DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE ET ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE

La présente invention se rapporte à un dispositif pour interface haptique présentant un couple à vide réduit et à une interface haptique comportant un tel dispositif.

Une interface haptique peut prendre la forme d'un bouton rotatif manipulé par un utilisateur, dans ce cas l'interface oppose un couple résistant à l'utilisateur en fonction de la position angulaire du bouton d'actionnement et du déplacement appliqué par l'utilisateur, permettant ainsi de définir des motifs haptiques qui seront ressentis par l'utilisateur lorsqu'il tourne le bouton.

Le couple résistant peut être transmis au bouton par l'intermédiaire d'un fluide magnéto-rhéologique dont la viscosité apparente est modifiée par l'application d'un champ magnétique afin de définir les motifs haptiques prédéfinis.

Afin de rendre le ressenti haptique le plus précis possible on cherche à réaliser des interfaces haptiques présentant un couple à vide réduit.

Une interface haptique rotative à fluide magnéto-rhéologique de l'état de la technique comporte un bouton solidaire d'un élément plongé dans un fluide magnéto-rhéologique, un champ magnétique est appliqué au fluide dont la viscosité apparente varie. Le fluide est stocké dans une chambre, l'arbre est guidé en rotation autour de son axe au moyen de paliers situés de part et d'autre de l'élément d'interaction avec le fluide. Afin d'assurer l'étanchéité entre l'arbre et la chambre et isoler les paliers du fluide magnéto-rhéologique, deux étanchéités sont à réaliser entre l'arbre et les parois de la chambre. Ces étanchéités sont obtenues par des joints montés serrés. L'interface haptique présente alors un couple à vide important. EXPOSÉ DE L'INVENTION

C'est par conséquent un but de la présente invention d'offrir un dispositif pour interface haptique présentant un couple à vide réduit.

Le but précédemment énoncé est atteint par un dispositif pour interface haptique comportant un organe d'interaction avec l'utilisateur et un organe d'interaction avec un fluide dont la viscosité apparente varie en fonction d'un stimulus de contrôle, l'organe d'interaction avec l'utilisateur et l'organe d'interaction avec le fluide étant solidaires en rotation d'un arbre mobile autour de son axe longitudinal, ledit élément d'interaction avec le fluide étant disposé dans une chambre contenant ledit fluide, le dispositif comportant également des moyens pour générer un stimulus variable par exemple un champ magnétique variable dans le cas d'un fluide magnéto-rhéologique. L'élément d'interaction avec le fluide présente au moins une jupe d'interaction solidarisée à une extrémité longitudinale de l'arbre opposée à celle fixée à l'organe d'interaction avec l'utilisateur et la jupe s'étend autour de l'arbre en direction de l'organe d'interaction avec l'utilisateur. L'arbre traverse une seule paroi de la chambre, ladite traversée étant étanche et mettant en œuvre un moyen d'étanchéité. L'interface comporte également des moyens de guidage en rotation de l'arbre disposés entre le moyen d'étanchéité et l'organe d'interaction avec l'utilisateur

La mise en œuvre d'un seul moyen d'étanchéité permet de réduire le couple à vide.

En d'autre termes, l'orientation de l'élément d'interaction avec le fluide et la disposition relative de cet élément et des moyens de guidage en rotation permettent de n'utiliser qu'un seul joint pour assurer l'étanchéité de la chambre et protéger les moyens de guidage du fluide.

Cette disposition relative permet de préserver les marges de positionnement des éléments du dispositif d'interaction avec le fluide.

Cette disposition relative présente en outre l'avantage d'être compacte.

De manière particulièrement avantageuse, les moyens de guidage sont situés de sorte à être sensiblement alignés avec l'élément d'interaction avec le fluide dans un plan orthogonal à l'arbre. On obtient un très bon guidage en rotation et un encombrement réduit en utilisant le volume à l'intérieur de l'élément d'interaction avec le fluide. L'interface présente alors en outre une grande dynamique de couple, le rapport entre le couple nominal de freinage disponible et le couple à vide étant maximisé sans impacter l'encombrement global de l'interface.

On obtient alors une interface haptique présentant un couple à vide réduit, tout en maintenant les performances de freinage du dispositif et le maintien de l'encombrement général.

Dans un exemple avantageux, les moyens de guidage présentent un angle de rotulage faible, par exemple ils sont formés par une cage à aiguilles.

De préférence, les moyens générant le stimulus variable sont disposés à l'intérieur de l'élément d'interaction avec le fluide, ce qui permet d'obtenir un couple de freinage maximal augmenté en préservant la compacité de la chambre.

Dans un exemple préféré, dans le cas d'un fluide magnéto-rhéologique la chambre est formée en partie dans deux noyaux magnétiques assurant le guidage du champ magnétique.

La présente invention a alors pour objet un dispositif pour interface haptique rotative comportant:

- un organe d'interaction avec l'utilisateur,

- un organe d'interaction avec un fluide dont la viscosité apparente varie en fonction d'un stimulus de contrôle,

- un arbre mobile en rotation autour de son axe, l'organe d'interaction avec l'utilisateur et l'organe d'interaction avec le fluide étant solidaires en rotation dudit arbre,

- un fluide dont la viscosité apparente varie en fonction d'un stimulus de contrôle,

- une chambre délimitée par des parois et contenant ledit fluide, ledit élément d'interaction avec le fluide étant disposé dans ladite chambre en contact avec le fluide,

- des moyens pour générer un stimulus variable dans le fluide, - l'élément d'interaction avec le fluide comportant au moins une paroi d'interaction mobile entourant l'arbre, ladite paroi d'interaction étant solidarisée à une extrémité longitudinale de l'arbre opposée à celle sur laquelle est fixé l'élément d'interaction avec l'utilisateur, et s'étendant de ladite première extrémité en direction de l'élément d'interaction avec l'utilisateur,

- l'arbre traversant une seule paroi de la chambre,

- un moyen d'étanchéité étant disposé entre l'arbre et ladite paroi de sorte à réaliser une traversée étanche,

- des moyens de guidage en rotation de l'arbre disposés autour de l'arbre entre le moyen d'étanchéité et l'élément d'interaction avec l'utilisateur.

De manière très avantageuse, les moyens de guidage en rotation sont positionnés à l'intérieur de l'élément d'interaction avec le fluide au droit de la paroi d'interaction. De préférence, les moyens de guidage en rotation présentent un angle de roulage faible, les moyens de guidage en rotation comportant avantageusement une cage à aiguilles.

Les moyens de génération d'un stimulus variable sont avantageusement disposés au moins en partie dans un espace délimité à l'intérieur de la paroi d'interaction de l'élément d'interaction avec le fluide.

Par exemple, les moyens de génération d'un stimulus variable sont des moyens de génération d'un champ magnétique variable et le fluide est un fluide magnéto-rhéologique.

Par exemple, les moyens de génération d'un champ magnétique variable comportent une bobine et au moins un noyau magnétique, ladite bobine étant disposée dans l'espace délimité à l'intérieur de la paroi d'interaction de l'élément d'interaction avec le fluide.

De préférence, les moyens de génération d'un champ magnétique variable comportent un noyau magnétique interne disposé dans la bobine et un noyau magnétique externe disposé à l'extérieur de la bobine, lesdits noyaux magnétiques interne et externe délimitant au moins en partie la chambre, la bobine étant disposée de sorte à être en regard d'une partie de la paroi d'interaction. Par exemple, la bobine est montée entre un épaulement du noyau magnétique interne et une portée du noyau magnétique externe.

Le noyau interne peut avoir une forme annulaire et comporter un passage traversant dans lequel est monté l'arbre, le moyen d'étanchéité assurant l'étanchéité entre l'arbre et le passage traversant.

Par exemple, les moyens de guidage en rotation sont montés dans le passage traversant du noyau magnétique interne.

Avantageusement, le moyen d'étanchéité est monté dans une gorge réalisée dans l'arbre.

La chambre peut comporter une paroi disposée à l'opposé de la paroi traversée par l'arbre et formé par une plaque de fermeture fixée de manière amovible.

Avantageusement l'élément d'interaction avec le fluide comporte au moins deux parois d'interaction concentriques. Le dispositif peut alors comporter une paroi d'interaction fixe par rapport à la chambre et interposée entre les aux moins deux parois d'interaction mobiles concentriques, ladite paroi d'interaction fixe étant concentriques aux parois d'interaction mobiles.

De préférence, la paroi fixe est fixée à une plaquette transversale en matériau amagnétique.

L'élément d'interaction avec le fluide peut comporter un fond perpendiculaire à l'arbre et par lequel la paroi d'interaction est fixée à l'arbre, ledit fond étant avantageusement en matériau amagnétique. Le fond peut comporter au moins un trou traversant destiné à évacuer le trop plein et/ou à faciliter le remplissage.

La présente invention a également pour objet une interface haptique rotative comportant un dispositif selon l'une des revendications précédentes, des moyens de mesure d'une caractéristique d'un déplacement en rotation de l'élément d'interaction avec l'utilisateur, une unité de commande comportant des motifs haptiques, ladite unité de commande étant reliée aux moyens de mesure et aux moyens de génération d'un stimulus variable, et sont aptes à générer un ordre aux moyens de génération d'un stimulus variable en fonction du motif sélectionné à partir du signal émis par les moyens de mesure. Les moyens de mesure comportent par exemple un capteur de position angulaire.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

La présente invention sera mieux comprise sur la base de la description qui va suivre et des dessins en annexe sur lesquels:

- la figure 1 est vue de côté d'un exemple de réalisation d'une interface haptique,

- la figure 2 est une vue en coupe selon le plan A-A de l'interface de la figure 1,

- la figure 3 est une vue identique à celle de la figure 2 sur laquelle sont représentées les lignes de champ magnétique généré par les moyens de génération de champ magnétique.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS

Dans la description qui va suivre, l'exemple d'une interface haptique mettant en œuvre un fluide magnéto-rhéologique, i.e. dont la viscosité apparente varie en fonction du champ magnétique appliqué, va être décrite mais la mise en œuvre d'un fluide électro-rhéologique, i.e. un fluide dont la viscosité apparente dépend du champ électrique appliqué, ne sort pas du cadre de la présente invention.

Sur les figures 1 et 2, on peut voir un exemple de réalisation d'une interface haptique à bouton rotatif. L'interface comporte un bouton 2 (représenté en pointillés) destiné à être manipulé par un opérateur, un arbre 4 duquel est solidaire en rotation le bouton 2 et un carter ou boîtier 6 dans lequel est monté mobile en rotation l'arbre 4. L'arbre 4 présente un axe longitudinal X autour duquel il est apte à tourner.

Sur la figure 2, on peut voir l'intérieur du boîtier 6.

L'interface comporte également un élément d'interaction 8 avec un fluide magnéto-rhéologique, le fluide et l'élément d'interaction sont contenus dans une chambre étanche 12 dans le boîtier 6. Cet élément 8 est également solidaire en rotation de l'arbre 4 et donc du bouton rotatif 2. L'élément d'interaction 8 comporte un fond 14 en forme de disque et une ou plusieurs parois périphériques 16 ou jupe de section transversale circulaire s'étendant le long de l'axe X. Les parois périphériques ou jupes sont destinées à interagir avec le fluide, elles pourront être désignées par la suite "paroi d'interaction". De préférence le fond est en matériau amagnétique. Dans l'exemple représenté, l'élément d'interaction comporte deux parois d'interaction concentriques et un élément tubulaire 28 solidaire du boîtier est interposé entre les deux parois d'interaction 16, celui-ci contribue à l'effet de cisaillement du fluide magnéto-rhéologique lorsque les parois d'interaction 16 sont en rotation. Ce sont les parois d'interaction qui interagissent avec le fluide et qui sont plus ou moins freinées par les forces de cisaillement apparaissant entre les parois périphériques et le fluide. Le fond forme un support pour les jupes.

La mise en œuvre de plusieurs parois d'interaction permet d'augmenter le couple de freinage tout en limitant l'encombrement.

Un dispositif dans lequel l'élément d'interaction avec le fluide ne comporterait qu'une paroi d'interaction et pas d'élément tubulaire ne sort pas du cadre de la présente invention.

Le fond 14 est fixé à une extrémité longitudinale 4.1 de l'arbre 4 située dans la chambre 4. Le fond 14 s'étend sensiblement perpendiculairement à l'axe longitudinal X. Dans l'exemple représenté et de manière avantageuse le fond 14 est maintenu par vissage sur l'axe 4, par exemple par l'intermédiaire d'un carré d'entraînement permettant la transmission du couple de freinage.

Les parois d'interaction 16 s'étendent à partir du fond en direction du bouton rotatif 2. L'élément d'interaction avec le fluide a alors sensiblement la forme d'une cloche retournée, le fond 14 formant la partie inférieure dans la représentation de la figure 2. Il sera compris que l'orientation de l'interface n'intervient pas dans son fonctionnement.

En variante, l'élément 8 peut ne comporter qu'une paroi d'interaction ou plus de deux parois d'interaction concentriques. Par ailleurs, la ou les parois d'interaction pourraient comporter des lumières et/ou des portions en saillie ou en creux afin d'augmenter la résistance au déplacement. Les parois d'interaction 16 de l'élément 8 peuvent être en matériau magnétique ou amagnétique.

L'interface haptique comporte des moyens pour générer un champ magnétique variable 18. Dans l'exemple représenté, ils comportent un électroaimant comprenant une bobine 22 et des noyaux magnétiques 24, 26. La bobine22 présente un axe aligné avec l'axe X.

L'ensemble comprenant le boîtier, le fluide et les moyens de génération d'un champ magnétique forme un frein magnéto-rhéologique pour l'ensemble comprenant le bouton rotatif, l'arbre et l'élément d'interaction avec le fluide.

De manière avantageuse, la bobine est disposée à l'intérieur de l'élément d'interaction avec le fluide, et à l'opposé du fond 14 , ce qui permet d'avoir une paroi d'interaction de grand diamètre ainsi qu'un flux magnétique généré par la bobine qui traverse sur une grande surface la zone de cisaillement des parois d'interaction, ce qui augmente le couple de freinage s'exerçant sur l'arbre et sur le bouton rotatif et donc augmente le ressenti par l'utilisateur.

De manière préférée, les parois latérales intérieure et extérieure de la chambre étanche sont formées directement par les noyaux magnétiques assurant un guidage du champ magnétique.

La bobine est reliée à une alimentation en courant commandée par une unité de commande UC en fonction de la manipulation du bouton et de motifs préenregistrés. Les fils de connexion traversent par exemple le noyau magnétique externe 26.

Le noyau magnétique 24 est disposé dans la bobine 22 et forme une paroi latérale intérieure 30 de la chambre, il sera désigné "noyau magnétique interne". L'autre noyau magnétique 26 est disposé à l'extérieur de la bobine et forme une paroi latérale extérieure 32 de la chambre, il sera désigné "noyau magnétique externe". Dans l'exemple représenté, les deux parois latérales 30, 32 sont tubulaire et concentriques. Les jupes 16 sont disposées dans l'espace entre les parois tubulaires interne 30 et externe 32.

La bobine 22 est logée entre un épaulement du noyau interne 24 et une portée annulaire du noyau externe 26 de sorte à être en regard d'une partie des jupes 16. La bobine 22 est disposée de sorte que le flux magnétique généré traverse la zone de la chambre où se situent les jupes 16.

Le noyau interne 24 présente une forme annulaire et comporte un passage central traversant 36, l'arbre 4 étant monté de manière étanche et apte à pivoter dans le passage central 36 du noyau interne 24. Grâce à l'invention, l'arbre 4 ne traverse qu'une paroi de la chambre et le montage étanche de l'arbre dans la chambre peut être réalisé au moyen d'un seul joint 38, par exemple un joint torique. Le joint 38 est monté serré sur son diamètre extérieur, en contact avec le noyau interne, et glissant sur son diamètre intérieur, en contact avec l'arbre. La mise en œuvre d'un seul joint permet de réduire le couple de frottement à vide s'exerçant sur l'arbre 4. En outre, de manière encore plus avantageuse, le joint 38 est monté dans une gorge 40 réalisée dans l'arbre. Le joint 38 est alors en contact sur un diamètre réduit de l'arbre 4, ce qui permet de réduire encore davantage le couple à vide sur l'arbre.

La chambre est fermée au niveau de son fond inférieur opposé à celui traversé par l'arbre 4 par une plaque de fermeture 34 fixée au noyau externe 26, par exemple par vissage. La plaque de fermeture 34 est de préférence en matériau amagnétique.

Dans l'exemple représenté, le noyau externe 26 forme la paroi extérieure du boîtier mais d'autres réalisations sont envisageables.

La bobine 22 est avantageusement disposée de sorte qu'une grande surface des parois d'interaction soit traversée par le champ magnétique. De préférence, la bobine 22 est située dans une zone supérieure ou une zone inférieure par rapport à l'espace entre les parois tubulaires interne 30 et externe 32.

Les noyaux magnétiques sont tels qu'ils assurent un guidage du champ magnétique à travers les parois d'interaction 16.

De manière avantageuse, l'élément tubulaire 28 est fixé à une plaquette annulaire 31 qui est, dans l'exemple représenté, pincée entre la portée annulaire du noyau magnétique externe 26 et l'épaulement du noyau magnétique interne 24. De préférence, la plaquette annulaire 31 est en matériau amagnétique. En réalisant le fond 14 de l'élément d'interaction avec le fluide et la plaquette annulaire 31 en matériau amagnétique, les fuites magnétiques vers le haut et vers le bas dans la représentation de la figure 3 sont limitées et le champ magnétique est forcé de traverser les parois périphériques 16 comme cela est schématisé sur la figure 3.

En variante l'élément tubulaire 28 pourrait être encastré directement dans le noyau magnétique externe 26 dans le cas préférentiel d'utilisation d'un matériau amagnétique associé à la présence de lumières pour l'élément tubulaire 28. La chambre étanche a, vue en coupe longitudinale, sensiblement de la forme d'un U correspondant à la forme en coupe longitudinale de l'élément d'interaction avec le fluide, ce qui réduit le volume de fluide requis et réduit l'espace dans lequel un champ magnétique doit être généré.

L'interface comporte également des moyens de guidage 42 en rotation de l'arbre autour de son axe X. les moyens de guidage sont disposés entre le joint 38 et le bouton à l'extérieur de la chambre afin de l'isoler du fluide magnéto-rhéologique, au moins en partie dans l'espace intérieur délimité par la paroi tubulaire interne de la chambre.

Dans l'exemple représenté, les moyens de guidage en rotation 42 sont montés dans le passage central traversant 36 du noyau magnétique interne 24.

Les moyens de guidage en rotation peuvent être formés par un palier, par un ou des roulements à billes et de manière préférée par une cage à aiguilles qui offre un couple à vide réduit. En outre, puisqu'elle présente un angle de rotulage faible, elle permet un bon contrôle de la coaxialité des parois d'interaction et ceci dans un encombrement réduit.

Par ailleurs, la disposition des moyens de guidage 42 au plus près de l'élément d'interaction avec le fluide permet de réduire la distance entre les jupes 16 et les moyens de guidage en rotation, réduisant l'effet de rotulage et donc les risques de contact entre les jupes 16 et les éléments du boîtier, par exemple les parois tubulaires interne 30 et externe 32 et l'élément tubulaire 28. En outre, sa disposition à "l'intérieur de l'élément d'interaction avec le fluide" permet un gain de place en occupant l'espace situé à l'intérieur de l'élément d'interaction avec le fluide et ainsi d'offrir une interface compacte.

La chambre comporte des zones qui ne participent pas au freinage de l'élément d'interaction avec le fluide, par exemple la zone située entre une extrémité libre des jupes et la plaquette annulaire 31 et la zone située entre le fond et le noyau magnétique interne 24. Ces zones peuvent servir de réserve de fluide et/ou de zone de compensation de volume lors de la dilatation du fluide magnéto-rhéologique.

Avantageusement, le fond comporte des orifices traversants 43 permettant d'évacuer le trop plein et/ou de permette un remplissage complémentaire de la chambre après mise en place de l'élément d'interaction dans la chambre.

L'interface haptique comporte également au moins un capteur 44 permettant de mesurer une caractéristique du déplacement du bouton rotatif, par exemple un capteur de position angulaire. Celui-ci est par exemple fixé en partie sur l'arbre 4 et peut être formé par une roue optique. Le ou les capteurs sont reliés à une unité de commande UC comportant une base de données de motifs haptiques, l'unité de commande UC est elle-même reliée aux moyens de génération d'un champ magnétique.

Le fonctionnement de l'interface haptique va maintenant être décrit.

L'utilisateur manipule le bouton rotatif 2 en le faisant pivoter autour de l'axe X, l'élément d'interaction avec le fluide 8 est également entraîné en rotation. En l'absence de champ magnétique, l'utilisateur ne ressent que le couple à vide qui est, grâce à l'invention, très faible, uniquement dû à un joint.

Le déplacement du bouton rotatif 2 est détecté par le capteur 44, par exemple un capteur de position, qui envoie des informations sur le déplacement du bouton à une unité de commande UC. L'unité de commande à partir de ces signaux détermine le motif haptique à appliquer et génère un ordre qui est envoyé aux moyens de génération d'un champ magnétique. Celui-ci génère un champ magnétique qui est guidé par les noyaux interne 24 et externe 26 et traverse l'espace entre les parois tubulaires interne 30 et externe 32 augmentant la viscosité apparente du fluide magnéto- rhéologique, les forces de cisaillement qui sont liées au fluide, entre les jupes 16 et les parois fixes 30, 32 de la chambre, et entre les jupes 16 et l'élément tubulaire 28, augmentent et s'opposent de manière sensible au déplacement de l'élément d'interaction avec le fluide qui est transmise au bouton rotatif via l'arbre, ce qui génère une sensation de frein ressentie par l'utilisateur.

Le motif haptique peut être une sensation de frein de plus ou moins grande intensité ou alors reproduit une butée.

La valeur du champ magnétique est adaptée en permanence en fonction des signaux envoyés par les capteurs.

Grâce à l'invention, le couple à vide est réduit ce qui améliore la reproduction d'un motif haptique type roue libre.

En outre, la reproduction de butée peut avantageusement être améliorée car le ressenti haptique peut ainsi bénéficier d'une plus grande dynamique d'effort. De manière générale, la sensation haptique de manœuvre à vide du bouton est perçue de manière favorable par l'utilisateur lorsque le couple à vide est réduit.

En outre sa fabrication est simplifiée.

En outre, dans un mode de réalisation dans lequel l'électroaimant est disposé à l'intérieur de l'élément d'interaction avec le fluide, il offre une couple de freinage maximal augmenté tout en présentant un encombrement réduit.

Grâce à l'orientation de la ou des jupes par rapport au fond et à l'arbre, il est possible de disposer les moyens de guidage en rotation à l'intérieur de la ou des jupes tout en l'isolant du fluide, ce qui améliore le guidage en réduisant les risques de contact entre la ou les jupes et les éléments fixes du frein. En outre, le frein présente une plus grande compacité.

L'interface haptique selon l'invention est particulièrement adaptée à une application dans des véhicules automobiles, par exemple pour former une interface haptique embarquée assistant le conducteur automobile. Elle peut permettre à l'utilisateur d'interagir avec différents équipements ou accessoires du véhicule comme le GPS (Global Positioning System en terminologie anglaise ou Système de positionnement mondial), la radio, la climatisation...