Brevet FR3096484A1 — publié le 20201127

Description Titre de l'invention : DISPOSITIF DE RECONNAISSANCE DES MOUVEMENTS DES DOIGTS D'UN PORTEUR Domaine technique [0001] L'invention concerne un dispositif permettant de reconnaître les mouvements des doigts d'un porteur, notamment la position levée ou pliée de chaque doigt et la position ouverte ou fermée de la main. [0002] L'invention peut être appliquée à un grand nombre de domaines techniques dans lesquels il est recherché de commander une interface homme-machine sans contact, c'est-à-dire sans toucher une sourie ou un écran tactile. Par exemple, l'invention peut être associée à un casque de réalité virtuelle pour des logiciels d'immersion dans lesquels les mouvements des mains sont analysés pour commander des actions sur des éléments en trois dimensions. [0003] Bien entendu, d'autres applications peuvent être envisagées telles que l'aide à la conception ou la visualisation de modèles en trois dimensions, ou encore la commande de machines dans des salles blanches ou des blocs opératoires. Technique antérieure [0004] Il existe un grand nombre de dispositifs permettant de détecter la position de la main d'un utilisateur pour commander une interface homme-machine. [0005] La plupart de ces dispositifs utilisent une technologie d'imagerie pour reconnaître la position de la main d'un utilisateur dans l'espace. Un exemple de dispositif fonctionnant par vision est décrit dans le document WO 2014/055240 qui propose d'utiliser un téléphone portable, accroché sous le poignet de l'utilisateur, associé à un module externe comportant une caméra. La caméra est orientée vers la paume de l'utilisateur de sorte à pouvoir visualiser la position des doigts de l'utilisateur. En plus d'une détection de la position des doigts, ce document propose d'utiliser un gyroscope et des capteurs inertiels pour détecter les mouvements de la main de l'utilisateur dans l'espace. [0006] Les dispositifs par vision présentent cependant plusieurs inconvénients majeurs. D'une part, ces systèmes sont souvent encombrants en raison de la nécessité (l'obtenir une position efficace de la caméra pour détecter les mouvements de la main au cours du temps. D'autre part, les caméras sont sujettes à des variations de luminosités qui peuvent dégrader la détection des mouvements des doigts ou de la main. [0007] D'autres solutions pour mesurer la position des doigts consistent à capter les dé- formations de la main. Pour ce faire, de nombreux dispositifs proposent des gants munis d'un grand nombre de capteurs de déformation permettant de détecter les déplacements de chaque doigt en fonction de l'activation ou non d'un ou plusieurs des 2 capteurs de déformation. Par exemple, le document US 2012/0025945 décrit un tel gant permettant de détecter le mouvement de chaque doigt d'un utilisateur. [0008] Les gants instrumentés présentent également de nombreuses contraintes et, princi- palement, ils dégradent la dextérité du porteur en raison de la présence du gant et de la résistance du gant duc à la présence des capteurs de déformation. [0009] Pour résoudre ce problème, le document US 8,992,324 propose un demi-bracelet destiné à être disposé sur la main de l'utilisateur ou dans sa paume au niveau des articulations entre les métacarpes et les premières phalanges. Un capteur de flexion s'étend depuis ce demi-bracelet jusqu'à la première phalange de l'index de sorte que le pliage de l'index du porteur entraîne le pliage du capteur de flexion associé. Un organe d'analyse peut ainsi détecter la position de l'index en fonction de la position du capteur de flexion. [0010] Cependant, le capteur de flexion s'étendant sous la première phalange de l'index, il dégrade également la dextérité de l'index de l'utilisateur. En outre, ce dispositif ne permet pas de détecter la position des autres doigts et particulièrement celle du pouce dont l'articulation est distante de la position du demi-bracelet. [0011] Pour limiter les contraintes sur la dextérité du porteur, le document WO 2017/134283 décrit l'utilisation de capteurs piézoélectriques intégrés dans un bracelet porté au poignet. Les capteurs piézoélectriques sont précisément positionnés pour mesurer les déplacements des tendons du fléchisseur carpi ulnaris, du fléchisseur digitorum pro.fiaidus et du fléchisseur digitorum superficialis. En analysant les mouvements de ces tendons, il est possible d'estimer la position de la main du porteur, c'est-à-dire si la main est ouverte ou fermée. Cependant, les possibilités d'analyse des signaux reçus par les capteurs piézoélectriques sont faibles et ce type de dispositif ne permet pas de détecter, de manière fiable, la position de chaque doigt du porteur. [0012] Le problème technique de l'invention est donc de fournir un dispositif de recon- naissance des mouvements des doigts permettant de détecter, avec une grande précision, les mouvements des doigts d'un porteur tout en ayant un impact limité sur la dextérité du porteur. Présentation de l'invention [0013] Pour répondre à ce problème technique, l'invention propose d'utiliser des capteurs de pression à base de variation de résistance pour détecter les mouvements des doigts par analyse du déplacement des muscles des métacarpes. Comparativement aux capteurs piézoélectriques, les capteurs de pression à base de variation de résistance, également appelés FSR pour « force sensitive resistor » dans la littérature anglo-saxonne, présentent un volume plus restreint que les capteurs piézoélectriques avec des capacités de détection moindres. Par exemple, un capteur piézoélectrique miniature 3 présente classiquement une épaisseur comprise entre 2 et 3 mm alors qu'un capteur FSR présente une épaisseur comprise entre 0.2 et 0.3 mm. Il s'ensuit que les capteurs FSR peuvent être positionnés dans une région située en regard des métacarpes pour capter les mouvements des muscles des métacarpes avec un impact limité sur la dextérité du porteur. [0014] Les os des métacarpes s'articulent entre les os du carpe et les phalanges, permettant la déformation des doigts. Ces os des métacarpes sont mis en mouvement grâce à de nombreux tendons et muscles réagissant aux différents messages nerveux. Ils permettent notamment les mouvements de flexion et d'extension des doigts ainsi que les mouvements d'adduction et d'abduction du pouce. [0015] L'invention est issue d'une découverte selon laquelle les pressions mesurées sur les muscles des métacarpes sont beaucoup plus pertinentes pour détecter les mouvements des doigts d'un porteur que les pressions mesurées sur les muscles du poignet. L'invention montre qu'il est possible d'utiliser des capteurs FSR, qui présentent des capacités de détection moindres que les capteurs piézoélectriques, pour mesurer les déplacements des muscles des métacarpes et détecter efficacement les mouvements des doigts du porteur. [0016] A cet effet, l'invention concerne un dispositif de reconnaissance des mouvements des doigts d'un porteur comportant : un ensemble de capteurs de pression configurés pour analyser les mouvements de muscles distants des doigts du porteur ; et un organe d'analyse relié aux capteurs de pression et configuré pour analyser les signaux issus desdits capteurs de pression et estimer la position des doigts du porteur. [0017] L'invention se caractérise en ce que lesdits capteurs de pression correspondent à des capteurs de pression à base de variation de résistance et en ce qu'au moins un capteur de pression est disposé dans une région située en regard des métacarpes du porteur. [0018] Jusqu'à présent, il était uniquement connu d'utiliser des capteurs piézoélectriques pour mesurer les déplacements de muscles distants des doigts du porteur. [0019] Cependant, ces capteurs piézoélectriques ne pouvaient pas être portés sur une région située en regard des métacarpes sans dégrader fortement la dextérité du porteur en raison de l'épaisseur de ces capteurs piézoélectriques. En même temps, les capteurs FSR semblaient contre-indiqués en raison de leurs performances moindres par rapport aux capteurs piézoélectriques. [0020] Avec la découverte selon laquelle la détection des mouvements des doigts est beaucoup plus pertinente sur la région située en regard des métacarpes, l'utilisation des capteurs FSR permet d'obtenir une détection efficace tout en ayant un impact limité sur la dextérité du porteur. [0021] Selon un mode de réalisation de l'invention, lesdits capteurs de pression à base de variation de résistance comportent : un substrat inférieur sur lequel est formé deux pistes métalliques connectées à un réseau inter-digité ; un substrat supérieure intégrant une couche métallique disposée en regard dudit réseau inter-digité ; et un élément. compressible disposé au niveau dudit réseau inter-digité entre les deux substrats de sorte qu'une pression appliquée au niveau dudit réseau inter-digité entraine une compression dudit élément compressible et une variation de la résistance mesurée entre lesdites pistes métalliques. [0022] Ce capteur est utilisé en mesurant la résistance entre les deux pistes métalliques de sorte à obtenir une mesure de la modification d'impédance résultante de la compression de l'élément compressible et, ainsi, de la pression exercée sur le réseau inter-digité. Au sens de l'invention, un réseau inter-digité correspond à un réseau dans lequel des doigts sont juxtaposés, les doigts étant connectés alternativement à une première ou à une seconde piste métallique. [0023] Ce mode de réalisation permet d'obtenir une structure de capteur de pression particu- lièrement fine. Par exemple, ledit élément compressible présente une épaisseur comprise entre 0.03 et 0.15 mm. Le réseau inter-digité peut présenter une forme circulaire avec un diamètre compris entre Set 10 mm. De préférence, ledit substrat supérieur est surmonté par une couche adhésive. Ce mode de réalisation facilite l'intégration du capteur de pression. [0024] Selon un mode de réalisation, lesdits capteurs de pression sont intégrés dans un bandeau destiné à venir se positionner au-dessus du pouce et autour des métacarpes formant la base des quatre autres doigts du porteur. [0025] Lesdits capteurs de pression peuvent être disposés sur ledit bandeau de sorte à venir en regard du dos de la main du porteur et/ou en regard de la paume de la main du porteur. [0026] De préférence, lesdits capteurs de pression forment un réseau disposé sur ledit bandeau de sorte à venir entourer la main du porteur. Ce mode de réalisation permet d'obtenir une analyse particulièrement précise des mouvements des muscles situés en regard des métacarpes et de détecter la position levée ou fléchie de chaque doigt et la position ouverte ou fermée de la main du porteur. [0027] Outre l'analyse de la position des doigts par les capteurs de pression de l'invention, il est également possible de détecter les déplacements de la main dans l'espace au moyen de capteurs inertiels et/ou de capteurs gyroscopiques afin de capter l'orientation ainsi que la vitesse et/ou l'accélération de la main. Brève description des figures [0028] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la des- cription qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : [0029] [fig.1] La figure 1 est une représentation schématique de dessus d'une main portant un dispositif de reconnaissance des mouvements des doigts selon un mode de réalisation de l'invention ; [0030] [fig.2] La figure 2 est une représentation schématique du fonctionnement du dispositif de reconnaissance de la figure 1 ; [0031] [fig.3] La figure 3 est une vue en perspective éclatée d'un capteur de pression du dispositif de reconnaissance de la figure 1 ; [0032] [fig.4] La figure 4 est une représentation temporelle comparative entre l'utilisation du dispositif de reconnaissance de la figure 1 dans une région située en regard des métacarpes et sur le poignet pour des mouvements de flexion de l'index ; et [0033] [fig.5] La figure 5 est une représentation temporelle comparative entre l'utilisation du dispositif de reconnaissance de la figure 1 dans une région située en regard des métacarpes et sur le poignet pour des mouvements de flexion du pouce. Description détaillée de l'invention [0034] La figure 1 illustre un bandeau 20 intégrant trois capteurs de pression lia-11c à base de variation de résistance. Ces trois capteurs de pression lia-11c sont juxtaposés dans la longueur du bandeau 20 et permettent de capter les mouvements des muscles situés sur le dos de la main en regard des métacarpes. [0035] Le bandeau 20 est disposé au-dessus du pouce Dl et autour des métacarpes formant la base des quatre autres doigts D2-D5 du porteur. Le bandeau 20 peut être ajusté aux dimensions de la main du porteur au moyen de boucles coopérant avec des crochets. En variante, le bandeau 20 peut présenter une partie élastique ou tout autre moyen permettant d'enserrer efficacement la main du porteur. [0036] Outre les trois capteurs de pression I la-11c, le bandeau 20 intègre également une batterie 14 et un circuit électronique comportant un organe d'analyse 12 et des moyens de transmission sans fil 15 destinés à commander une interface homme-machine en fonction des mouvements de la main du porteur détectés par l'organe d'analyse 12. [0037] Tel qu'illustré sur la figure 2, les trois capteurs de pression I la-I Ic sont connectés à l'organe d'analyse 12, lui-même connecté à une base de données 13. L'organe d'analyse 12 a pour principale fonction d'analyser les signaux S1-S3 issus des capteurs de pression 11a-11c afin de les comparer avec des mesures caractéristiques de la position des doigts D1-D5 ou de la main du porteur. L'organe d'analyse 12 peut correspondre à un microcontrôleur ou un microprocesseur. [0038] Les mesures caractéristiques sont stockées dans la base de données 13. Par exemple, lorsque le premier capteur de pression lia délivre un signal Si dont l'amplitude est 6 comprise entre 500 et 600, que le second capteur de pression 1lb délivre un signal S2 dont l'amplitude est comprise entre 200 et 300, et que le troisième capteur de pression 11e délivre un signal 53 dont l'amplitude est comprise entre 0 et 20, l'organe d'analyse 12 détecter que la main du porteur est ouverte avec tous les doigts DI-D5 non pliés. Selon un autre exemple, lorsque le premier capteur de pression 1 la délivre un signal SI dont l'amplitude est comprise entre 600 et 640, que le second capteur de pression 1lb délivre un signal S2 dont l'amplitude est comprise entre 50 et 150, et que le troisième capteur de pression 11e délivre un signal S3 dont l'amplitude est comprise entre 10 et 50, l'organe d'analyse 12 détecter que l'index du porteur est plié. Selon un autre exemple, lorsque le premier capteur de pression lia délivre un signal Si dont l'amplitude est comprise entre 350 et 500, que le second capteur de pression llb délivre un signal S2 dont l'amplitude est comprise entre Oct 20, et que le troisième capteur de pression lle délivre un signal S3 dont l'amplitude est comprise entre 10 et 120, l'organe d'analyse 12 détecter que le pouce du porteur est plié. [0039] Ces mesures caractéristiques peuvent être déterminées en amont de la fabrication du dispositif de reconnaissance 10 et réalisant des mesures sur un grand nombres d'individus. Il est ainsi possible de détecter des gestes simples sur un grand nombre de porteurs distincts. En variante, chaque porteur peut utiliser une phase d'apprentissage visant à déterminer les mesures caractéristiques. Cette phase d'apprentissage permet d'obtenir une détection plus précise et d'obtenir des commandes plus complexes. [0040] Dans l'exemple de la figure 2, les mesures caractéristiques se présentent sous la forme de plages de valeurs. En variantes, les mesures caractéristiques peuvent correspondre à des neurones cachés d'un réseau de neurones permettant d'effectuer une reconnaissance d'une position des doigts en fonctions de signaux caractéristiques. Dans cet exemple, le réseau de neurone recherche un maximum de cohérence entre les signaux mesurés S1-S3 et un ensemble de signaux connus correspondants à des positions connues. [0041] Quelle que soit la méthode utilisée, l'organe d'analyse 12 est configuré pour dé- terminer la position des doigts D1-D5 en fonction des signaux mesurés S1-S3. [0042] La base de données 13 peut être intégrée au micro-processeur ou au microcontrôleur formant l'organe d'analyse 12 ou déportée sur un même circuit électronique. La base de données 13 peut également être accessible à distance à travers les moyens de transmission sans fil 15. Outre ces éléments permettant d'exploiter les mesures des capteurs de pression lia-11e, le bandeau 20 peut également intégrer un capteur inertiel et/ou un capteur gyroscopique. [0043] L'ensemble des capteurs peut être réalisé sur un substrat flexible ou sur un ensemble de substrats rigides reliés entre eux par des liaisons flexibles. Pour pouvoir commander sans fil une interface homme-machine, le bandeau 20 comporte préférentiellement une 7 batterie 14 configurée pour alimenter l'organe d'analyse 12 et les moyens de transmission sans fil 15. Pour limiter l'encombrement du bandeau 20, il est possible de relier de manière filaire le bandeau 20 avec un bracelet dans lequel est intégré l'organe d'analyse 12, les moyens de transmission sans fil 15 et la batterie 14. L'encombrement du bandeau 20 peut ainsi être largement réduit. [0044] L'encombrement du bandeau 20 est également limité par la structure des capteurs de pression lia-lle. En effet, tel qu'illustré sur la figure 3, les capteurs de pression llalle comportent préférentiellement un substrat inférieur 30 surmonté de deux pistes métalliques 31 et 32 isolées électriquement l'une de l'autre. Le substrat inférieur 30 comporte une partie linéaire à l'extrémité de laquelle est ménagée une forme circulaire. Par exemple, la partie linéaire comporte une largeur comprise entre 5 et 10 mm et une longueur comprise entre 7 et lOmm alors que la partie en forme circulaire présente un diamètre compris entre 5 et 10 mm. Les deux pistes métalliques 31,32 sont juxtaposées dans la partie linéaire et sont connectées respectivement à deux bornes 34, 35 d'un réseau inter-digité 33 dans la partie en forme circulaire. [0045] Le réseau inter-digité 33 comporte deux bornes 34, 35 en forme de « C » disposées en regard l'une de l'autre et entre lesquelles sont disposés parallèlement des doigts reliés alternativement à l'une ou l'autre des deux bornes 34, 35. Ce faisant, les deux séries de doigts du réseau inter-digité 33 sont isolés électriquement mais particulièrement proches et sujets au phénomène de couplage électromagnétique. Pour améliorer ce couplage électromagnétique et modifier la résistance mesurée entre les deux pistes métalliques 31, 32 connectées sur les deux bornes 34, 35 du réseau inter-digité 33, les capteurs de pression 11a-11c comportent également un second substrat 37 portant un élément conducteur. Ce second substrat 37 est disposé sur le réseau inter-digité 33 au-dessus d'un élément compressible 36. L'élément compressible 36 est isolant et permet de modifier la distance entre les deux substrat 30, 37, lorsqu'une pression est appliquée au niveau du réseau inter-digité 33. Par exemple, l'élément compressible 36 présente une épaisseur comprise entre 0.03 et 0.15 mm. [0046] En outre, le substrat supérieur 37 est préférentiellement surmonté par une couche adhésive 38 pour faciliter son intégration dans le bandeau 20. [0047] De préférence, le bandeau 20 intègre un réseau de plusieurs capteurs de pression Ha- lle. Dans l'exemple de la figure 1, trois capteurs de pression 11a-11c sont utilisés. En variante, beaucoup plus de capteurs de pression peuvent être utilisés pour entourer complètement la main du porteur et venir à la fois en regard du dos de la main du porteur et en regard de la paume de la main du porteur. [0048] L'invention permet ainsi d'obtenir un dispositif de reconnaissance 10 particu- lièrement fin, c'est-à-dire un dispositif de reconnaissance 10 qui présente un impact très faible sur la dextérité du porteur. En outre, les capteurs de pression lia-lle 8 disposés dans une région située en regard des métacarpes du porteur permettent une détection efficace des mouvements du porteur. [0049] Les figures 4 et 5 illustrent des signaux obtenus par les capteurs de pression Ila-lle du dispositif de reconnaissance 10 de la figure 1 lorsqu'il est positionné dans une région située en regard des métacarpes, tel qu'illustré sur la figure 1, signaux SI-S3, ou lorsqu'il est positionné sur le poignet du porteur, signaux SI '-S3'. La figure 4 illustre trois mouvements de l'index D2 alors que la figure 5 illustre trois mouvement du pouce Dl du porteur pour les deux positionnements du dispositif de reconnaissance 10 de la figure 1.11 ressort clairement que les variations des signaux SI-S3 dus aux mouvements du porteur sont beaucoup plus facilement identifiables que les signaux [0050] Ainsi, les mesures sont plus pertinentes lorsque le dispositif de reconnaissance 10 est positionné sur la région située en regard des métacarpes. L'invention permet donc d'obtenir une détection efficace tout en ayant un impact limité sur la dextérité du porteur. Lorsque le dispositif de l'invention n'est pas utilisé, le porteur peut simplement décaler le dispositif au niveau du poignet pour une plus grande dextérité. 9 REVENDICATIONS[Revendication 1] Dispositif de reconnaissance (10) des mouvements des doigts (D1-D5) d'un porteur comportant : un ensemble de capteurs de pression (11 a-11c) configures pour analyser les mouvements de muscles distants des doigts (D1-D5) du porteur ; et un organe d'analyse (12) relie aux capteurs de pression (11 a-11c) et configure pour analyser les signaux (81-83) issus desdits capteurs de pression (11 a-11 c) et estimer la position des doigts (D1-D5) du porteur ; caractérisé en ce que lesdits capteurs de pression (11 a-11 c) correspondent à des capteurs de pression à base de variation de résistance et en ce qu'au moins un capteur de pression (11a-11c) est disposé dans une région située en regard des métacarpes du porteur. [Revendication 2] Dispositif de reconnaissance selon la revendication 1, dans lequel lesdits capteurs de pression (11a-11c) à base de variation de résistance comportent : un substrat inférieur (30) sur lequel est formé deux pistes métalliques (31, 32) connectées à un réseau inter-digité (33) ; un substrat supérieure (37) intégrant une couche métallique disposée en regard dudit réseau inter-digité (33) ; et un élément compressible (36) disposé au niveau dudit réseau inter-digité (33) entre les deux substrats (30, 37) de sorte qu'une pression appliquée au niveau dudit réseau inter-digité (33) entaille une compression dudit élément compressible (36) et une variation de la résistance mesurée entre lesdites pistes métalliques (31, 32). [Revendication 3] Dispositif de reconnaissance selon la revendication 2, dans lequel ledit élément compressible (36) présente une épaisseur comprise entre 0.03 et 0.15 mm [Revendication 4] Dispositif de reconnaissance selon la revendication 2 ou 3, dans lequel ledit substrat supérieur (37) est surmonté par une couche adhésive (38). [Revendication 5] Dispositif de reconnaissance selon l'une des revendications 2 à 4, dans lequel ledit réseau inter-digité (33) présente une forme circulaire avec un diamètre compris entre 5 et 10 mm. [Revendication 6] 6. Dispositif de reconnaissance selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel lesdits capteurs de pression (11a-11e) sont intégrés dans un bandeau (20) destiné à venir se positionner au-dessus du pouce (Dl) et autour des métacarpes formant la base des quatre autres doigts (D2-D5) du porteur. 10 [Revendication 7] 7. Dispositif de reconnaissance selon la revendication 6, dans lequel lesdits capteurs de pression (11a-11c) sont disposés sur ledit bandeau (20) de sorte à venir en regard du dos de la main du porteur et/ou en regard de la paume de la main du porteur. [Revendication 8] Dispositif de reconnaissance selon la revendication 6 ou 7, dans lequel lesdits capteurs de pression (11a-11c) forment un réseau disposé sur ledit bandeau (20) de sorte à venir entourer la main du porteur. Dispositif de reconnaissance selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel ledit dispositif (10) comporte également un capteur inertiel et/ou un capteur gyroscopique. [Revendication 9]