INTERFACE DE STIMULATION TACTILE

[0001 ]!l_a présente invention a pour objet une interface de stimulation tactile. L'invention permet en particulier de localiser spatialement des stimuli tactiles.

[0002] Une interface de stimulation tactile est destinée à restituer une information tactile, telle qu’une texture, un relief, une rugosité variable dans le temps et/ou l’espace, une illusion d’appuyer sur un matériau souple, de presser une touche.

[0003] L'exploration tactile des surfaces est omniprésente dans les interactions quotidiennes avec les nouvelles technologies du numérique et de l’informatique, qu'il s'agisse de glisser le doigt sur un smartphone ou d'interagir avec un pavé tactile. Cependant, les dispositifs existants manquent souvent d'un retour haptique convaincant. En conséquence, un objectif de la recherche haptique est d'améliorer l'expérience de l'utilisateur en créant des stimuli tactiles. Parmi de nombreuses options technologiques, l'attention de la communauté scientifique s'est récemment portée sur la lubrification ultrasonique et sur le retour vibrotactile. La première option exploite les ondes transverses ultrasonores (de 20 kHz à 200 kHz) comme moyen de moduler la friction apparente d'une surface lisse. La seconde option utilise des ondes à des fréquences bien plus basses (de 0 Hz à 500 Hz) pour stimuler directement les mécanorécepteurs du doigt humain.

[0004] La lubrification par ultrasons, utilisée à l'origine dans des applications industrielles, s'appuie dans le domaine haptique sur des ondes ultrasoniques transversales établies dans une plaque pour créer un coussin d'air entre la peau et la surface. Avec cette technique, la charge normale appliquée par la pulpe du doigt sur la surface est partagée entre le coussin d'air et les aspérités de la couche cornée de la peau en contact intime avec la surface. La surface de contact effective est réduite ainsi que le frottement.

[0005] Les êtres humains étant sensibles aux changements de friction, des caractéristiques haptiques virtuelles peuvent être générées sur une surface lisse. À ce jour, cependant, la lubrification par ultrasons est limitée aux interactions globales, car les ondes stationnaires doivent être établies sur l'ensemble d'une plaque. [0006] Les êtres humains étant sensibles aux vibrations, des caractéristiques haptiques virtuelles peuvent être générées en faisant vibrer directement une partie du corps dans la plage fréquentielle pouvant être perçue par les mécanorécepteurs (de 0 Hz à 500 Hz). À ce jour, cependant, le retour vibrotactile est limité en ce que les vibrations se propagent dans le medium contenant les actionneurs ce qui empêchent un contrôle précis des vibrations et une haute- fidélité haptique.

[0007] Plusieurs solutions actuelles permettant la localisation haptique sont basées sur une approche logicielle, comme par exemple le retournement temporel et le filtre inverse. Ceci nécessite une importante puissance de calcul, incompatible avec les contraintes d’asservissement en temps réel des systèmes haptiques.

[0008] Les solutions de l’état de l’art qui localisent les ultrasons dans des plaques ont pour défaut d’avoir des amplitudes vibratoires très faibles, insuffisantes pour générer un coussin d’air lubrifiant le contact de manière significative. [0009] Les solutions de l’état de l’art qui localisent les signaux vibrotactiles dépendent grandement de la forme des actionneurs et des conditions aux limites de fixation du dispositif.

[0010] La présente invention vise à remédier à ces inconvénients.

[0011] L’invention a pour objet une interface de stimulation tactile, comprenant une première face, destinée à être explorée tactilement, et appelée face tactile, et une deuxième face munie d’au moins un actionneur, ledit au moins un actionneur étant configuré pour être excité de manière générer et à transmettre des ondes acoustiques à la face tactile.

[0012] Dans l’interface selon l’invention, la deuxième face comprend au moins une zone de confinement des ondes acoustiques générées par ledit au moins un actionneur, ladite au moins une zone de confinement étant délimitée au moins en partie par des miroirs acoustiques réalisés par un métamatériau acoustique configuré pour réfléchir les ondes acoustiques de fréquences comprises dans un intervalle prédéterminé, appelé bande interdite. [0013] La bande interdite inclut avantageusement la fréquence porteuse des ondes acoustiques générées par ledit au moins un actionneur. La fréquence porteuse est la fréquence d’une onde sinusoïdale qui est ensuite modulée par un signal qui contient l’information haptique.

[0014] Ledit au moins un actionneur peut être un actionneur piézoélectrique ou un actionneur électromagnétique.

[0015] De manière générale, le métamatériau peut comprendre des résonateurs arrangés périodiquement.

[0016] La bande interdite du métamatériau acoustique peut être comprise dans un intervalle de fréquences inférieures à 500 Hz.

[0017] Le métamatériau peut comprendre dans ce cas des résonateurs arrangés périodiquement.

[0018] Les résonateurs peuvent dans ce cas être des billes en tungstène, cuivre, acier ou plomb, entourées de silicone.

[0019] La première face et la deuxième face peuvent former une plaque.

[0020] La plaque peut être en métal, en silicium ou en verre.

[0021] La bande interdite du métamatériau acoustique peut être comprise dans un intervalle de fréquences allant de 20 kHz à 200 kHz.

[0022] Le métamatériau peut également comprendre dans ce cas des résonateurs arrangés périodiquement.

[0023] Les résonateurs peuvent être des cylindres en aluminium de section circulaire ou rectangulaire. En variante, les résonateurs peuvent être des billes en tungstène, cuivre, acier ou plomb, montées sur un cylindre en aluminium de section circulaire ou rectangulaire.

[0024] Ladite au moins une zone de confinement des ondes acoustiques peut être une surface aux bords orthogonaux ou une surface circulaire.

[0025] D’autres avantages et particularités de la présente invention résulteront de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux figures annexées :

[0026] [Fig. 1] est une vue en perspective de dessus d’une interface de stimulation tactile selon l’invention, conformément à un premier mode de réalisation, [0027] [Fig. 2] est une vue en perspective de dessous d’une interface de stimulation tactile selon l’invention, conformément à un premier mode de réalisation,

[0028] [Fig. 3] est une vue en perspective de dessous d’une interface de stimulation tactile selon l’invention, conformément à un deuxième mode de réalisation,

[0029] [Fig. 4] est une vue de détail de l’interface de stimulation tactile de la figure 3,

[0030] [Fig. 5] est une première vue en perspective de dessus d’une interface de stimulation tactile selon l’invention, conformément à un troisième mode de réalisation, et

[0031] [Fig. 6] est une deuxième vue en perspective de dessus d’une interface de stimulation tactile selon l’invention, conformément à un troisième mode de réalisation.

[0032] DESCRIPTION DETAILLEE

[0033] Sur les figures 1 et 2, on peut voir représenté schématiquement un exemple d’interface tactile 1 selon l’invention comportant une plaque 2 comprenant une première face 3 et une deuxième face 4 opposée à la première face 3.

[0034] La première face 3 est destinée à être explorée tactilement, par exemple par les doigts d’un utilisateur. La première face 3 est désignée surface tactile.

[0035] Dans l’exemple représenté, la face tactile 3 est plane mais la présente invention s’applique également à des surfaces tactiles courbes et à des plaques courbes. Le terme « plaque » n’est pas limité à un élément plan, mais à tout élément offrant une grande longueur par rapport à son épaisseur et pouvant être plan au moins en partie et/ou présentant une ou plusieurs courbures.

[0036] La face tactile 3 peut être destinée à être touchée par la pulpe d’un doigt 8 ou de plusieurs doigts. On peut également envisager que la surface tactile 3 soit apte à appliquer une stimulation à toute partie du corps de l’utilisateur sensible au toucher.

[0037] La deuxième face 4 est munie d’un ou plusieurs actionneurs 5, de sorte que lorsque le ou les actionneurs 5 sont excités, ils transmettent des vibrations (ondes acoustiques) à la plaque 2. [0038] Les actionneurs sont par exemple des actionneurs en céramique piézoélectrique, tel que le PZT (titano-zirconate de plomb), fixés sur la deuxième face 4, par exemple par collage. En variante, les actionneurs peuvent être réalisés par des électrodes interdigitées déposées directement sur la deuxième face 4 dans le cas où celle-ci est réalisée dans un matériau piézoélectrique, tel que le LiNb03 (niobate de lithium). En variante, les actionneurs peuvent être électromagnétiques et fixés sur la deuxième face 4, par exemple par collage.

[0039] L’invention a pour objectif de localiser spatialement des stimuli tactiles. Pour obtenir une zone de vibration localisée, l’interface selon l’invention met en œuvre des miroirs acoustiques 6. En termes mécaniques, un miroir acoustique équivaut à une condition aux limites encastrée. Ce type de condition est difficile à réaliser en pratique. Par exemple, un collage polymérique ne suffirait pas à empêcher la propagation d’énergie vibratoire à cause de sa trop grande souplesse.

[0040] L’invention utilise des métamatériaux acoustiques qui ont pour particularité d’empêcher la propagation des vibrations sur une certaine plage de fréquence.

Ces métamatériaux se comportent alors comme des miroirs acoustiques, ce qui permet de délimiter des zones de rendu tactile.

[0041] Les métamatériaux acoustiques sont des structures artificielles dont les propriétés acoustiques à l’échelle macroscopique n’existent pas dans la nature, ces métamatériaux présentent par exemple un indice de réfraction négatif ou une densité négative. Ils peuvent être conçus pour posséder une bande interdite (band gap en langue anglaise), c’est-à-dire une plage fréquentielle dans laquelle les ondes acoustiques ne se propagent pas.

[0042] Ainsi, des miroirs acoustiques 6 constitués de métamatériaux sont agencés spatialement pour créer des zones de confinement des ondes acoustiques 7, qui sont appelées des guides d’ondes. Les guides d’ondes 7 peuvent être par exemple de forme rectangulaire. Les métamatériaux sont optimisés pour que la bande interdite inclue la fréquence porteuse du signal haptique. Cette fréquence porteuse peut être à basses fréquences dans le domaine vibrotactile (des fréquences inférieures à 500Hz) ou bien à hautes fréquences pour la lubrification ultrasonique (de 20 kHz à 200 kHz). [0043] Cette bande interdite résulte de l’action collective de résonateurs locaux 9 qui peuvent être arrangés périodiquement pour constituer le métamatériau. Les résonateurs locaux sont des éléments ayant une fréquence de résonance proche de la bande interdite. Un agencement périodique des résonateurs n’est toutefois pas nécessaire pour garantir leur bon fonctionnement, mais cela facilite les étapes de modélisation et de fabrication.

[0044] Dans une variante, la bande interdite peut résulter des interférences destructives due à la diffraction des ondes acoustiques sur la structure périodique. Le procédé est analogue à la diffraction de Bragg ayant lieu dans les cristaux. Cette variante est néanmoins limitée aux ondes acoustiques dont la longueur d’onde est voisine de la périodicité de la structure. Les résonateurs locaux 9 n’ont pas cette limitation et sont ainsi de bons candidats pour créer des métamatériaux compacts, adaptés aux contraintes haptiques.

[0045] Le domaine vibrotactile est régi par les basses fréquences, inférieures à 500 Hz, et cela nécessite des résonateurs dont les tailles peuvent être importantes. Pour atteindre des plages fréquentielles si basses, il faut augmenter la masse et diminuer la raideur des résonateurs. Cela s’opère en modifiant leur géométrie et/ou leurs matériaux. Par exemple, l’utilisation du tungstène, de très haute densité, comme masse et du silicone, très souple, comme ressort permet de centrer la bande interdite autour de 290 Hz avec une structure d’une périodicité de 15 mm.

[0046] Sur la figure 1 , chaque miroir acoustique 6 comprend trois rangées de vingt résonateurs 9. Sur la figure 2, les miroirs acoustiques 6 comprennent 2 rangées de résonateurs 9.

[0047] Plusieurs modes de réalisation peuvent être envisagés. Ils correspondent à diverses déclinaisons de l’invention faisant varier la forme et le matériau des résonateurs locaux, leurs dimensions ainsi que leur périodicité.

[0048] Dans un premier mode de réalisation, tel qu’illustré aux figures 1 et 2, les résonateurs 9 sont des cylindres élancés de section circulaire. On peut par exemple utiliser des cylindres en aluminium de diamètre 3,5 mm et de longueur 14,5 mm, la période spatiale de la structure étant de 7 mm. Ils peuvent également être réalisés dans d’autres matériaux à faible amortissement tels que du métal, du silicium ou du verre.

[0049] Dans un deuxième mode de réalisation, tel qu’illustré aux figures 3 et 4, les résonnateurs 9 sont des billes de tungstène montées sur des tiges en aluminium. On peut par exemple utiliser des billes de tungstène de diamètre 3 mm qui sont collées sur une structure imprimée en trois dimensions en aluminium, la période spatiale de la structure étant de 4 mm.

[0050] Le premier et le deuxième mode de réalisation mettent en œuvre des ondes acoustiques ultrasonores.

[0051] Pour les ondes ultrasonores, on peut utiliser une plaque en métal, en silicium ou en verre.

[0052] Dans un troisième mode de réalisation, tel qu’illustré aux figures 5 et 6, les résonateurs sont des billes de tungstène enrobées de silicone. On peut par exemple utiliser comme résonateurs des billes de tungstène de diamètre 7,5 mm enrobées de silicone d’une dureté Shore 00-30, la période spatiale de la structure étant de 15 mm. Tel qu’illustrée aux figures 5 et 6, l’interface comprend seize zones vibrotactiles 7, qui sont des guides d’ondes de forme par exemple carrée, et qui sont délimités par les miroirs acoustiques 6 comprenant les billes de tungstène encapsulées dans un cylindre de silicone. Les résonateurs peuvent être disposés dans une matrice de PMMA (polyméthacrylate de méthyle).

[0053] Le troisième mode de réalisation met en œuvre des ondes acoustiques dont la fréquence est dans le domaine du vibrotactile (fréquences inférieures à 500 Hz). La bande interdite peut être centrée sur une fréquence de 290 Hz. Les billes peuvent être en tungstène, en cuivre, en acier ou en plomb.

[0054] Certaines techniques sont limitées à la localisation de vibrations uniquement au niveau de l’actionneur. L’invention ne souffre pas de cette limitation puisque l’intégralité d’un guide d’ondes peut vibrer grâce à un unique actionneur placé quelque part sur le guide d’ondes. De manière générale, l’actionneur a une taille inférieure ou égale à celle du guide d’ondes.

[0055] Certains dispositifs présentant un rendu haptique localisé stimulent le doigt à des fréquences qui sont fonction de la géométrie des actionneurs, de la plaque et des conditions aux limites. La fréquence de fonctionnement de l’interface selon l’invention peut être ajustée en modifiant la bande interdite, c’est-à-dire en changeant le résonateur.

[0056] La résolution spatiale des solutions actuelles est fonction des dimensions de l’actionneur. La résolution spatiale de l’invention dépend des dimensions du résonateur.

[0057] Les aires de rendus tactiles localisés sont séparées par plusieurs rangées de résonateurs. En pratique, un nombre suffisant de rangées est réalisé pour créer un miroir acoustique doté d’une bonne réflexion. La zone constituée de ces rangées est un métamatériau qui réfléchit les vibrations. Par conséquent, elle ne vibre pas et elle constitue alors une zone morte dans laquelle aucun stimulus tactile ne peut être généré. Pour diminuer la taille des zones mortes, il est possible de réduire le nombre de rangées. On peut ainsi envisager de mettre en œuvre deux ou trois rangées.

[0058] La disposition spatiale du métamatériau acoustique est fixée lors de sa fabrication. Le signal tactile envoyé dans le guide d’onde pourra néanmoins toujours être modulé temporellement.

[0059] La plaque de l’interface tactile peut être plane. On peut également utiliser une plaque courbée sans que cela affecte son fonctionnement. Il est également possible de réaliser un métamatériau acoustique dans un volume avec une périodicité spatiale tridimensionnelle.

[0060] On peut envisager différentes applications de l’interface de stimulation tactile selon l’invention.

[0061] Il est difficile d’implémenter un retour haptique sur une grande surface, par exemple sur un écran d’ordinateur ou une portière de voiture, notamment à cause de la puissance d’actionnement requise. Pour certaines applications, il n’est cependant pas nécessaire que le retour haptique se fasse sur l’intégralité de ladite surface. Les métamatériaux acoustiques offrent alors une solution pour délimiter la zone de vibration et ainsi réduire la puissance requise.

[0062] La lubrification ultrasonique est actuellement limitée à des surfaces dont les bords sont orthogonaux. Cette condition est nécessaire pour l’établissement de modes de vibration réguliers qui garantissent une lubrification homogène. Pour des raisons ergonomiques, nombreux sont les objets courants à posséder des bords irréguliers ou arrondis (par exemple un tableau de bord de voiture, une souris d’ordinateur ou une manette de jeux). Les métamatériaux acoustiques peuvent alors créer un guide d’onde aux bords orthogonaux pour s’affranchir des irrégularités et des arrondis, ce qui rendrait possible la modulation du frottement sur les objets courants sur lesquels des textures artificielles pourraient alors être simulées.

[0063] De nombreuses applications de la vie courante nécessitent une exploration tactile à deux mains, que ce soit la perception de textures ou la lecture du braille. Cependant, la plupart des interfaces tactiles existantes ont un retour haptique identique sur l’intégralité de leur surface et sont par conséquent limitées à des interactions avec un seul doigt. L’utilisation de métamatériaux acoustiques pour créer des stimuli tactiles (vibrations, frottements) localisés sous chaque doigt ouvre la porte à des interactions multipoints plus réalistes.

[0064] La lubrification ultrasonique localisée permet de modifier spatialement le coefficient de frottement apparent d’une plaque. La diminution locale du frottement peut être utilisée pour mettre en mouvement des objets de manière sélective. Par exemple avec une plaque ultrasonique inclinée, un objet placé sur une zone lubrifiée pourra être mis en mouvement alors que le même objet sur une zone non lubrifiée sera statique. Des applications dans le domaine du convoyage et du tri sont envisageables.

[0065] Les manettes de jeu récentes intègrent un retour vibrotactile haute-fidélité avec la présence de deux actionneurs disposés de part et d’autre de la manette. Toutefois, le manque d’isolation vibratoire entre les parties gauche et droite est source de diaphonie entre les deux voies. L’intégration d’un métamatériau acoustique au centre de la manette permet d’isoler les deux parties, améliorant ainsi la fidélité du retour haptique.

[0066] Avec l’avènement des réalités virtuelles et augmentées sont apparues de nombreuses vestes haptiques. Celle-ci se composent d’une matrice d’actionneurs attachés à un medium souple porté par l’utilisateur. La propagation des vibrations à travers ce medium nuit à la fidélité en « floutant » le retour haptique. Cet effet néfaste peut être évité avec l’utilisation d’un métamatériau acoustique pour isoler chaque zone de rendu tactile.