DESCRIPTION

Le sujet de l'invention est à la fois un dispositif souple pour une interface haptique de transmission de mouvement ou d'effort entre une appareil et l'homme, et certaines interfaces haptiques équipées de ce dispositif. Un domaine d'application important de l'invention est ce qu'on appelle la réalité virtuelle, où on recourt à divers types de signaux pour les communiquer à l'utilisateur afin de 1* immerger dans un environnement virtuel. Cela s'effectue au moyen d'interfaces permettant à l'utilisateur d'interagir avec l'application virtuelle, en enregistrant les gestes de l'utilisateur pour agir sur l'environnement et lui faire ressentir les réactions de l'environnement. L'environnement visuel et auditif est restitué par des écrans plats, des salles immersives, des lunettes et des casques spécialement équipés et des haut-parleurs ; l'environnement haptique (tactile et kinestésique) est restitué par des interfaces haptiques qui doivent permettre d'une part de manipuler des objets virtuels avec une sensation ou de détecter des collisions, et d'autre part de donner une sensation de toucher lors de l'exploration d'une surface d'un objet virtuel. L'interface doit satisfaire à une bonne qualité de la sensation qu'elle procure et à des caractéristiques propres, dont un coût assez bas, ainsi qu'un poids et un volume réduits pour qu'elle reste portative. On connaît ainsi des interfaces tactiles associées à la main de l'utilisateur et comprenant une structure de montage comprenant un bracelet attaché au poignet et une plaquette s'étendant sur le dos de la main, et des actionneurs montés sur la plaquette et comprenant des moteurs à retour d'effort, des codeurs, des transmissions, etc. finissant sur les phalanges des doigts de l'utilisateur afin d'enregistrer leur mouvement, ou de leur communiquer certains efforts ou certaines sensations selon l'application particulière envisagée. Les interfaces de ce genre qui sont connues aujourd'hui sont souvent trop lourdes et surtout trop coûteuses pour être pleinement satisfaites. On fait appel à certains polymères diélectriques déformables pour réaliser des interfaces haptiques ; un exemple est donné par le document US 2002/005 4060 Al. Leur module d'élasticité est très faible, ce qui permet de leur appliquer de grandes déformations à partir des contraintes de Maxwell. Quand un champ électrique est appliqué à une couche de ces polymères, par des charges de polarités opposées se trouvant dans des électrodes de chaque côté de la couche, les forces électrostatiques induisent une compression de la couche par attraction des charges opposées et une extension de la couche par répulsion des charges de même polarité présentes de chaque côté. Des déformations considérables, de l'ordre de 300%, sont possibles. D'après le document précité le polymère peut être façonné à des formes diverses, et se déformer aussi de façon correspondante, ce qui permet de l'employer dans des interfaces variées. On peut cependant constater que ces formes de polymère, complétées par les électrodes nécessaires à leur exploitation, sont employées telles quelles, ce qui limite leurs possibilités. Il est en particulier difficile de leur appliquer une déformation bien corrélée à une commande. Il faut ajouter que l'instauration de déformations suffisantes aux polymères pour faire ressortir un déplacement important impose l'application d'une tension élevée et fait donc apparaître un problème de sécurité considérable sur un dispositif au contact de l'homme, tout en exigeant une alimentation électrique conséquente qui s'oppose à une bonne portativité de l'interface. Dans l'invention, le dispositif d'interface, comprenant un empilement d'au moins une couche de polymère diélectrique et d'électrodes souples d'application des charges électriques sur les côtés opposés de la couche, est complété par un cadre monobloc déformable disposé autour de l'empilement. Le cadre est un élément structurel conçu pour apporter une certaine raideur au polymère, sans cependant s'opposer à ses déformations. Il est construit pour posséder une raideur plus faible dans une direction préférée de déformation de l'empilement, qui est une direction utile d'actionnement du dispositif, que dans d'autres directions où aucune déformation n'est demandée et où le dispositif devrait plutôt être rigide. Il comprend deux côtés opposés rigides reliés par des côtés latéraux composés d'une chaîne de portions épaisses et de portions fines alternant et joignant les côtés rigides. Les portions fines et les portions épaisses sont respectivement des articulations souples, où les déformations du cadre sont concentrées, et des endroits rigides qui confèrent au dispositif sa caractéristique de déformabilité (déplacement rapporté à la tension électrique appliquée) . On choisira donc des portions épaisses longues par rapport aux portions fines pour obtenir un cadre peu déformable, et le contraire pour obtenir un cadre bien déformable. On cherchera cependant à éviter, en général, un trop petit nombre des portions épaisses, qui portent principalement le polymère collé sur elles : une structure typique de cadre souple comprendra alors un grand nombre de portions épaisses courtes pour donner les points d'adhérence nécessaires. On doit aussi citer les documents US 20031 021 0811 et US 6 545 384 qui décrivent des dispositifs d'interface souple à polymère tendu sur un cadre présentant deux côtés rigides opposés et deux côtés souples. Ces dispositifs ne sont cependant pas prévus en général pour des interfaces haptiques. Les côtés latéraux du cadre du premier document ne présente pas clairement des enchaînements de portions fines servant d'articulation alternant avec des portions épaisses rigides, qui permet de régler la déformabilité des interfaces avec précision. Le cadre du second de ces documents semble composé de portions assemblées par des articulations mécaniques au lieu d'être monobloc, ce qui le rend inapplicable à des applications haptiques où la miniaturisation est essentielle. Plusieurs perfectionnements de cette conception de base sont possibles. L'empilement composé d'une couche déformable et d'une paire d'électrodes peut être remplacé par un empilement à plusieurs couches déformables et autant de paires d'électrodes qui leur sont respectivement associées, et qui possèdent des capacités de déformation ou de transmission des forces plus importantes. Le cadre sert alors aussi à assurer la cohésion de l'empilement complexe. Une autre propriété du cadre est de servir de liaison entre l'empilement et des éléments structurels de l'interface, en remplaçant d'autres dispositifs d'assemblage plus compliqués. Ces aspects et d'autres du dispositif, ainsi que certaines interfaces particulières équipées de ce dispositif, seront maintenant décrits avec leurs caractéristiques et avantages au moyen des figures suivantes : - la f igure 1 est une vue illustrant le fonctionnement d ' un polymère diélectrique soumis à un champ électrostatique, - la figure 2 illustre une première réalisation de l ' invention, et une disposition du dispositif sur une interface à retour d ' effort , la figure 3 illustre une autre réalisation de l ' invention, - les figures 4a, 4b et 4c représentent certaines variantes de réalisation du cadre, la figure 5 illustre une interface haptique équipée de l'invention, la figure 6 donne un détail des dispositifs d'interface utilisés à la figure 5, - la figure 7 illustre une autre interface haptique, et les figures 8, 9 et 10 illustrent trois variantes de réalisation d'empilements de couches de polymère diélectrique et d'électrodes. La première figure rappelle le principe de fonctionnement du polymère diélectrique déformable servant comme dispositif d'interface. Une couche 1 du polymère est munie de deux électrodes 2 et 3 à ses côtés opposés, et un circuit électrique 4 à courant continu relie les électrodes 2 et 3 aux bornes d'un dispositif d'alimentation 5. Le champ électrique instauré dans le polymère comprime la couche 1 du polymère tout en l'étirant latéralement, comme l'expriment les flèches. La figure 2 illustre une première réalisation de l'invention et une interface correspondante. Un empilement 6 comprenant au moins une couche 1 de polymère et une paire d'électrodes 2 et 3 comme précédemment est entouré par un cadre 7 déformable. L'ensemble porte la référence 8 et forme un dispositif d'interface élastique, qui est ici utilisé à trois exemplaires entre deux éléments structurels 9 et 10 respectivement joints à deux côtés opposés de chacun des cadres 7. Les dispositifs d'interface 8 constituant des actionneurs sont répartis sur la circonférence de chacun des éléments structurels 9 et 10. Si des champs électriques semblables sont fournis à chacun de leurs empilements 6 identiques, les éléments structurels 9 et 10 sont écartés par un mouvement de translation. Si des champs électriques différents leur sont fournis, les extensions des empilements 6 sont aussi différentes et les éléments structurels 9 et 10 s'écartent en subissant aussi un mouvement de rotation dont l'angle dépend des proportions des champs électriques. Une grande variété de commandes de mouvement est ainsi possible. Dans ce mode de réalisation comme dans les suivants, les dispositifs d'interface 8 peuvent aussi, inversement, mesurer un déplacement entre les éléments structurels 9 et 10 plutôt que de l'imposer : chacun des empilements 6 forme un condensateur dont la capacité dépend de la déformation et notamment de la distance entre les plaques ; un système de mesure usuel peut être placé aux bornes des empilements 6 pour mesurer leur capacité, et en déduire les déformations de chacun des dispositifs 8 et les mouvements entre les éléments structurels 9 et 10. La figure 3 représente un dispositif analogue mais où les dispositifs d'interface 8 sont remplacés par des dispositifs d'interface 11 un peu différents, avec un cadre 12 semblable au cadre 7 et présentant notamment deux côtés opposés joints aux éléments structurels 9 et 10 mais un empilement 13 dirigé dans la direction joignant les éléments structurels 9 à 10. Les couches . extrêmes de l'empilement sont alors en appui sur les deux côtés opposés du cadre 12 qui sont joints respectivement aux éléments 9 et 10. Une telle disposition n'offre pas une amplitude de déformation aussi grande que la précédente, mais permet de communiquer des forces plus importantes. La déformation est cependant multipliée si l'empilement 13 comprend une pluralité des couches 1 de polymère, empilées les unes sur les autres et toutes soumises à un champ électrique par des paires d'électrodes associées. L'empilement 6 de la réalisation précédente pourrait être aussi composé de plusieurs couches de polymère superposées, ce qui ne modifierait pas la déformation du dispositif d'interface 8 mais multiplierait la force qu'il transmettrait. Le cadre entourant un empilement tel que 6 ou 13 peut être construit de plusieurs façons. Certaines sont représentées aux figures 4. Beaucoup seront en forme de quadrilatère avec deux côtés opposés de grande rigidité, servant à la jonction des autres éléments de l'interface, alors que les autres côtés seront globalement souples, avec une épaisseur beaucoup plus faible ou une forme incurvée en lobe autorisant des déformations de flexion. A la figure 4a, le cadre 15 comprend ainsi deux côtés opposés 16 de grande épaisseur et deux côtés latéraux 17 en lobes fins, opposés entre eux et se joignant aux côtés 16 précédents. Le cadre 15 est souple en direction verticale et ne s'oppose donc nullement aux déformations de l'empilement qu'il contient, mais il est beaucoup plus rigide dans les déformations selon les autres directions et maintient donc l'empilement en place. Cet agencement, pourtant, sera probablement insuffisant pour beaucoup d'interfaces haptiques puisque les côtés latéraux 17 ont des sections trop petites pour permettre l'adhérence des membranes du polymère. Le cadre 18 de la figure 4b comprend deux côtés opposés rigides 19 analogues aux précédents et deux côtés latéraux 20 en lobes où alternent les portions fines 21 et des portions épaisses 22. Les propriétés sont analogues aux précédentes mais les portions épaisses 22 maintiennent la forme des lobes 20 contre les déversements latéraux tout en servant des points d'appui aux membranes de polymère. Cette disposition originale, aux portions épaisses 22 nombreuses mais courtes, plus courtes que les portions fines 21, donne en pratique une interface bien déformable, les côtés latéraux 20 étant peu rigides dans l'ensemble, qui sera souvent appréciée dans des interfaces haptiques ou les mouvement peuvent être importants. On dispose aussi d'une grande latitude pour régler la déformabilité en jouant sur les nombres des portions fines et épaisses et leurs longueurs respectives. Le cadre 24 de la figure 4c comprend toujours deux côtés opposés 25 rigides, mais les lobes des côtés latéraux sont remplacés par des portions épaisses 26 longues qui lui donnent une forme de polygone ; des portions fines 27 beaucoup plus courte relient les côtés 25 et 26 et reçoivent la plus grande partie des déformations. On passe maintenant à la figure 5, qui représente une interface haptique portative appelée l'

exosquelette qui permet d'agir sur les phalanges de la main. Cette réalisation particulière comprend, outre une plaque 30 posée sur le dos de la main et un bracelet 31 attaché au poignet, des systèmes d'actionnement 32 destinés à mouvoir indépendamment les phalanges ; dans le cas présent, on trouve cinq systèmes d'actionnement 32 affectés chacun à un doigt de la main y compris le pouce, et un système d'actionnement 33 plus simple pour mouvoir le pouce dans une direction perpendiculaire à sa flexion. Les systèmes d'actionnement 32 sont illustrés à la figure 6. Ils comprennent une base 34 fixée à la plaque 30, d'où dépasse un manche 35 qui aboutit à un chapelet de dispositifs d'interface 36 conforme à l'invention. Une tige 37 s'étend au-delà du chapelet de dispositifs 36, et un anneau 38 engagé dans une des phalanges (ici une phalangine) lui est relié par une articulation 39 qui permet à la phalangine de tourner. La tige 37 porte un deuxième manche 40 qui est prolongé par un deuxième chapelet de dispositifs 36, puis par une deuxième tige 41 finissant sur un anneau 42 de phalangette par une autre articulation 43. Sur la figure 5, le système d'actionnement 33 est analogue mais dépourvu de la deuxième tige 40 et des éléments suivants. Les dispositifs d'interface 36 communiquent aux phalanges des mouvements souhaités. On remarquera qu'ils complètent exosquelette en se substituant à une partie des éléments de communication du mouvement ou de l'effort aux phalanges, grâce aux éléments rigides qu'ils possèdent. Ainsi, l'interface haptique bénéficie non seulement de la légèreté propre aux dispositifs d'interface 36, mais de l'allégement consécutif à la suppression d'une partie des éléments structurels. On notera enfin que chaque chapelet comprend deux couches de dispositifs d'interface 36 élémentaires, chacune des couches comprenant deux dispositifs d'interface 36 alignés en prolongement du manche 35 à la tige 37. Les dispositifs d'interface 36 de chaque couche servent à multiplier la déformation du polymère, et donc le déplacement et la force appliqués à la tige 37, alors que la superposition des couches permet d'exercer des déformations différentes et donc des rotations à la tiges 37. Les dispositifs d'actionnement 36 sont donc commandés de la même façon dans chacune des couches, mais de façons différentes dans des couches différentes. Pour obtenir ces différentes situations de déformation, les cadres des dispositifs d'actionnement 36 d'une même couche sont jointifs entre eux, au manche 35 et à la tige 37 par des côtés rigides, les côtés libres des cadres étant souples, et les cadres des dispositifs d'actionnement 36 superposés appartenant à des couches différentes sont reliés par des tiges flexibles leur permettant de glisser les uns au-dessus des autres. La figure 7 illustre un autre genre d'application possible. Il s'agit d'une combinaison destinée par exemple à simuler la plongée sous-marine, ou à des applications en réalité virtuelle. Elle comprend divers éléments de structure dont une plaque pectorale 45 et des anneaux 46 fixés à certaines portions des bras. Ces éléments sont reliés par des chaînes des dispositifs d'interface, ici 47. Quand l'utilisateur bouge, il comprime ou tend les chaînes des dispositifs 47, dont les déformations peuvent être mesurées. Ici comme dans d'autres réalisations, on dispose les côtés les plus souples des cadres dans la direction d'allongement maximale. Avec un tel système, des forces peuvent être appliquées sur l'utilisateur et il est aussi possible de capter les mouvements de l'utilisateur pour le faire progresser dans l'environnement virtuel. Ces réalisations montrent qu'il est souvent avantageux de disposer les dispositifs d'interface en réseaux linéaires ou bidimensionnels où ils sont employés en série ou en parallèle. Dans d'autres applications, on pourrait les disposer côte à côte sur une surface. Un autre intérêt des cadres entourant l'empilement déformable est d'imposer une précontrainte. Le cadre est alors construit de manière qu'il ait une dimension différente de celle de l'empilement à l'état de repos. Cette situation concerne surtout des dispositifs d'actionnement du genre de la figure 2, où le polymère est tendu en membrane sur le cadre : un cadre est construit à une dimension plus grande que le polymère, qui comprime donc le cadre quand il est assemblé à lui. Quand le polymère se dilate sous l'effet des forces électriques, le cadre passe par un état sans contrainte avant d'être déformé en dilatation. Cela permet souvent de déformer le polymère d'une quantité plus importante sans dépasser la limite élastique du cadre. Des cadres composites comme celui de la figure 2 peuvent être proposés, dont les lobes sont complexes et comprennent plusieurs portions sensiblement parallèles. Dans le cas de la figure 2, l'empilement 6 est tendu en membrane sur certains de ces lobes, et les autres lobes s'étendent à l'extérieur des précédents. Les cadres peuvent généralement être construits en matière légère, comme des polymères, plus rigides cependant que ceux de l'empilement. Ils peuvent être fabriqués par usinage classique, par corrosion ou par découpe. Les dispositifs selon l'invention sont aussi plus légers et moins coûteux que les interfaces existantes. Des aspects de l'invention spécifiques aux interfaces haptiques seront maintenant décrits. Un problème majeur des polymères diélectriques (élastomères) cités dans les paragraphes précédents est celui des fortes amplitudes en tension d'alimentation qu'ils nécessitent. En effet, un empilement électrode/polymère/électrode peut être assimilé à une capacité où le polymère joue le rôle du diélectrique. La tension appliquée aux bornes des deux électrodes permettant de provoquer des déformations suffisantes du polymère diélectrique est proportionnelle au carré de l'épaisseur de la couche du polymère diélectrique. Instaurer une déformation suffisante implique donc la production d'un courant l'l'

intense, trop dangereux en pratique sur un objet porté par un être vivant et dont la puissance électrique consommée est excessive pour un dispositif portatif. L'électrode doit elle faire en sorte que le champ le plus grand possible puisse être appliqué de manière homogène aux bornes de l'électrode, tout en perturbant mécaniquement et électriquement le moins possible élastomère (en évitant le plus possible le phénomène d'injection de charge notamment) . En utilisant une disposition adaptée et en négligeant certains phénomènes, cette condition revient à ce que le matériau d'électrode ne claque pas sous l'influence de la tension, et à ce que, mécaniquement, l'électrode empêche le moins possible le mouvement de élastomère sous L'influence d'un actionneur. En résumé, le matériau d'électrode devra être le plus souple possible, et être le plus conducteur possible, et enfin, avoir le champ de claquage le plus grand possible. D'autre part, une solution permettrant de réduire les amplitudes de la tension d'alimentation est celle de diminuer l'épaisseur de la couche du polymère diélectrique. Des couches minces de polymère diélectrique peuvent être réalisées en faisant appel aux techniques de déposition. Dans ce cas, l'épaisseur du polymère diélectrique déposée est souvent beaucoup trop fine pour «qu'on puisse lui associer des électrodes classiques à base de graisses conductrices ou même à base de particules de matériaux conducteurs (qui de toutes les manière ne vérifient pas les conditions électriques et mécaniques précitées) . Une solution est de concevoir des électrodes à base de polymères conducteurs. Ceux-ci sont des polymères pouvant conduire des courants électriques. Il est très important dans ce cas, de s'assurer des propriétés électriques et mécaniques du polymère conducteur (résistivité, densité maximale de courant admissible, module de Young, etc.) Des méthodes de déposition chimiques permettent la déposition à la fois des polymères diélectriques et des polymères conducteurs. Un empilement de plusieurs empilements polymère conducteur/diélectrique/conducteur peut être réalisé. Chaque électrode peut exercer les déformations voulues avec quelques dizaines de volts, alors que plusieurs kilovolts sont couramment nécessaires pour charger des couches plus épaisses de polymère diélectrique dans un empilement sans ce feuilletage. Ce dispositif à plusieurs couches de polymère diélectrique alternant avec le même nombre de couches de polymère conducteur résout les problèmes précédents tout en assurant la création d'interfaces souples mais résistantes grâce à leur épaisseur totale suffisante, commandées avec peu de courant et fabriquées avec fiabilité. La figure 8 illustre un tel empilement, où les couches diélectriques ont la référence 51 et les couches conductrices (électrodes) la référence 52. Un autre intérêt de déposer des polymères conducteurs sur des polymères diélectrique est de pouvoir donner aux polymères conducteurs différentes formes d'empreintes et d'obtenir ainsi plusieurs formes d'actionnement. Le fait de pouvoir varier l'empreinte des électrodes (polymère conducteur) est très bien adapté dans le cas des interfaces haptiques associées au corps. Parmi ces interfaces, des interfaces tactiles composées d'une matrice de micro-actionneurs, dans ce cas un réseau d'électrodes de forme circulaire en configuration matricielle, peuvent être mentionnées. D'autres interfaces, comme les interfaces à retour d'effort portables, de type exosquelette ou autre, peuvent se présenter sous des formes rectangulaires ou elliptiques et positionnées dans des configurations antagonistes. La figure 9 illustre comment peut se présenter un tel agencement : une couche de polymère diélectrique 53 porte une pluralité d'électrodes 54, 55, 56 en polymère conducteur à des emplacements différents et des formes éventuellement différentes (ici circulaire, rectangulaire et elliptique) qui imposent des déformations différentes à la couche 53, que l'opérateur distingue en ressentant différemment, puisqu'il est soumis à des forces s'excerçant dans des directions différentes. Un problème qui n'est pas des moindres, et souvent difficile à résoudre dans le cas des réseaux d'actionneurs, est celui du circuit d'adressage. Le fait d'utiliser des polymères conducteurs, permet d'utiliser des derniers comme électrodes mais aussi comme circuit d'adressage. La figure 10 illustre un tel agencement, où les électrodes 58 ont des pastilles circulaires déposées en réseau sur une couche de polymère diélectrique 57. Les lignes d'adressage 59 sont horizontales et verticales et s'étendent entre les électrodes 58 sans se couper. Il est représenté le cas d'un réseau de pastilles adressées en utilisant une empreinte du polymère conducteur bien adaptée. Ceci permet d'éviter de connecter chaque pastille individuellement. Les temps et donc les coûts de fabrication et d'adressage sont réduits. Quelle que soit la réalisation, l'interface haptique peut être conçue pour imposer un déplacement à l'opérateur comme pour ressentir un déplacement exécuté librement par lui.