utilise une membrane comprenant un matériau magnéto-rhéologique ; et - on crée un champ magnétique approprié qui définit une zone dans laquelle une partie de la membrane, qui parcourt la zone ou qui y est située, doit être rigidifiée. Plusieurs modes d'exécution de l'invention seront décrits ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 illustre schématiquement le principe de l'invention ; la figure 2 illustre schématiquement un premier mode de réalisation ; - la figure 3 est une vue de dessus, schématique d'un tapis de réalité virtuelle comprenant une membrane selon l'invention ; et la figure 4 est une vue schématique, en coupe verticale, du tapis de la figure 3. 2950329 -4 La figure 1 illustre un tapis sans fin 1 destiné au déplacement d'une charge 2. Le tapis sans fin 1 comprend un châssis 3 s'étendant horizontalement. Deux extrémités opposées du châssis portent chacune un rouleau 4,6. Chaque rouleau 4,6 est monté mobile en rotation autour d'un axe 5 respectif X4, X6. Les axes X4, X6 des rouleaux sont fixe relativement au châssis 3. Un premier rouleau 4 est monté libre en rotation autour de son axe X4. Le deuxième rouleau est relié à un moteur 8, adapté pour entraîner le deuxième rouleau en rotation selon R6 autour de son axe X6. Une membrane 7 est montée tendue entre les rouleaux 4,6, de sorte 10 qu'elle enveloppe le châssis, et, qu'une partie supérieure de la membrane, disposée au-dessus du châssis, est prévue pour y faire reposer la masse 2. Ainsi, un mouvement de rotation du deuxième rouleau 6 selon R tend à rapprocher la masse 2 du deuxième rouleau 6, en parcourant la face supérieure, plane du châssis 3. 15 La membrane 7 est en un matériau polymère, souple, mais néanmoins magnéto-rhéologique, c'est à dire apte à se rigidifier lorsqu'il traverse un champ magnétique adapté. Le châssis comprend des moyens 9 pour créer un champ magnétique C9, dans une zone 11 située au-dessus au châssis. Le champ magnétique C9 est illustré à la figure 1 par des flèches. La zone 11 est 20 traversée par la membrane 7 dans sa portion 7A qui porte la masse 2. Ainsi, il est possible de rigidifier la portion supérieure 7A de la membrane 7, tout en conservant la souplesse nécessaire de la membrane dans ses parties qui contournent les rouleaux 4,6, ou dans sa partie disposée, entre les rouleaux, sous le châssis 3. 25 Lorsqu'elle n'est pas soumise au champ magnétique C9, la membrane 7 présente une certaine élasticité. Ainsi, sans l'application du champ magnétique C9, lorsque le moteur 8 accélère ou décélère, ce mouvement est transmis avec retard à la charge par la membrane, située à une distance D de l'axe X6 du rouleau moteur 6. Ceci peut provoquer des mouvements brutaux et 30 non souhaités de la charge 2. Lorsqu'au contraire le champ magnétique C9 est appliqué, dans la zone 11 de rigidification, c'est-à-dire le volume où le champ magnétique produit ses effets, toute la partie de la membrane qui y est située est rigidifiée. Ainsi, dans la zone 11 de rigidification, les effets de l'élasticité de la membrane sont annulés. Ces effets subsistent seulement sur une partie réduite de la distance D, entre le châssis 2 et le deuxième rouleau 6. Ainsi, le mouvement imposé par le moteur 8 à la membrane est transmis à la charge avec une plus grande précision et avec un retard réduit. Une portion de la membrane est rigidifiée lorsqu'elle pénètre dans la to zone de rigidification 11 puis retrouve sa souplesse et son élasticité lorsqu'elle quitte la zone de rigidification 11, lui permettant notamment de s'enrouler autour des rouleaux 4,6. On va maintenant décrire une application de l'invention à un tapis de réalité virtuelle, permettant â un utilisateur de se déplacer horizontalement 15 selon toutes les directions. Un tel tapis 20 est illustré aux figures 3 et 4. Comme particulièrement illustré à la figure 3, en vue de dessus le tapis 20 a une forme circulaire. Il est sensiblement symétrique en rotation autour d'un axe vertical X20. Il comprend une base 21 prévue pour reposer immobile sur un sol sensiblement horizontal, un noyau 22 et une membrane 23. Le noyau 22 20 forme un châssis pour la membrane 23, et il est prévu pour reposer sur la base 21. Le noyau 22 a une faible épaisseur, mesurée verticalement, relativement à son diamètre, et il est monté mobile en rotation relativement à la base 21, autour de l'axe X20 du tapis 20.11 présente une surface supérieure 24 25 sensiblement plane et horizontale. Il comprend en outre un appendice axial 26 s'étendant vers le bas et coopérant avec un puits 27 de la base 21 pour maintenir le noyau et la base coaxiaux autour de l'axe X20. La membrane 23 enveloppe le noyau et elle est montée mobile selon toutes les directions autour du noyau. Afin que le tapis 20 présente des 30 caractéristiques constantes quelle que soit la position de la membrane 23 autour du noyau, la membrane est prévue sensiblement isotrope. Pour garantir l'isotropisme de la membrane, celle-ci est réalisée de sorte que si elle est librement gonflée, elle prend sensiblement la forme d'une sphère. En outre, afin que la membrane puisse librement se déformer lorsqu'elle se déplace autour du noyau 22, elle est réalisée à partir d'un matériau souple, de préférence un polymère, de préférence un élastomère. La membrane 23 est montée tendue autour du noyau 22. Cependant, la forme naturellement "sphérique" de la membrane 23, utile à son isotropisme, fait qu'une fois mise en place autour du noyau, chaque portion de la membrane a une tension qui varie en fonction de la position de cette portion relativement au noyau. Ainsi, à la surface supérieure 24 du noyau, la membrane sera plus tendue le long du bord circulaire périphérique 28 du noyau 22 qu'au voisinage de l'axe X20. Ainsi, à la surface supérieure 24 du noyau, la membrane 23 sera progressivement moins tendue à mesure où l'on s'éloigne du bord 28 pour se rapprocher de l'axe X20. La base 21 comprend des billes 29 disposées en vis-à-vis d'une face inférieure 31, pour y permettre le déplacement sensiblement libre de la membrane 23. Certaines des billes 29 sont motorisées afin de contrôler la position du noyau 22 relativement à la base 21, atour de l'axe X20. Le noyau 22 comprend des billes 32,33, disposées sur sa face inférieure 31, en vis à vis de la base 21, pour y permettre le déplacement sensiblement libre de la membrane 23. Les billes 32,33 comprennent des billes motorisées 32 afin d'entraîner la membrane 23 en mouvement autour du noyau 22. Lorsqu'un utilisateur emploie le tapis 20, il se tient debout sur la membrane en appui sur la face supérieure 24 du noyau. 11 y a donc une distance importante, au regard de l'élasticité de la membrane, entre l'appui de l'utilisateur et les billes motrices 32, disposées sur la face inférieure 31 du noyau 22. II convient que le déplacement de la membrane soit parfaitement maîtrisé pour que la sensation de déplacement de l'utilisateur dans la réalité virtuelle soit conforme à la vision qui lui en est donnée. En particulier, il ne doit y avoir ni retard ni avance entre ce qui est vu par l'utilisateur et le déplacement perçu. Or, par exemple, du fait de la distance entre l'appui de l'utilisateur et les billes motrices 32, lors d'une accélération, la membrane a tendance à se tendre sur cette distance, jusqu'à ce que la tension soit suffisante pour transmettre le mouvement, souvent de façon brutale, ce qui risque de provoquer une perturbation de l'utilisateur. De même, lors d'un changement de direction de la membrane, le mouvement de la membrane au point d'appui tend à se poursuivre selon la direction initiale jusqu'à ce que la membrane soit to suffisamment tendue selon la nouvelle direction pour transmettre le mouvement, quelquefois de façon brutale, ce qui risque de provoquer un déséquilibre de l'utilisateur. Pour résoudre ce problème, la membrane comprend un matériau magnéto-rhéologique, de sorte que la membrane est apte à se rigidifier 15 lorsqu'elle est soumise à un champ magnétique C9, illustré par des flèches orientées vers le haut à la figure 4. Le champ magnétique est disposé de sorte qu'il soit actif, dans une zone de rigidification 11 illustrée en trait pointillés à la figure 4, sur une portion de la membrane parcourant la surface supérieure 24 du noyau 22. En outre, le champ magnétique C9 est prévu d'autant plus intense 20 que l'on s'éloigne du bord périphérique 28 du noyau 22 en se rapprochant de l'axe X20, de sorte que la membrane 23 est d'autant plus rigidifiée par le champ C9 qu'elle est moins tendue sur le noyau. Ainsi, dans la zone 11 de rigidification, par l'action du champ magnétique C9, les effets de l'élasticité de la membrane sont annulés. Ces effets subsistent seulement sur une partie 25 réduite de la distance entre l'appui de l'utilisateur et les billes motrices 32. Ainsi, le mouvement imposé par les billes motrices à la membrane 23 est transmis à l'utilisateur avec une plus grande précision et avec un retard réduit. Dans l'exemple illustré aux figures 3 et 4, le champ magnétique C9 est généré au moyen d'une bobine plate 36, dans laquelle les spires forment une 30 spirale sensiblement parallèle à la face supérieure 24 du noyau. Dans l'exemple 2950329 -8 illustré, chaque spire est plus éloignée de ses voisines, à mesure où l'on s'éloigne de l'axe X20. La figure 2 est un schéma illustrant le fonctionnement électrique du tapis 20. La base est reliée à une alimentation électrique 40, alimentation qui 5 alimente une première bobine inductive 41. Cette première bobine inductive est disposée autour du puits 27. Une seconde bobine 42 est disposée dans l'appendice 26, de sorte que lorsque le noyau 22 est en appui sur la base 21, la seconde bobine 22 est disposée coaxialement à la première bobine 21, entre les spires de celle-ci. Ainsi, la première bobine 41 est prévue pour exciter la i0 seconde bobine 22 par induction, de sorte qu'elle transmet l'énergie issue de l'alimentation 40 aux équipements du noyau 22. Le noyau comprend, parmi ces équipements, la bobine plate 36 et une motorisation 43 pour les billes motrices 32, montées en parallèle. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être 15 décrits. Notamment, la bobine plate peut être remplacée par plusieurs bobines disposées, à proximité de la surface supérieure du noyau, de telle sorte que l'axe d'enroulement de leur spire soit horizontal. De préférence, la densité de ces spires, mesurée par rapport à une surface élémentaire horizontale, 20 augmente à mesure où l'on se rapproche de l'axe du tapis de réalité virtuelle, en s'éloignant du bord circulaire périphérique de son noyau. Aussi, plutôt que des électroaimants, on peut utiliser des aimants permanents. En outre, plusieurs zones de rigidification d'une même membrane 25 peuvent être prévues dans un dispositif selon l'invention. Revendications1. Dispositif (1,20) pour déplacer une charge (2), comprenant un châssis (3,22), une membrane (7,23) et une motorisation (8,43), ladite membrane étant prévue pour porter ladite charge, ladite motorisation étant conçue pour déplacer ladite membrane relativement au châssis, caractérisé en ce que le dispositif comprend des moyens (9,36) pour rigidifier au moins une partie (7A) de la membrane. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de rigidification permettent de rigidifier la membrane lorsque ladite membrane parcourt une zone de rigidification (11) fixe relativement au châssis. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la membrane comprend un matériau magnéto-rhéologique, de préférence un polymère, et en ce que les moyens de rigidification comprennent des moyens magnétiques pour générer un champ magnétique dans la zone de rigidification. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le polymère est un élastomère. 5. Dispositif selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que les moyens magnétiques sont disposés de sorte que le champ magnétique varie progressivement dans la zone de rigidification, de préférence en diminuant lorsqu'on s'éloigne d'un centre (X20) de ladite zone de rigidification. 6. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les moyens magnétiques comprennent au moins un aimant permanent etlou 2950329 -10- au moins un électro-aimant (36) disposé à proximité de la membrane dans la zone de rigidification. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens 5 magnétiques comprennent au moins un électroaimant qui comprend une bobine plate (36) dont chaque spire est plus écartée de ses voisines à mesure où l'on s'éloigne d'un centre de la zone de rigidification. 8. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens 10 magnétiques comprennent au moins un électroaimant qui comprend une bobine plate dont chaque spire est plus éloignée de la membrane à mesure où l'on s'éloigne d'un centre de la zone de rigidification. 9. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que 15 les moyens magnétiques comprennent plusieurs aimants permanents répartis à proximité de la membrane. 10. Dispositif selon l'une des revendications 2 à 9, caractérisé en ce qu'il est prévu pour se déplacer dans une réalité virtuelle, comprenant un noyau 20 (22) formant châssis, sensiblement rigide, et la membrane formant une enveloppe (23) disposée pour pouvoir se déplacer dans toutes les directions autour du noyau, l'enveloppe formant avec une face supérieure (24) dudit noyau une surface adaptée pour le déplacement d'une personne, l'ensemble formé par le noyau et son enveloppe reposant sur des moyens 25 de soutien (21) appropriés. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le noyau est sensiblement de révolution autour d'un axe sensiblement vertical (X20), la zone de rigidification s'étendant au-dessus du noyau. 30 12. Procédé pour rigidifier la membrane d'un dispositif prévu pour déplacer une charge posée sur ladite membrane, caractérisé en ce que : 2950329 -11- - on utilise une membrane (7,23) comprenant un matériau magnéto-rhéologique ; et - on crée un champ magnétique approprié qui définit une zone (11) dans laquelle une partie de la membrane, qui parcourt ladite zone ou qui y est 5 située, doit être rigidifiée.