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WO2021044085A2 - Procédé et dispositif pour la réalisation d'un effet de dse-bouton sur une interface haptique - Google Patents

Procédé et dispositif pour la réalisation d'un effet de dse-bouton sur une interface haptique Download PDF

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Publication number
WO2021044085A2
WO2021044085A2 PCT/FR2020/000232 FR2020000232W WO2021044085A2 WO 2021044085 A2 WO2021044085 A2 WO 2021044085A2 FR 2020000232 W FR2020000232 W FR 2020000232W WO 2021044085 A2 WO2021044085 A2 WO 2021044085A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
haptic
haptic interface
user
interface
finger
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/FR2020/000232
Other languages
English (en)
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WO2021044085A8 (fr
WO2021044085A3 (fr
WO2021044085A9 (fr
Inventor
Maxime HARAZI
Mathieu RUPIN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hap2U SAS
Original Assignee
Hap2U SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hap2U SAS filed Critical Hap2U SAS
Priority to US17/635,204 priority Critical patent/US11822724B2/en
Priority to EP20851283.0A priority patent/EP4025983A2/fr
Priority to JP2022514146A priority patent/JP2022546133A/ja
Publication of WO2021044085A2 publication Critical patent/WO2021044085A2/fr
Publication of WO2021044085A3 publication Critical patent/WO2021044085A3/fr
Publication of WO2021044085A8 publication Critical patent/WO2021044085A8/fr
Publication of WO2021044085A9 publication Critical patent/WO2021044085A9/fr
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Ceased legal-status Critical Current

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    • G06F3/0488—Interaction techniques based on graphical user interfaces [GUI] using specific features provided by the input device, e.g. functions controlled by the rotation of a mouse with dual sensing arrangements, or of the nature of the input device, e.g. tap gestures based on pressure sensed by a digitiser using a touch-screen or digitiser, e.g. input of commands through traced gestures
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    • G06F2203/041—Indexing scheme relating to G06F3/041 - G06F3/045
    • G06F2203/04105—Pressure sensors for measuring the pressure or force exerted on the touch surface without providing the touch position

Definitions

  • the invention relates to the production of a so-called "click-button” effect on a haptic interface by using standing mechanical waves in the ultrasonic field.
  • click-button within the meaning of the present invention, also called “key-click” in English terminology, is meant a haptic feedback effect of a haptic interface when a user places one (or more) finger ( s) on said interface statically, that is to say without performing a side sweeping action of his finger (or fingers) on the surface: this is an action known as "static touching ".
  • the click-button effect must be felt when the user presses on the surface of the haptic interface along an axis substantially normal to the surface, without performing any lateral movement, that is to say tangential with respect to the plane of the interface surface.
  • haptic feedback can be obtained which allows the creation of artificial textures by using the principle of the air cushion (or so-called “squeeze film” effect in English terminology) as described in the following publication. : T. Watanabe, SA Fukui. "A Method for Controlling Tactile Sensation of Surface Roughness Using Ultrasonic Vibration", IEEE Conference on robotics and automation, pp. 1134-1139, 1995.
  • the squeeze film effect consists in creating an excess pressure under the finger of a user interacting with a surface. This overpressure is the consequence of the nonlinear response of the air trapped in the interstices of the fingerprints to a mechanical wave of high amplitude propagating in the surface.
  • the cited document proposes to excite the tactile surface at a resonant frequency.
  • the document does not provide for identifying a set of several resonant frequencies to form an excitation signal using only the frequencies of this set. So the document does not teach the use of multiple standing waves. Ultimately it does not describe any click effect in response to a static touch, nor the chaining of several resonant frequencies.
  • the actuators again receive a single excitation frequency, but out of phase, which creates a propagating wave in the support.
  • the feeling of click obtained is very strong, but it requires a high density of actuators (in fact the contact surface is completely covered with actuators), which makes it very difficult to integrate it from an industrial point of view and into a reasonable cost.
  • the method described in this publication uses a very special configuration of the actuators since it is a 1D ring entirely covered with actuators.
  • the known methods using ultrasonic vibrations encourage the use of ultrasonic waves at a fixed frequency.
  • the main disadvantage is the weakness of the felt haptic feedback and the great dependence on the way the finger is placed on the interface.
  • a general aim of the present invention is in particular to propose a new method for generating a click-button effect on a haptic interface, which is free from the drawbacks and limitations of the known methods summarized above.
  • Another specific aim of the invention is to provide a method using ultrasonic frequencies for the control of the actuators, while generating a greater haptic effect than with the known methods using the modulation of the ultrasonic lubrication, and this while requiring a greater haptic effect. lower power supply than in known systems.
  • the click-button effect obtained must also be more robust, and in particular less sensitive to the way in which the user places his finger on the haptic medium.
  • the invention aims to produce a "real" click-button, offering a natural sensation very close to the sensation of a conventional tangible button, and in particular a click effect obtained in response to a touch in a direction. substantially normal to the touch surface, without requiring a tangential sweeping movement of the finger relative to the surface.
  • the method proposed by the invention must be easy to implement from a practical and industrial point of view, and in particular must not require a high density of actuators on the touch-sensitive surface.
  • the invention consists of a method making it possible to obtain a click-button sensation on a haptic interface provided with one or more ultrasonic transducers arranged at various locations of the interface.
  • this method instead of subjecting the haptic medium to a standing wave of fixed frequency corresponding to a resonant frequency of the medium as taught by the state of the art, the invention provides for applying to the medium a haptic sequence consisting of at least two successive ultrasonic standing waves of different frequencies.
  • the invention shows that the use of two different frequencies shaped in a particular way in a sequence makes it possible to feel during the change of frequency a more realistic click-button effect and more perceptible under a finger of the user, in response to a static touch of the haptic interface by the user.
  • the subject of the invention is therefore a method for producing a haptic feedback effect by a so-called air cushion or “squeeze film” effect on a haptic interface provided with electromechanical actuators configured to apply vibrations to said haptic interface.
  • ultrasound capable of creating standing waves, characterized in that it comprises the steps of: a. In a preliminary phase of characterizing the haptic interface, determining a subset (W) of resonance frequencies f i of the haptic interface in the ultrasound domain; b.
  • a haptic sequence consisting of an electrical excitation signal s (t) formed by a succession of at least two periodic signals having frequencies f i , f j distinct from one another belonging to said subset (W) of resonant frequencies of the haptic interface; vs.
  • detecting a static touching action of a user on an area of a surface of the haptic interface d.
  • excite the electromechanical actuators with the aid of said electrical excitation signal s (t), so as to effect a transition from a first standing wave to a second standing wave, producing forces on the haptic surface sides felt as a click-button sensation by the user.
  • the standing waves applied to the haptic interface are plane waves.
  • the periodic signals are sinusoidal, square or triangular signals having an identical amplitude or differentiated amplitudes, for example by convolution with a Gaussian or other signal.
  • the electrical excitation signal s (t) is of finite duration b and consists of a first periodic wave train of duration t 1 and of frequency fi corresponding to a first resonant frequency of the support , followed by a second periodic wave train of duration t 2 - t 1 and of frequency f j corresponding to a second resonant frequency of the support, different from the first resonant frequency f 1 .
  • the durations t 1 and t 2 - t 1 are between 0.1 ms and 10 ms.
  • two successive wave trains of the signal s (t) are separated by a dead time without excitation, with a duration of between 0.1 ms and 15 ms.
  • the amplitude of the periodic signals is chosen so that the amplitude of the mechanical vibration corresponding to the click-button effect generated is about 1 micrometer or preferably less than 3 micrometers.
  • the haptic sequence comprises several frequency transitions, which makes it possible to further customize the perception of the click-button by the user.
  • the haptic interface has a tactile surface and the step of detecting an action by the user consists in detecting the contact of the finger on the tactile surface and in triggering the emission of the haptic sequence when the user's finger comes into contact with said surface.
  • the haptic interface comprises contact force sensors and the step of detecting an action by the user consists in measuring the pressing force of the user's finger and in triggering the. emission of the haptic sequence when the normal force exerted by the finger on the surface of the haptic interface exceeds a certain predetermined threshold value.
  • the click-button effect generated using the method according to the invention is such that its felt by the user is substantially identical to the effect felt by the user in response to pressing a tangible physical button , that is to say a pressure of the finger in a direction normal to the surface of the haptic support, without requiring lateral movement of the finger on the part of the operator.
  • the subject of the invention is also a haptic interface comprising a support having a surface capable of producing haptic feedback towards a user acting on this surface by means of at least one finger, said support being subjected to ultrasonic vibrations generated by actuators.
  • electromechanical devices attached to said support in response to electrical control signals sent to actuators by control electronics, characterized in that the control electronics is configured to generate an electrical excitation signal s (t) according to the method described above .
  • the electromechanical actuators are piezoelectric ceramics emitting periodic vibrations at frequencies between 20 kHz and 200 kHz.
  • the haptic interface may include a parameterization interface allowing the user to choose system parameters such as that the waveform of periodic signals, pairs of frequencies (f i , f j ) or triplets or more generally bytes of resonance frequencies, the duration of the time windows of the haptic sequence, the duration of a time possible death between two wave trains, and to test the influence of the various parameters on the quality of the click-button effect obtained.
  • system parameters such as that the waveform of periodic signals, pairs of frequencies (f i , f j ) or triplets or more generally bytes of resonance frequencies, the duration of the time windows of the haptic sequence, the duration of a time possible death between two wave trains, and to test the influence of the various parameters on the quality of the click-button effect obtained.
  • FIG. 1 is a diagram representing the average amplitude of displacement of the surface of a haptic interface at various applied vibrational frequencies
  • FIG. 2 schematically represents the response of a haptic interface excited according to the method according to the invention, during a static touch of a finger of a user;
  • FIG. 3 represents a diagram of the amplitude as a function of time and of the frequency according to a first variant of the electrical excitation signal transmitted by the ultrasonic actuators to the haptic support;
  • FIGS. 4 and 5 represent diagrams of the amplitude as a function of time and of the frequency according to other variants of the electrical excitation signal transmitted by the ultrasonic actuators to the haptic support;
  • FIG. 6 represents the response of a haptic support excited using the method according to the invention, as a function of the support of a finger reaching two levels of different forces;
  • FIG. 7 represents a flowchart of the steps of the method according to the invention.
  • FIG. 8 represents a block diagram of a system configured to implement the method according to the invention.
  • FIG. 1 illustrates the first step of the method according to the invention. It consists in characterizing the vibratory properties of the haptic interface, by determining the resonant frequencies (in Hertz, noted Hz) thereof. For this, the vibratory amplitude of the interface is measured (in meters, denoted m) obtained at different vibratory frequencies applied using electromechanical transducers. A curve like that shown in FIG. 1 is therefore obtained, exhibiting a series of amplitude peaks corresponding to resonance frequencies f1, f2, etc. A subset of these resonant frequencies is denoted W. For simplicity, only the first 4 resonant frequencies have been shown.
  • the resonant frequencies in Hertz, noted Hz
  • the characterization step 10 can be carried out once and for all at the start of operation or when the device is switched on, or carried out repetitively and dynamically at each interaction with the user, for example for take into account in real time modifications of the resonant frequencies as a function of external parameters, such as the ambient temperature.
  • this characterization step can be carried out using a laser vibrometer measuring the amplitude of the vibration of the haptic interface, or possibly using an impedance meter, however less precise.
  • Each resonant frequency is associated with an amplitude. The greater the amplitude associated with a vibration mode, the easier it will be to obtain a significant displacement of the haptic interface.
  • click-button effect within the meaning of the present invention, as felt by the user, is meant a haptic feedback effect at the user's fingertips, having the following properties:
  • the click-button sensation must be felt in response to a specific gesture of the user, namely a gesture equivalent to that of an operator pressing a tangible physical button, i.e. pressing static finger (or fingers) in a direction substantially normal to the surface of the haptic support, without requiring lateral movement of the finger on the part of the operator.
  • Brevity The typical duration of the targeted haptic feedback is of the order of 5 ms, although it can be a little shorter or a little longer. Perception: the perception of the haptic feedback must be marked and provide a sensation similar to pressing a tangible 3D button.
  • the invention provides for providing the haptic interface with a series of electromechanical actuators, for example piezoelectric ceramics, and applying to these actuators a sequence specific haptics in response to the static touch of the user's finger on the haptic surface.
  • a series of electromechanical actuators for example piezoelectric ceramics
  • haptic sequence within the meaning of the present invention, is meant the profile (amplitude and frequency during a time window) of the electrical signal s (t) used to excite the actuator (s) in response to an action by the operator, typically the touch of the interface.
  • a tactile interface 20 (sectional view) is set into vibration by piezoelectric actuators 22 excited by an electrical excitation signal denoted s (t).
  • s (t) an electrical excitation signal
  • a user places a finger (or several fingers, or a stylus or the like) statically on the surface 21 of the touch interface 20, by exerting a contact force normal to the surface of the touch interface, denoted FN.
  • the haptic sequence caused by the electrical excitation signal s (t) the surface 21 of the tactile interface is set into vibration at resonant frequencies belonging to the sub-assembly W.
  • the standing waves excited at two frequencies of successive resonance are shown schematically, one in a thin line, the other in a thick line. They result in lateral forces tangential to the surface 21 and exerted on the pad of the user's finger, who will consequently perceive a click-button effect under his finger.
  • FIG. 3 A first example of a haptic sequence is shown in FIG. 3.
  • the haptic sequence used by the method according to the invention is distinguished by the use of at least two distinct excitation frequencies, corresponding to resonant frequencies determined during the step of characterizing the haptic interface. It has in fact been surprisingly observed that a click-button effect as defined above occurs at the instant of the change in excitation frequency. More precisely, with the change of frequency, the vibration of the haptic interface changes from a first stationary mode to a second stationary mode. This change in vibratory mode creates a displacement of the network of nodes and vibrating bellies of the haptic interface.
  • the excitation standing waves can preferably have a half wavelength (i.e. the distance between a node and a belly of neighboring vibration) less than the contact surface of the finger on the haptic interface.
  • the electrical excitation signal s (t) (corresponding to the haptic sequence) of duration t 2 consists of a first periodic wave train, in particular sinusoidal, of duration t 1 and of frequency f i corresponding to a first resonant frequency of the support, followed by a second wave train, periodic, in particular sinusoidal, of duration t 2 - t 1 and of frequency f j corresponding to a second resonant frequency of the support, different from the first resonant frequency.
  • the amplitude of the electrical excitation signal, measured in Volt (V), is constant.
  • the durations t 1 and t 2 - t 1 are typically between 1 millisecond (ms) and 10 milliseconds and of frequency f i Î W (a previously determined resonance frequency).
  • the frequencies f i , f j (with i different from j) belong to the subset, denoted W, of resonance frequencies of the support.
  • the envelope of the electrical excitation signal s (t) can be modulated by convolution with another signal, for example a Gaussian signal, which has the effect of modifying the amplitude of the excitation signal during the time window (0, t 2 ).
  • another signal for example a Gaussian signal, which has the effect of modifying the amplitude of the excitation signal during the time window (0, t 2 ).
  • this dead time without excitation then has a duration of between 0.1 ms and 15 ms.
  • an electrical excitation signal s (t) comprising more than two successive wave trains at different resonant frequencies. This results in a click-button effect at each frequency transition. For example, as represented in FIG. 5, a first transition from the frequency fi to the frequency f j causes a first click-button effect, and a second transition of frequency f j to the initial frequency fi (or to a third frequency f k different from the second frequency f j ) causes another click-button sensation. In this way, it is possible to obtain different click-button renderings: for example a more or less sliced, marked, brief, soft click-button, etc.
  • An embodiment of the system for implementing the method according to the invention can then include a parameterization interface allowing the user to modulate the feeling of click-button at his convenience, by choosing from among several pairs or multiplets of frequencies of resonance pre-associated with varied click sensations.
  • the electrical amplitude of the signal s (t) sent must be chosen so as to obtain a displacement of at least 1 ⁇ m at the point where the finger touches the haptic interface. This amplitude depends in particular on the number of actuators used, their positions, their efficiencies, as well as the mechanical coupling between the latter and the haptic interface.
  • the general idea consists in sending the electrical signal s (t) during an action on the part of the user, that is to say during a static touch between the finger and the haptic support.
  • a first possibility consists in detecting the contact of the finger on the haptic surface and in triggering the emission of the haptic sequence when the user's finger comes into contact with the surface, for example using a capacitive touch screen. , in a predefined area of it. It can be for example a zone of the haptic interface displaying a virtual button or a key of a virtual keyboard or even an icon associated with an action or a function.
  • a second possibility shown diagrammatically in FIG. 6, consists in providing the haptic interface 20 with a force sensor and in triggering the emission of the haptic sequence when the normal force FN exerted by the finger on the surface of the interface exceeds a certain threshold value.
  • a force sensor also makes it possible to refine the haptic effect obtained by sending an electrical excitation signal s (t) having a first haptic sequence generating a first click-button effect when the normal force pressing the finger on the support crosses a first threshold value denoted P1, then a second haptic sequence generating a second click-button effect identical to the first click-button effect from the moment when the pressing force exceeds a second threshold value noted P2 (lower or higher than P1).
  • the second haptic sequence can also be configured to generate a second click-button effect different from the first. In other words, we will obtain a “click-clack button” effect.
  • a physical characterization of the support of the haptic interface in order in particular to determine a subset W of its resonant frequencies.
  • a haptic sequence is defined, namely the control or excitation signal s (t) of the actuators which must vibrate the haptic support to obtain the desired click-button effect.
  • s (t) the control or excitation signal of the actuators which must vibrate the haptic support to obtain the desired click-button effect.
  • it is a periodic signal, for example sinusoidal, having a transition between at least two distinct ultrasonic frequencies corresponding to resonant frequencies determined during the characterization step 10 and inducing standing waves in the support.
  • the method enters a test loop 12 consisting in continuously checking whether a user interacts with the haptic interface, for example by placing a finger on it. To this end, either a contact is detected (for example by means of capacitive sensors placed on the surface), or the fact that a contact force reaches a predefined threshold (by means of force sensors arranged on the haptic interface).
  • the method launches in step 13 the haptic sequence previously defined in step 11, which will generate a good quality dick-button effect, clearly perceptible by the user. , much like pressing a key or button on a tangible physical keyboard.
  • FIG. 8 is shown a block diagram of a haptic device 20 arranged to implement the method according to the invention. It comprises a haptic interface surface 21, provided with a certain number of electromechanical actuators 22, for example piezoelectric actuators 22 compatible with actuation frequencies between 20 kHz and 200 kHz. These are preferably arranged linearly so as to create plane waves, which makes it possible to use at a given moment the same actuation frequencies (fi) for all the actuators and to obtain the same feeling of clicking. -button at any point of the haptic surface.
  • the signal s (t) for excitation of the actuators 22 is generated by control electronics 23 arranged for example under the haptic surface. It comprises an electric power supply (not shown) and a microcontroller 24. The latter incorporates a processor 25 comprising a firmware (or “firmware” in English terminology) provided with a function 27 for changing the vibratory frequency called by a module 28 for generating a haptic sequence using at least two resonant frequencies.
  • the sequence s (t) is transmitted by the microcontroller 24 to an amplifier 29 which shapes and amplifies the control signal s (t) transmitted to the actuators 22, in order to set the surface in vibration and create a click-type haptic feedback -button.
  • Different haptic sequences and the subset W of resonant frequencies are stored in a memory 26 bidirectionally connected to the processor 25.
  • the haptic interface 20 may usefully include a parameterization interface (not shown) allowing the user to choose system parameters such as the waveform of periodic signals, and pairs of resonant frequencies (f i , f j ), or even triplets or multiplets of resonance frequencies, the duration of the time windows of the haptic sequence, the duration of any dead time between two wave trains, and to test the influence of the different parameters on the quality of the click-button effect obtained.
  • system parameters such as the waveform of periodic signals, and pairs of resonant frequencies (f i , f j ), or even triplets or multiplets of resonance frequencies, the duration of the time windows of the haptic sequence, the duration of any dead time between two wave trains, and to test the influence of the different parameters on the quality of the click-button effect obtained.
  • the invention meets the stated goals.
  • it has the advantage of being able to be implemented in any pre-existing ultrasonic haptic device without significant modification of the equipment, as long as the actuation chain is capable of generating micrometric vibrations at the frequencies of interest.
  • the necessary modification only concerns the firmware which must be configured to implement the method described, and in particular to generate the haptic sequences using several resonant frequencies of the medium.
  • the method according to the invention does not require a high density of actuators, for example a line of actuators. distributed along an edge of a rectangular area may suffice.
  • the actuators do not need to generate large vibration amplitudes of the order of 25 microns, an amplitude of the order of one micron is sufficient, which minimizes the electrical power required.
  • the click-button effect obtained by virtue of the invention is more robust, that is to say not very sensitive to the way in which the finger is placed on the support, and it is a click - more natural button, which does not require tangential movement of the user's finger on the surface of the haptic interface.

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Abstract

L'invention concerne un procédé pour la réalisation d'un effet de retour haptique par effet dit de coussin d'air ou « squeeze film » sur une interface haptique (20) pourvue d'actionneurs électromécaniques (22) configurés pour appliquer à ladite interface haptique des vibrations ultrasonores aptes à créer des ondes stationnaires, caractérisé en ce qu'il comporte des étapes consistant à : a. Dans une phase préalable de caractérisation (10) de l'interface haptique (20), déterminer un sous-ensemble (Ω) de fréquences de résonance fi de l'interface haptique (20) dans le domaine ultrasonore; b. Définir une séquence haptique consistant en un signal d'excitation électrique s(t) formé d'une succession d'au moins deux signaux périodiques possédant des fréquences fi, fj distinctes l'une de l'autre appartenant audit sous-ensemble (Ω) de fréquences de résonance de l'interface haptique (20); c. Dans une phase d'utilisation, détecter (12) une action de toucher statique d'un utilisateur sur une zone d'une surface (21) de l'interface haptique (20); d. En réponse à ladite détection (12), exciter (13) les actionneurs électromécaniques (22) à l'aide dudit signal d'excitation électrique s(t), de façon à effectuer une transition d'une première onde stationnaire à une seconde onde stationnaire, produisant sur la surface haptique (20) des forces latérales ressenties comme une sensation de clic-bouton par l'utilisateur.

Description

DESCRIPTION
Titre : Procédé et dispositif pour la réalisation d'un effet de clic-bouton sur une interface haptique
DOMAINE DE L'INVENTION
L'invention concerne la réalisation d'un effet dit de « clic-bouton » sur une interface haptique grâce à l'utilisation d'ondes mécaniques stationnaires dans le domaine ultrasonore.
Par « clic-bouton » au sens de la présente invention, encore appelé « key- click » en terminologie anglo-saxonne, on entend un effet de retour haptique d'une interface haptique lorsqu'un utilisateur pose un (ou plusieurs) doigt(s) sur ladite interface de façon statique, c'est-à-dire sans effectuer d'action de balayage latéral de son doigt (ou de ses doigts) sur la surface : il s'agit d'une action dite de « toucher statique ». Autrement dit, l'effet de clic-bouton doit être ressenti dès lors que l'utilisateur appuie sur la surface de l'interface haptique selon un axe sensiblement normal à la surface, sans effectuer de mouvement latéral, c'est-à-dire tangentiel par rapport au plan de la surface de l'interface. ETAT DE LA TECHNIQUE
On connaît déjà plusieurs façons de réaliser un effet de clic-bouton sur des interfaces tactiles dépourvues de boutons physiques tangibles, comme par exemple les écrans tactiles de téléphones mobiles.
La façon la plus classique de donner à l'utilisateur une sensation de clic-bouton sur une interface tactile consiste à utiliser la technologie dite « vibrotactile », qui consiste à mettre en vibration l'intégralité de l'interface tactile à basse fréquence (~50- 1000 Hz) et avec une grande amplitude, de l'ordre de 1 millimètre (mm).
Plusieurs méthodes ont été décrites pour générer de telles vibrations de basse fréquence et grande amplitude sur une interface haptique, notamment l'utilisation de plusieurs actionneurs à électro-aimants.
Une telle approche a été décrite notamment dans le document Chen, H., J. Park, S. Dai, et H. Z. Tan. « Design and Evaluation of Identifiable Key-Click Signais for Mobile Devices ». IEEE Transactions on Haptics 4, n° 4 (octobre 2011) : 229-41. Cette méthode possède plusieurs inconvénients. En particulier, elle nécessite l'obtention d'une grande amplitude de déplacement de la surface de l'interface, de l'ordre de 25 microns, pour que l'utilisateur puisse ressentir un effet de clic-bouton. L'obtention d'une telle amplitude nécessite beaucoup de puissance électrique et un dimensionnement important du circuit d'alimentation. En outre, l'effet de clic-bouton ressenti dépend fortement de la façon dont le doigt touche l'interface haptique.
Par ailleurs, un autre type de retour haptique peut être obtenu qui permet la création de textures artificielles en utilisant le principe du coussin d'air (ou effet dit de « squeeze film » en terminologie anglo-saxonne) tel que décrit dans la publication suivante : T. Watanabe, S. A. Fukui. "A Method for Controlling Tactile Sensation of Surface Roughness Using Ultrasonic Vibration", IEEE Conférence on robotics and automation, pp. 1134-1139, 1995. L'effet squeeze film consiste à créer une surpression sous le doigt d'un utilisateur interagissant avec une surface. Cette surpression est la conséquence de la réponse non linéaire de l'air emprisonné dans les interstices des empreintes digitales à une onde mécanique de forte amplitude se propageant dans la surface. Cette surpression crée une force normale à la surface tactile, opposée à la force d'appui du doigt, qui permet de diminuer le coefficient de friction. Les temps de propagation des ultrasons dans des surfaces rigides étant très courts, cette approche permet le contrôle en temps réel du coefficient de friction entre le doigt et la surface. Or, ce coefficient étant au cœur de notre perception de la texture d'une surface, on peut ainsi obtenir des sensations de textures artificielles. En revanche, comme ce principe agit principalement sur le coefficient de friction, il est très difficile de l'utiliser pour créer une sensation de retour haptique lorsque le doigt est en appui statique sur la surface tactile et n'est pas en mouvement latéral par rapport à elle.
Récemment, plusieurs tentatives ont été faites pour créer des sensations de dic-bouton avec des vibrations ultrasonores. En effet, un exemple de réalisation d'un effet de retour haptique déclenché par l'appui du doigt et basé sur l'effet de lubrification ultrasonore est décrit dans le document de Monnoyer, Jocelyn, Emmanuelle Diaz, Christophe Bourdin, et Michael Wiertiewski, intitulé « Ultrasonic Friction Modulation While Pressing Induces a Tactile Feedback », publié dans In HAPTICS : PERCEPTION, DEVICES, CONTROL, AND APPLICATIONS, EUROHAFTICS 2016, PT I, édité par Bello, F, Kajimoto, H, Visell, et Y, 9774:171-79. Lecture Notes in Computer Science. GEWERBESTRASSE 11, CHAM, CH-6330, Switzerland: SPRINGER INT PUBLJSHING AG, 2016. Cette réalisation utilise des ondes stationnaires mono- fréquentielles et identiques entre les différents actionneurs. Elle permet d'obtenir un effet de clic-bouton, mais il est très faible et extrêmement sensible à la façon dont le doigt est posé sur la surface haptique, notamment à l'angle formé entre le doigt et la surface haptique.
Une autre approche est décrite dans le document US 2012/0256848 Al qui décrit une façon d'obtenir un retour haptique, notamment un effet de clic, sur une surface tactile actionnée à une fréquence notamment ultrasonique par des actionneurs qui peuvent être notamment des actionneurs piézoélectriques. Mais dans ce document, l'obtention d'un effet de retour haptique nécessite que le doigt ne soit pas statique, mais au contraire qu'il parcoure la surface tactile par un effet de balayage. En outre, les amplitudes du retour haptique obtenu peuvent aller jusqu'à 100 à 150 micromètres, ce qui montre que l'effet vibratoire utilisé n'est pas l'effet dit de coussin d'air ou « squeeze film » dans le domaine ultrasonique. Pour compenser la dépense d'énergie requise par ces fortes amplitudes, le document cité propose d'exciter la surface tactile à une fréquence de résonance. Cependant, le document ne prévoit pas d'identifier un ensemble de plusieurs fréquences de résonance pour former un signal d'excitation n'utilisant que les fréquences de cet ensemble. Donc le document n'enseigne pas l'utilisation de plusieurs ondes stationnaires. En définitive il ne décrit aucun effet de clic en réponse à un toucher statique, ni l'enchaînement de plusieurs fréquences de résonance.
Un autre exemple de clic-bouton réalisé avec des ultrasons est décrit dans le document de Tashiro, K., Y. Shiokawa, T. Aono, et T. Maeno intitulé « Realization of button click feeling by use of ultrasonic vibration and force feedback ». In World Haptics 2009 - Third Joint EuroHaptics conférence and Symposium on Haptic Interfaces for Virtual Environment and Teieoperator Systems, 1-6, 2009. Cette méthode fait appel à un actionneur piézoélectrique de type « Langevin », excité à une fréquence fixe d'environ 28kHz et une amplitude d'environ 20 mm, qui là encore pose des problèmes d'alimentation électrique.
Enfin, un autre mode de réalisation d'un effet de clic-bouton utilisant des vibrations ultrasonores est décrit dans le document de Gueorguiev, David, Anis Kaci, Michel Amberg, Frédéric Giraud, et Betty Lemaire-Semail, intitulé « Travelling Ultrasonic Wave Enhances Keyclick Sensation », publié dans In Haptics: Science, Technology, and Applications, édité par Domenico Prattichizzo, Hiroyuki Shinoda, Hong Z. Tan, Emanuele Ruffaldi, et Antonio Frisoli, 302-12. Lecture Notes in Computer Science. Springer International Publishing, 2018. Ce procédé utilise un moteur ultrasonore à base d'ondes propagatives. Les actionneurs reçoivent là encore une unique fréquence d'excitation, mais de façon déphasée, ce qui crée une onde propagative dans le support. La sensation de clic obtenue est très forte, mais elle nécessite une grande densité d'actionneurs (en fait la surface de contact est intégralement recouverte d'actionneurs), ce qui rend très difficile son intégration d'un point de vue industriel et à un coût raisonnable. De plus le procédé décrit dans cette publication utilise une configuration des actionneurs très spéciale puisqu'il s'agit d'un anneau 1D entièrement recouvert d'actionneurs.
En résumé, les méthodes connues utilisant des vibrations ultrasonores incitent à utiliser des ondes ultrasonores à une fréquence fixe. L'inconvénient principal est la faiblesse du retour haptique ressenti et la grande dépendance à la façon dont le doigt est posé sur l'interface.
BUT DE L'INVENTION
La présente invention a notamment pour but général de proposer un nouveau procédé pour générer un effet de clic-bouton sur une interface haptique, qui soit exempt des inconvénients et limitations des procédés connus résumés plus haut.
Un autre but spécifique de l'invention est de proposer un procédé utilisant des fréquences ultrasonores pour la commande des actionneurs, tout en générant un effet haptique plus important qu'avec les méthodes connues utilisant la modulation de la lubrification ultrasonore, et ce en nécessitant une puissance d'alimentation plus faible que dans les systèmes connus.
L'effet de clic-bouton obtenu doit aussi être plus robuste, et en particulier moins sensible à la façon dont l'utilisateur pose son doigt sur le support haptique.
Par ailleurs, l'invention vise à produire un « vrai » clic-bouton, offrant une sensation naturelle très proche de la sensation d'un bouton classique tangible, et en particulier un effet de clic obtenu en réponse à un toucher selon une direction sensiblement normale à la surface tactile, sans nécessiter un mouvement de balayage tangentiel du doigt par rapport à la surface.
Enfin, le procédé proposé par l'invention doit être aisé à mettre en œuvre d'un point de vue pratique et industriel, et en particulier ne doit pas nécessiter une grande densité d'actionneurs sur la surface tactile.
RESUME DE L'NVENTION
Dans son principe, l'invention consiste en un procédé permettant d'obtenir une sensation de clic-bouton sur une interface haptique munie d'un ou de plusieurs transducteurs ultrasonores disposés en divers endroits de l'interface. Selon ce procédé, au lieu de soumettre le support haptique à une onde stationnaire de fréquence fixe correspondant à une fréquence de résonnance du support comme enseigné par l'état de la technique, l'invention prévoit d'appliquer au support une séquence haptique constituée par au moins deux ondes stationnaires ultrasonores successives et de fréquences différentes.
L'invention montre alors que l'utilisation de deux fréquences différentes mises en forme d'une façon particulière dans une séquence permet de faire ressentir lors du changement de fréquence un effet de clic-bouton plus réaliste et plus perceptible sous un doigt de l'utilisateur, en réponse à un toucher statique de l'interface haptique par l'utilisateur.
L'invention a donc pour objet un procédé pour la réalisation d'un effet de retour haptique par effet dit de coussin d'air ou « squeeze film » sur une interface haptique pourvue d'actionneurs électromécaniques configurés pour appliquer à ladite interface haptique des vibrations ultrasonores aptes à créer des ondes stationnaires, caractérisé en ce qu'il comporte des étapes consistant à : a. Dans une phase préalable de caractérisation de l'interface haptique, déterminer un sous-ensemble (W) de fréquences de résonance fi de l'interface haptique dans le domaine ultrasonore ; b. Définir une séquence haptique consistant en un signal d'excitation électrique s(t) formé d'une succession d'au moins deux signaux périodiques possédant des fréquences fi, fj distinctes l'une de l'autre appartenant audit sous-ensemble (W) de fréquences de résonance de l'interface haptique ; c. Dans une phase d'utilisation, détecter une action de toucher statique d'un utilisateur sur une zone d'une surface de l'interface haptique ; d. En réponse à ladite détection, exciter les actionneurs électromécaniques à l'aide dudit signal d'excitation électrique s(t), de façon à effectuer une transition d'une première onde stationnaire à une seconde onde stationnaire, produisant sur la surface haptique des forces latérales ressenties comme une sensation de clic-bouton par l'utilisateur.
De préférence, les ondes stationnaires appliquées à l'interface haptique sont des ondes planes.
Selon un mode de réalisation de l'invention, les signaux périodiques sont des signaux sinusoïdaux, carrés, ou triangulaires, possédant une amplitude identique ou des amplitudes différenciées, par exemple par convolution avec un signal gaussien ou autre.
Selon un mode de réalisation, le signal d'excitation électrique s(t) est de durée finie b et se compose d'un premier train d'onde périodique de durée t1 et de fréquence fi correspondant à une première fréquence de résonance du support, suivi d'un second train d'onde périodique de durée t2 - t1 et de fréquence fj correspondant à une seconde fréquence de résonance du support, différente de la première fréquence de résonance f1.
Avantageusement, les durées t1 et t2 - t1 sont comprises entre 0,1 ms et 10 ms.
Selon un mode de réalisation, deux trains d'ondes successifs du signal s(t) sont séparés par un temps mort sans excitation, d'une durée comprise entre 0,1 ms et 15 ms.
De façon avantageuse, l'amplitude des signaux périodiques est choisie de manière que l'amplitude de la vibration mécanique correspondant à l'effet de clic- bouton généré soit d'environ 1 micromètre ou de préférence inférieure à 3 micromètres. Selon une variante de réalisation, la séquence haptique comporte plusieurs transitions de fréquences, ce qui permet de personnaliser davantage la perception du clic-bouton par l'utilisateur.
Selon un mode de réalisation de l'invention, l'interface haptique possède une surface tactile et l'étape de détection d'une action de l'utilisateur consiste à détecter le contact du doigt sur la surface tactile et à déclencher l'émission de la séquence haptique lorsque le doigt de l'utilisateur entre en contact avec ladite surface.
Selon une variante de réalisation, l'interface haptique comporte des capteurs de force de contact et l'étape de détection d'une action de l'utilisateur consiste à mesurer la force d'appui du doigt de l'utilisateur et à déclencher l'émission de la séquence haptique lorsque la force normale exercée par le doigt sur la surface de l'interface haptique dépasse une certaine valeur seuil prédéterminée.
L'effet de clic-bouton généré à l'aide du procédé selon l'invention est tel que son ressenti par l'utilisateur est sensiblement identique à l'effet ressenti par l'utilisateur en réponse à l'appui sur un bouton physique tangible, c'est-à-dire une pression du doigt selon une direction normale par rapport à la surface du support haptique, sans nécessiter de mouvement latéral du doigt de la part de l'opérateur.
L'invention a également pour objet une interface haptique comportant un support présentant une surface susceptible de produire un retour haptique vers un utilisateur agissant sur cette surface au moyen d'au moins un doigt, ledit support étant soumis à des vibrations ultrasonores générées par des actionneurs électromécaniques fixés audit support en réponse à des signaux électriques de commande envoyés aux actionneurs par une électronique de commande, caractérisé en ce que l'électronique de commande est configurée pour générer un signal d'excitation électrique s(t) selon le procédé décrit plus haut.
Selon un mode de réalisation pratique, les actionneurs électromécaniques sont des céramiques piézoélectriques émettant des vibrations périodiques à des fréquences comprises entre 20 kHz et 200 kHz.
Selon un mode de réalisation, l'interface haptique peut comporter une interface de paramétrage permettant à l'utilisateur de choisir des paramètres du système tels que la forme d'onde des signaux périodiques, des paires de fréquences ( fi, fj) ou des triplets ou plus généralement des multiplets de fréquences de résonance, la durée des fenêtres temporelles de la séquence haptique, la durée d'un temps mort éventuel entre deux trains d'onde, et de tester l'influence des différents paramètres sur la qualité de l'effet de clic-bouton obtenu.
DESCRIPTION DETAILLEE
L'invention sera décrite plus en détail à l'aide des figures, dans lesquelles :
- La figure 1 est un diagramme représentant l'amplitude moyenne de déplacement de la surface d'une interface haptique à diverses fréquences vibratoires appliquées ;
La figure 2 représente de façon schématique la réponse d'une interface haptique excitée selon le procédé conforme à l'invention, lors d'un toucher statique d'un doigt d'un utilisateur ;
La figure 3 représente un diagramme de l'amplitude en fonction du temps et de la fréquence selon une première variante du signal d'excitation électrique transmis par les actionneurs ultrasonores au support haptique ;
Les figures 4 et 5 représentent des diagrammes de l'amplitude en fonction du temps et de la fréquence selon d'autres variantes du signal d'excitation électrique transmis par les actionneurs ultrasonores au support haptique ;
La figure 6 représente la réponse d'un support haptique excité à l'aide du procédé selon l'invention, en fonction de l'appui d'un doigt atteignant deux paliers de forces différents ;
La figure 7 représente un organigramme des étapes du procédé selon l'invention ;
La figure 8 représente un schéma de principe d'un système configuré pour mettre en œuvre le procédé selon l'invention.
On se réfère à la figure 1, qui illustre la première étape du procédé selon l'invention. Elle consiste à caractériser les propriétés vibratoires de l'interface haptique, en déterminant les fréquences de résonance (en Hertz, noté Hz) de celle-ci. Pour cela on mesure l'amplitude vibratoire de l'interface (en mètre, noté m) obtenue à différentes fréquences vibratoires appliquées à l'aide des transducteurs électromécaniques. On obtient donc une courbe comme celle représentée en figure 1, présentant une série de pics d'amplitude correspondant à des fréquences de résonance fl, f2, etc. Un sous-ensemble de ces fréquences de résonance est noté W. Par mesure de simplification, seules les 4 premières fréquences de résonance ont été représentées.
Il est à noter que l'étape de caractérisation 10 peut être réalisée une fois pour toutes au début du fonctionnement ou lors de la mise en marche du dispositif, ou effectuée de façon répétitive et dynamique à chaque interaction avec l'utilisateur, par exemple pour tenir compte en temps réel de modifications des fréquences de résonance en fonction de paramètres extérieurs, comme la température ambiante.
En pratique cette étape de caractérisation peut être effectuée à l'aide d'un vibromètre laser mesurant l'amplitude de la vibration de l'interface haptique, ou éventuellement à l'aide d'un impédance-mètre, cependant moins précis. A chaque fréquence de résonance est associée une amplitude. Plus l'amplitude associée à un mode de vibration sera grande, et plus il sera facile d'obtenir un déplacement important de l'interface haptique.
Par effet de clic-bouton au sens de la présente invention, tel que ressenti par l'utilisateur, on entend un effet de retour haptique au bout des doigts de l'utilisateur, présentant les propriétés suivantes :
Geste associé : la sensation de clic-bouton doit être ressentie en réponse à un geste spécifique de l'utilisateur, à savoir un geste équivalent à celui d'un opérateur appuyant sur un bouton physique tangible, c'est-à-dire un appui statique du doigt (ou des doigts) selon une direction sensiblement normale par rapport à la surface du support haptique, sans nécessiter de mouvement latéral du doigt de la part de l'opérateur.
Brièveté : la durée typique du retour haptique visé est de l'ordre de 5 ms, tout en pouvant être un peu plus courte ou un peu plus longue. Perception : la perception du retour haptique doit être marquée et procurer une sensation similaire à l'appui sur un bouton tangible 3D.
Afin d'obtenir un effet de clic-bouton tel que défini plus haut, l'invention prévoit de doter l'interface haptique d'une série d'actionneurs électromécaniques, par exemple des céramiques piézoélectriques, et d'appliquer à ces actionneurs une séquence haptique spécifique en réponse au toucher statique du doigt de l'utilisateur sur la surface haptique.
Par « séquence haptique » au sens de la présente invention, on entend le profil (amplitude et fréquence pendant une fenêtre temporelle) du signal électrique s(t) utilisé pour exciter le ou les actionneurs en réponse à une action de l'opérateur, typiquement le toucher de l'interface.
Le mode opératoire est schématisé en figure 2. Une interface tactile 20 (vue en coupe) est mise en vibration par des actionneurs piézoélectriques 22 excités par un signal d'excitation électrique noté s(t). Un utilisateur pose un doigt (ou plusieurs doigts, ou un stylet ou équivalent) de façon statique sur la surface 21 de l'interface tactile 20, en exerçant une force de contact normale à la surface de l'interface tactile, notée FN. Grâce à la séquence haptique provoquée par le signal d'excitation électrique s(t), la surface 21 de l'interface tactile est mise en vibration à des fréquences de résonance appartenant au sous-ensemble W. Les ondes stationnaires excitées à deux fréquences de résonance successives sont schématisées l'une en trait fin, l'autre en trait épais. Elles se traduisent par des forces latérales tangentielles à la surface 21 et exercées sur la pulpe du doigt de l'utilisateur, qui en conséquence percevra sous son doigt un effet de clic-bouton.
Un premier exemple de séquence haptique est représenté en figure 3. A la différence des procédés connus qui excitent les actionneurs à une fréquence de résonance unique du support, la séquence haptique utilisée par le procédé selon l'invention se distingue par l'utilisation d'au moins deux fréquences d'excitation distinctes, correspondant à des fréquences de résonance déterminées pendant l'étape de caractérisation de l'interface haptique. Il a en effet été observé de façon surprenante qu'un effet de clic-bouton tel que défini plus haut se produit à l'instant du changement de fréquence d'excitation. Plus précisément, avec le changement de fréquence, la vibration de l'interface haptique passe d'un premier mode stationnaire à un second mode stationnaire. Ce changement de mode vibratoire crée un déplacement du réseau de nœuds et de ventres de vibration de l'interface haptique. Ce déplacement du réseau de nœuds et de ventres crée à son tour des forces latérales transitoires sur l'interface haptique. Ces forces latérales sont ressenties au niveau du doigt de l'utilisateur pendant que celui-ci est en appui statique selon une direction sensiblement normale par rapport à la surface haptique. Ces forces latérales transitoires, (donc brèves), et tangentielles à la surface sont alors perçues par le doigt de l'utilisateur comme un effet de dic-bouton.
Afin de maximiser l'effet de dic-bouton perçu par l'utilisateur, il a été établi que les ondes stationnaires d'excitation peuvent de préférence avoir une demi- longueur d'onde (à savoir la distance entre un nœud et un ventre de vibration voisins) inférieure à la surface de contact du doigt sur l'interface haptique.
Comme représenté dans l'exemple de la figure 3, le signal d'excitation électrique s(t) (correspondant à la séquence haptique) de durée t2 se compose d'un premier train d'onde périodique, notamment sinusoïdal, de durée t1 et de fréquence fi correspondant à une première fréquence de résonance du support, suivi d'un second train d'onde, périodique, notamment sinusoïdal, de durée t2 - t1 et de fréquence fj correspondant à une seconde fréquence de résonance du support, différente de la première fréquence de résonance.
Dans l'exemple représenté, l'amplitude du signal d'excitation électrique, mesuré en Volt (V), est constante.
Selon un mode de réalisation pratique, les durées t1 et t2 - t1 sont typiquement comprises entre 1 milliseconde (ms) et 10 millisecondes et de fréquence fi Î W (une fréquence de résonance précédemment déterminée). Les fréquences fi, fj (avec i différent de j) appartiennent au sous-ensemble noté W de fréquences de résonance du support.
Comme représenté en figure 4, l'enveloppe du signal d'excitation électrique s(t) peut être modulée par convolution avec un autre signal, par exemple un signal gaussien, ce qui a pour effet de modifier l'amplitude du signal d'excitation pendant la fenêtre temporelle (0, t2). En jouant ainsi sur l'amplitude des différents trains d'onde, on obtient des sensations de dic-bouton différenciées. D'autres variantes sont possibles, notamment en jouant sur la forme et la durée des signaux d'excitation de fréquences différentes utilisés.
Selon une variante non représentée, il est par exemple possible de laisser un temps mort entre deux trains d'ondes successifs du signal d'excitation électrique s(t). Ce temps mort sans excitation a alors une durée comprise entre 0,1 ms et 15 ms.
Alternativement, il est possible d'utiliser un signal d'excitation électrique s(t) comportant plus de deux trains d'ondes successifs à des fréquences de résonance différentes. On obtient alors un effet de clic-bouton à chaque transition de fréquence. Par exemple, comme représenté en figure 5, une première transition de la fréquence fi vers la fréquence fj provoque un premier effet de clic-bouton, et une seconde transition de fréquence fj vers la fréquence fi initiale (ou vers une troisième fréquence fk différente de la seconde fréquence fj) provoque une autre sensation de clic-bouton. De cette manière, il est possible d'obtenir des rendus de clic-bouton différents : par exemple un clic-bouton plus ou moins tranché, marqué, bref, doux, etc.
Un mode de réalisation du système pour mettre en œuvre le procédé selon l'invention peut alors inclure une interface de paramétrage permettant à l'utilisateur de moduler la sensation de clic-bouton à sa convenance, en choisissant parmi plusieurs couples ou multiplets de fréquences de résonance pré-associés à des sensations de clic variées.
L'amplitude électrique du signal s(t) envoyé doit être choisie de façon à obtenir un déplacement d'au moins 1 μm à l'endroit où le doigt touche l'interface haptique. Cette amplitude dépend notamment du nombre d'actionneurs utilisés, de leurs positions, de leurs efficacités, ainsi que du couplage mécanique entre ces derniers et l'interface haptique.
Il y a plusieurs possibilités pour choisir l'instant d'émission de la séquence haptique. L'idée générale consiste à envoyer le signal électrique s(t) lors d'une action de la part de l'utilisateur, c'est-à-dire lors d'un toucher statique entre le doigt et le support haptique.
Une première possibilité consiste à détecter le contact du doigt sur la surface haptique et à déclencher l'émission de la séquence haptique lorsque le doigt de l'utilisateur entre en contact avec la surface, par exemple à l'aide d'un écran tactile capacitif, dans une zone prédéfinie de celui-ci. Il peut s'agir par exemple d'une zone de l'interface haptique affichant un bouton virtuel ou une touche d'un clavier virtuel ou encore une icône associée à une action ou a une fonction.
Une seconde possibilité schématisée en figure 6 consiste à doter l'interface haptique 20 d'un capteur de force et à déclencher l'émission de la séquence haptique lorsque la force normale FN exercée par le doigt sur la surface de l'interface dépasse une certaine valeur seuil.
L'utilisation d'un capteur de force permet par ailleurs d'affiner l'effet haptique obtenu en faisant émettre un signal d'excitation électrique s(t) présentant une première séquence haptique générant un premier effet de clic-bouton lorsque la force normale d'appui du doigt sur le support franchit une première valeur seuil notée P1, puis une seconde séquence haptique générant un second effet de clic-bouton identique au premier effet de clic-bouton à partir du moment où la force d'appui dépasse une seconde valeur seuil notée P2 (inférieure ou supérieure à P1). La seconde séquence haptique peut aussi être configurée pour générer un second effet de clic-bouton différent du premier. Autrement dit, on obtiendra un effet de « clic-clac bouton ».
En figure 7 on a résumé sous forme d'organigramme les étapes du procédé nécessaires pour générer un effet de clic-bouton conformément à l'invention.
Comme indiqué plus haut, dans une première étape 10 il est nécessaire de réaliser une caractérisation physique du support de l'interface haptique, afin de déterminer notamment un sous-ensemble W de ses fréquences de résonance.
Puis dans une seconde étape 11, on définit une séquence haptique, à savoir le signal de commande ou d'excitation s(t) des actionneurs qui doivent mettre en vibration le support haptique pour obtenir l'effet de clic-bouton recherché. Comme expliqué plus haut, il s'agit d'un signal périodique, par exemple sinusoïdal, possédant une transition entre au moins deux fréquences ultrasonores distinctes correspondant à des fréquences de résonance déterminées pendant l'étape de caractérisation 10 et induisant des ondes stationnaires dans le support.
Ensuite le procédé entre dans une boucle de test 12 consistant à vérifier en continu si un utilisateur interagit avec l'interface haptique, par exemple en y posant un doigt. A cette fin on détecte soit un contact (au moyen par exemple de capteurs capacitifs placés sur la surface), soit le fait qu'une force de contact atteigne un seuil prédéfini (au moyen de capteurs de force disposés sur l'interface haptique). En cas de détection d'une action de la part d'un utilisateur, le procédé lance en étape 13 la séquence haptique préalablement définie en étape 11, ce qui générera un effet de dick-bouton de bonne qualité, bien perceptible par l'utilisateur, sensiblement comme le serait le fait d'appuyer sur une touche ou un bouton d'un clavier physique tangible.
En figure 8 on a représenté un schéma de principe d'un dispositif haptique 20 agencé pour mettre en œuvre le procédé selon l'invention. Il comporte une surface d'interface haptique 21, pourvu d'un certain nombre d'actionneurs électromécaniques 22, par exemple des actionneurs piézoélectriques 22 compatibles avec des fréquences d'actionnement comprises entre 20 kHz et 200 kHz. Ceux-ci sont de préférence disposés de façon linéique de manière à créer des ondes planes, ce qui permet d'utiliser à un instant donné les mêmes fréquences d'actionnement (fi) pour tous les actionneurs et d'obtenir le même ressenti de clic-bouton en tout point de la surface haptique.
Le signal s(t) d'excitation des actionneurs 22 est généré par une électronique de commande 23 disposée par exemple sous la surface haptique. Elle comporte une alimentation électrique (non représentée) et un microcontrôleur 24. Celui-ci intègre un processeur 25 comprenant un microprogramme (ou « firmware » en terminologie anglo-saxonne) pourvu d'une fonction 27 de changement de fréquence vibratoire appelée par un module 28 de génération d'une séquence haptique utilisant au moins deux fréquences de résonance. La séquence s(t) est transmise par le microcontrôleur 24 à un amplificateur 29 qui met en forme et amplifie le signal de commande s(t) transmis aux actionneurs 22, afin de mettre en vibration la surface et créer un retour haptique de type clic-bouton. »
Différentes séquences haptiques et le sous-ensemble W de fréquences de résonance sont stockées dans une mémoire 26 connectée de façon bidirectionnelle au processeur 25.
L'interface haptique 20 peut utilement comporter une interface de paramétrage (non représentée) permettant à l'utilisateur de choisir des paramètres du système tels que la forme d'onde des signaux périodiques, et des paires de fréquences de résonance ( fi, fj), voire des triplets ou multiplets de fréquences de résonance, la durée des fenêtres temporelles de la séquence haptique, la durée d'un temps mort éventuel entre deux trains d'onde, et de tester l'influence des différents paramètres sur la qualité de l'effet de clic-bouton obtenu.
AVANTAGES DE L'INVENTION
L'invention répond aux buts fixés. En particulier, elle a l'avantage de pouvoir être mise en place dans tout dispositif haptique ultrasonore préexistant sans modification notable du matériel, du moment que la chaîne d'actionnement est capable de générer des vibrations micrométriques aux fréquences d'intérêt. La modification nécessaire ne concerne que le firmware qui doit être configuré pour mettre en œuvre le procédé décrit, et en particulier pour générer les séquences haptiques utilisant plusieurs fréquences de résonance du support.
Il en découle que contrairement aux dispositifs haptiques connus utilisant une technologie vibro-tactile, il sera possible grâce à l'invention de combiner la création de textures fines utilisant l'effet de coussin d'air (effet « squeeze film »), et l'obtention d'un effet de clic-bouton avec une seule et même architecture matérielle, à savoir le support, les actionneurs et leur électronique de commande.
Contrairement aux procédés connus utilisant une technologie ultrasonore nécessitant de recouvrir intégralement la surface haptique avec des actionneurs pour obtenir un effet de clic-bouton, le procédé selon l'invention ne nécessite pas une grande densité d'actionneurs, par exemple une ligne d'actionneurs répartis le long d'un bord d'une surface rectangulaire peut suffire. Les actionneurs n'ont pas besoin de générer des amplitudes de vibration importantes de l'ordre de 25 microns, une amplitude de l'ordre d'un micron suffit, ce qui minimise la puissance électrique nécessaire.
Malgré cela, l'effet de clic-bouton ressenti est plus important et de meilleure qualité avec le procédé selon l'invention qu'avec les méthodes disponibles dans l'état de la technique.
En outre, l'effet de clic-bouton obtenu grâce à l'invention est plus robuste, c'est- à-dire peu sensible à la façon dont le doigt est posé sur le support, et il s'agit d'un clic- bouton plus naturel, qui ne nécessite pas de mouvement tangentiel du doigt de l'utilisateur sur la surface de l'interface haptique.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé pour la réalisation d'un retour haptique par effet dit de coussin d'air ou « squeeze film » sur une interface haptique (20) pourvue d'actionneurs électromécaniques (22) configurés pour appliquer à ladite interface haptique des vibrations ultrasonores aptes à créer des ondes stationnaires à des fréquences de résonance de l'interface haptique, caractérisé en ce qu'il comporte des étapes consistant à : a. Dans une phase préalable de caractérisation (10) de l'interface haptique (20), déterminer un sous-ensemble (W) de fréquences de résonance fi de l'interface haptique (20) dans le domaine ultrasonore ; b. Définir une séquence haptique consistant en un signal d'excitation électrique s(t) formé d'une succession d'au moins deux signaux périodiques possédant des fréquences fi, fj distinctes l'une de l'autre appartenant audit sous-ensemble (W) de fréquences de résonance de l'interface haptique (20) ; c. Dans une phase d'utilisation, détecter (12) une action de toucher statique d'un utilisateur sur une zone d'une surface (21) de l'interface haptique (20) ; d. En réponse à ladite détection (12), exciter (13) les actionneurs électromécaniques (22) à l'aide dudit signal d'excitation électrique s(t), de façon à effectuer une transition d'une première onde stationnaire à une seconde onde stationnaire sur la surface haptique, produisant sur la surface haptique (20) des forces latérales ressenties comme une sensation de clic-bouton par l'utilisateur.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites ondes stationnaires sont des ondes planes.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites ondes stationnaires ont une demi-longueur d'onde (distance nœud-ventre) inférieure à la taille de la zone de contact d'un doigt sur l'interface haptique.
4. Procédé selon l'une quelconques des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits signaux périodiques sont des signaux sinusoïdaux, carrés, ou triangulaires, possédant une amplitude identique ou des amplitudes différenciées.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le signal d'excitation électrique s(t) est de durée finie t2 et se compose d'un premier train d'onde périodique de durée t1 et de fréquence fi correspondant à une première fréquence de résonance du support, suivi d'un second train d'onde périodique de durée t2 - t1 et de fréquence fj correspondant à une seconde fréquence de résonance du support, différente de la première fréquence de résonance fi.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les durées t1 et b - b sont comprises entre 0,1 ms et 10 ms.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que deux trains d'ondes successifs du signal s(t) sont séparés par un temps mort sans excitation, d'une durée comprise entre 0,1 ms et 15 ms.
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'amplitude des signaux périodiques est choisie de manière que l'amplitude de la vibration mécanique du support ou surface haptique (20) correspondant à l'effet de clic-bouton généré soit inférieure à 3 micromètres.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le signal d'excitation électrique s(t) comporte plusieurs transitions de fréquences.
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'interface haptique (20) possède une surface tactile (21) et en ce que l'étape (12) de détection d'une action de l'utilisateur consiste à détecter le contact du doigt sur la surface tactile et à déclencher l'émission du signal d'excitation électrique s(t) lorsque le doigt de l'utilisateur entre en contact avec ladite surface tactile (21).
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'interface haptique (20) comporte des capteurs de force de contact et en ce que l'étape (12) de détection d'une action de l'utilisateur consiste à mesurer la force d'appui normale du doigt de l'utilisateur sur l'interface haptique, et à déclencher l'émission du signal d'excitation électrique s(t) lorsque la force normale exercée par le doigt sur la surface (21) de l'interface haptique (20) dépasse une certaine valeur seuil prédéterminée.
12. Interface haptique (20) comportant un support présentant une surface (21) susceptible de produire un retour haptique vers un utilisateur agissant sur cette surface au moyen d'au moins un organe de contact (doigt, stylet), ledit support étant soumis à des vibrations ultrasonores générées par des actionneurs électromécaniques (22) fixés audit support en réponse à des signaux électriques de commande envoyés aux actionneurs par une électronique de commande (23), caractérisé en ce que l'électronique de commande (23) est configurée pour générer un signal d'excitation électrique s(t) selon le procédé conforme à l'une quelconque des revendications précédentes.
13. Interface haptique (20) selon la revendication 12, caractérisée en ce que les actionneurs électromécaniques (22) sont des céramiques piézoélectriques émettant des vibrations périodiques à des fréquences comprises entre 20 kHz et 200 kHz.
14. Interface haptique (20) selon la revendication 12 ou la revendication 13, caractérisée en ce qu'elle comporte une interface de paramétrage permettant à l'utilisateur de choisir des paramètres du système tels que la forme d'onde des signaux périodiques, le multiplet de fréquences de résonance ( fi,fj,...), la durée des fenêtres temporelles de la séquence haptique, la durée d'un temps mort éventuel entre deux trains d'onde, et de tester l'influence des différents paramètres sur la qualité de l'effet de clic-bouton obtenu.
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