Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02532558 2006-O1-17
WO 2005/010743 PCT/FR2004/001946
1
Périphérique d'entrée pour ordinateur ou similaire
L'invention concerne un périphérique d'entrée
pour ordinateur, utilisable pour la manipulation à
l'écran d'objets virtuels dans des domaines aussi variés
que la conception assistêe par ordinateur (CAO),
l'infographie, les jeux vidéo, ou l'imagerie médicale, et
utilisable également pour la manipulation d'objets réels
tels que des caméras de surveillance, des robots, ou des
machines à mesurer tridimensionnelles.
ARRIERE-PLAN DE L'INVENTION
On connaît des périphériques d'entrée pour ordi
nateur, appelés communément souris, qui comportent une
coque sur laquelle s'appuie la main de l'opérateur et qui
est fixée sur une base apte à glisser sur une surface
plane. Une telle souris est équipée de capteurs électri-
ques aptes à générer des signaux électriques à destina-
tion de l'ordinateur en réponse â des mouvements de la
souris, permettant de discriminer des mouvements selon
deux directions distinctes, ce qui suffit pour la plupart
des applications bureautiques, mais est insuffisant pour
permettre une manipulation d'un objet (virtuel ou réel)
dans l'espace, nécessitant la commande de six degrés de
liberté.
On connaît par ailleurs, par exemple du document
US 6 333 733, des périphériques d'entrée qui sont consti-
tués d'une base fixe et d'une coque reliée â la base par
une liaison cinématique autorisant trois degrés de liber-
té de translation et trois degrés de liberté de rotation
de la coque par rapport à la base. L'opérateur déplace la
coque dans l'espace au gré des mouvements qu'il veut im-
primer à l'objet manipulé, et peut mobiliser simultané-
ment plusieurs degrés de liberté. Le logiciel qui ex-
ploite les signaux des capteurs équipant un tel périphé-
rique d'entrée est avantageusement programmé de façon que
les mouvements de l'objet commandé reproduisent fidèle-
CA 02532558 2006-O1-17
WO 2005/010743 PCT/FR2004/001946
2
ment les mouvements de la coque.
Néanmoins, l'un des degrês de liberté correspond
à un mouvement de la coque selon une direction perpendi-
culaire au plan d'appui sur lequel repose la base du pé-
riphérique. Cette caractéristique empêche le repos de la
main sur la coque et implique un appui carpien (c'est-à
dire sur la talon de la main) avec extension du poignet,
ce qui risque d'engendrer dans le temps un trouble muscu
losquelettique connu sous le nom de syndrome du canal
carpien.
OBJET DE L'INVENTION
L'invention a pour but de proposer un périphéri
que d'entrée qui présente le confort d'utilisation d'une
souris, tout en permettant la manipulation d'un nombre ._
significatif de degrés de liberté.
BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION
L'invention a plus précisément pour objet un pé
riphérique d'entrée pour ordinateur ou similaire, compor
tant une partie mobile manipulée par l'opérateur et équi
pé de capteurs électriques aptes à génërer des signaux
électriques à destination de l'ordinateur en réponse à
des mouvements de la partie mobile imposés par
l'opérateur, dans lequel, selon l'invention, la partie
mobile comprend une coque reliée à une base fixe au moyen
d'une liaison cinématique agencée pour autoriser tout
mouvement de la coque par rapport à la base à l'exception
d'un déplacement selon une direction sensiblement perpen-
diculaire à un plan d'appui de la base.
La coque peut alors être manipulêe selon cinq de-
grés de liberté correspondant à deux translations selon
des directions sensiblement parallèles au plan d'appui de
la base et trois rotations, qui peuvent être mis en cor-
respondance avec les cinq degrés de liberté correspon-
CA 02532558 2006-O1-17
WO 2005/010743 PCT/FR2004/001946
3
dants de l'objet manipulé.
Quant au sixième degré de liberté manquant, il
peut être contrôlé par un organe de commande équipant le
périphérique.
Ainsi, il est possible de contrôler au moins cinq
degrés de liberté de l'objet manipulé, tout en conservant
la main en appui, et tout en gardant une correspondance
très instinctive entre les déplacements de la coque et
les déplacements de l'objet manipulé.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
L'invention sera mieux comprise à la lumière de
la description qui suit en référence aux figures annexées
parmi lesquelles .
- la figure 1 est une vue en coupe longitudinale __
d'un périphérique d'entrée selon un premier mode particu- -~~
lier de rêalisation de l'invention ;
- la figure 2 est une vue de dessus de la figure
1, la coque du périphérique d'entrée ayant été partielle
ment découpée selon la ligne II-II de la figure 1.
- la figure 3 est une vue analogue à la figure 1
d'un përiphérique d'entrée selon un deuxième mode parti-
culier de réalisation de l'invention ;
- la figure 4 est une vue analogue à la figure 1
d'un périphérique d'entrée selon un troisième mode parti
culier de réalisation de l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
En référence à la figure 1, le périphérique
d'entrêe 1 de l'invention comporte une base 2 posée sur
un plan d'appui 3, par exemple la table de l'opêrateur.
Le périphérique d'entrée 1 comporte une coque 4
ayant une forme bombée ergonomique apte à faciliter la
prise en main.
La coque 4 est reliée à la base 2 au moyen d'une
CA 02532558 2006-O1-17
WO 2005/010743 PCT/FR2004/001946
4
liaison cinématique, ici réalisée par un élément de liai-
son 5 qui s'étend entre la base 2 et la coque 4.
L'élément de liaison 5 a une extrémité supérieure sphéri-
que 6 qui est reçue dans une cavité sphérique 7 homologue
de la coque 4, et une extrémité inférieure plane 8 qui
s'étend contre une surface plane 9 de la base 2, ici pa-
rallèle au plan d'appui 3.
On notera que la surface plane 9 est ici paral
lèle au plan d'appui 3. En variante, elle pourrait
s'étendre avec un angle par rapport audit plan d'appui.
Pour la suite, on appellera direction transverse
la direction perpendiculaire â la surface plane 9.
Ces dispositions permettent les mouvements sui-
vants:
- des rotations de la coque 4 par rapport à la __
base 2 sous l'effet d'un couple imposé par la main de ~_
l'opérateur sur la coque 4 autour du centre de
l'extrémité supérieure sphérique 6 de l'élément de liai-
son 5 ;
- des translations de la coque 4 par rapport à la
base 2 sous l'effet d'un effort dans le plan de base im-
posé par la main de l'opérateur, lors desquelles
l'extrêmité inférieure plane S de l'élément de liaison 5
glisse sur la surface plane 9 de la base 2.
Les rotations confèrent à la coque 4 trois degrés
de liberté de rotation, tandis que les translations
confèrent â la coque 4 deux degrés de liberté de transla-
tion.
On notera qu'un effort exercé par la main de
l'opérateur sur la coque 4 selon la direction transverse
est transmis directement à la base 2 par l'élément de
liaison 5 et n'entraîne aucun mouvement de la coque 4. La
main de l'opérateur peut donc reposer sur la coque 4, ce
qui permet de soulager le bras et évite tout appui car
pien.
CA 02532558 2006-O1-17
WO 2005/010743 PCT/FR2004/001946
Les cinq degrés de liberté de la coque 4 permis
par la liaison cinématique entre la coque 4 et la base 2
sont avantageusement exploités pour figurer les cinq de-
grés de liberté correspondants d'un objet virtuel ou réel
5 manipulé à l'aide du périphérique d'entrée de
l'invention.
Quant au sixième degré, en l'occurrence celui~qui
correspond à une translation selon la direction trans-
verse interdite par la liaison cinématique, il est con-
trôlé au moyen d'une molette de défilement 100 portée par
la coque 4. Ici, la molette de défilement 100 est un sim-
ple secteur monté pivotant sur la coque 4 dans une plage
angulaire déterminée.
Pour mesurer les déplacements de la coque 4 par
rapport à la base 2, le périphérique d'entrée 1 est équi-__
pé de capteurs de déplacement, non représentés dans uni=.
souci de clarté des figures.
Afin de faciliter la mesure des mouvements de la
coque, on équipe le périphérique d'entrée 1 de pièces
auxiliaires, â savoir un premier coulisseau 10 et un se
cond coulisseau 15, qui facilitent la mise en place de
capteurs de position.
Le premier coulisseau 10 est monté sur la base 2
pour coulisser selon la direction 14 (illustrée à la fi
gure 2) qui s'étend dans un plan équatorial de
l'extrémité sphérique 6 parallèle à la surface plane 9. A
cet effet, et comme cela est visible à la figure 1, le
premier coulisseau comporte des fentes 11 recevant des
tenons 12 portés par des montants 13 solidaires de la
base 2 et qui s'étendent en regard l'un de l'autre de
part et d'autre de la surface plane 9.
Le second coulisseau 15 est monté dans le premier
coulisseau 10 pour coulisser selon une direction 16 qui
s'étend dans le plan équatorial précité, perpendiculaire-
ment à la direction 14. A cet effet, le second coulisseau
CA 02532558 2006-O1-17
WO 2005/010743 PCT/FR2004/001946
6
comporte des tenons 17 (l'un deux est visible dans un
écorché â la figure 2), coulissant dans des rainures 18
du premier coulisseau 10.
Les coulisseaux 10,15 ne participent pas â la dé
s finition de la liaison cinématique entre la coque 4 et la
base 2. Mais ils peuvent servir pour limiter l'amplitude
des déplacements de la coque 4 dans les directions 14 et
16, en prévoyant des butées entre la base 2 et le premier
coulisseau 10, ainsi qu'entre le second coulisseau 15 et
le premier coulisseau 10.
L'extrémité sphérique 6 de l'êlément de liaison 5
comporte des ergots 21 qui s'étendent selon des direc-
tions radiales contenues dans le plan équatorial précité,
et qui ont des extrémités reçues dans des rainures circu-
laires 20 du second coulisseau 15. De la sorte, le second __
coulisseau 15 est en permanence centré sur l'extrémitê ø~
sphérique 6 de l'élément de liaison 5 et la suit dans ses
déplacements.
Lors d'un déplacement de la coque 4, le second
coulisseau 15 se déplace selon la direction 16 d'une
quantité égale â la composante du déplacement de la coque
4 selon ladite direction 16, et entraîne le premier cou
lisseau 10 à se déplacer d'une quantité égale à la compo
sante du déplacemént de la-coque 4 parallèle à la direc
tion 14.
On notera que pour permettre la rotation de la
coque 4 malgré la présence des ergots 21, la cavité sphé-
rique 7 de la coque 4 comporte des rainures 24 (ces rai-
nures sont visibles en coupe sur la figure 2, le jeu en-
tre lesdites rainures et les ergots 21 ayant été exagéré)
laissant passer les ergots 21 au travers de la cavité
sphérique 7 de la coque 4, et autorisant un débattement
angulaire de la coque 4 autour d'un axe contenu dans le
plan équatorial précité. On notera que lors d'une rota-
tion de la coque 4 ayant une composante selon la direc-
CA 02532558 2006-O1-17
WO 2005/010743 PCT/FR2004/001946 ,
tion transverse, l'élément de liaison 5 est entraîné en
rotation avec la coque 4. La liaison ainsi instituée en
tre la coque 4 et l'élément de liaison 5 s'apparente à
une liaison homocinétique entre deux arbres d'axes con
courants.
Ces dispositions permettent la mise en place ai-
sée de capteurs pour la détermination des différents mou-
vements de la coque 4.
On pourra ainsi disposer un capteur de déplace
ment entre la base 2 et le premier coulisseau 10, ce qui
permet de connaître le déplacement de la coque 4 selon la
direction 14.
On peut également disposer un capteur de déplace
ment entre le premier coulisseau 10 et le second coulis
seau 15, ce qui permet de connaître le déplacement de la __
coque 4 selon la direction 16. _~
On peut encore disposer un capteur de position
entre le second coulisseau 15 et l'extrémité de l'un des
ergots 21, ce qui permet de connaître la rotation de la
coque 4 autour d'un axe perpendiculaire aux directions 14
et 16, donc parallèle à la direction transverse.
On peut enfin disposer deux capteurs entre le se-
cond coulisseau 15 et la coque 4, qui mesurent des dépla-
cements selon la direction transverse, et dont les indi-
cations permettent de déterminer les rotations de la co-
que autour de deux axes perpendiculaires qui s'étendant
dans le plan équatorial précité.
Enfin, pour le sixième degré de liberté contrôlé
par la molette de défilement 100, un simple capteur de
rotation disposé sur l'axe de celle-ci fait l'affaire.
Il est avantageux de contrôler non pas les dépla-
cements eux-mêmes, mais les vitesses de déplacement. Pour
ce faire, le logiciel qui exploite les signaux des cap-
teurs du périphérique d'entrée est programmé pour dépla-
cer l'objet manipulé à une vitesse proportionnelle à
CA 02532558 2006-O1-17
WO 2005/010743 PCT/FR2004/001946
8
l'écart entre une position d'équilibre de la coque (ou de
la molette) et une position écartée imposée par
l'opérateur.
Pour définir une position d'équilibre de la co
que, le périphérique d'entrée 1 est équipé de ressorts
hélicoïdaux 22 qui s'étendent entre les montants 13 de la
base 2 et le second coulisseau 15. Les ressorts 22 tra
vaillent uniquement en traction et exercent un effort de
rappel du second coulisseau 15 vers une position centrale
illustrée à la figure 2 dans laquelle les ressorts 22
exercent tous le même effort et s'étendent selon des di-
rections sensiblement concourantes.
Le rappel du second coulisseau 15 entraîne égale
ment le rappel du premier coulisseau 10 mais aussi le
rappel de l' élément de liaison 5, et, enfin , le rappel _
de la coque 4. I1 est à remarquer que le rappel exercée.
par les ressorts 22 ne concerne que les mouvement de
translation des diffêrents éléments rappelés, et aucune-
ment les mouvements de rotation de la coque 4 ou de
l'élément de liaison 5.
Pour parfaire le rappel, un ressort hélicoïdal 23
(visible à la figure 1) s'étend entre le second coulis-
seau 15 et la coque 4 en ayant des extrémités arrêtées
sur chacun des éléments précités. Une rotation de la co-
que 4 autour d'un axe parallèle à la direction transverse
sollicite le ressort 23 en torsion, tandis qu'une rota-
tion autour d'un axe perpendiculaire à la direction
transverse sollicite le ressort 23 en compression asymé-
trique. Dans les deux cas, le ressort 23 exerce un effort
de rappel tendant à ramener la coque 4 dans une position
angulaire d'équilibre. Etant donné la liaison homocinéti-
que instituée par les ergots 21 et les rainures 24 entre
l'élément de liaison 5 et la coque 4, le rappel de la co-
que 4 provoque également le rappel de l'élément de liai-
son 5 vers la position illustrêe à la figure 2.
CA 02532558 2006-O1-17
WO 2005/010743 PCT/FR2004/001946
9
Les ressorts 22, 23 définissent ainsi une posi-
tion d'équilibre unique de la coque vers laquelle elle
revient lorsqu'elle n'est pas manipulée.
Pour finir, la molette de défilement 100 est
elle-même rappelée vers une position d'équilibre au cen
tre de sa plage angulaire de débattement, au moyen d'un
simple ressort à lame (non représenté). En variante, on
peut prévoir un ressort de torsion.
Les positions d'équilibre de la coque 4 et de la
molette 100 permettent de mesurer un écart entre lesdites
positions d'équilibre et les positions dans lesquelles
l'opérateur place la coque ou la molette.
On remarquera que le premier coulisseau 10 et le
second coulisseau 15 ne subissent jamais directement
l'effort imposé par la main de l'opérateur. En particu- __
lier, ils ne subissent aucun effort transverse, transmis ~~
directement de la coque 4 vers la base 2 par l'élément de
liaison 5. Les coulisseaux 10,15 subissent uniquement des
efforts d'entraînement selon un plan parallèle à la sur-
face plane 9 de la base 2, ainsi que les efforts des res-
sorts de rappel 22,23. Ils ne sont donc que très peu sol-
licités.
Selon un deuxième mode particulier de réalisation
illustré à la figure 3, l'élément de liaison 5' comporte
toujours une première extrémité sphérique 6' qui coopère
avec une cavité homologue 7' de la coque 4', permettant
la transmission de l'effort d'appui de la main sur la co-
que 4' directement à la base 2'. Cependant, les ergots et
rainures du mode de réalisation précédent sont remplacés
par des cannelures à flancs courbes 30 portêes la pre-
mière extrémité coopérant avec des cannelures compatibles
31 portées par la coque 4'. Ces cannelures 30,31 permet-
tent la liaison en rotation de la coque 4 et de l'élément
de liaison 5' autour d'un axe, tout en permettant un dé-
battement de la coque selon des directions contenues dans
CA 02532558 2006-O1-17
WO 2005/010743 PCT/FR2004/001946
le plan équatorial. Pour centrer le deuxième coulisseau
15' en permanence sur l'élément de liaison 5', le
deuxième coulisseau 15' comporte une cavité sphérique 32
qui coopère avec une portée sphérique 33 homologue de la
5 coque 4, la cavité sphérique et la pôrtée homologue ayant
même centre que l'extrémité sphérique 6'.
Selon un troisième mode particulier de réalisa-
tion illustré à la figure 4, l'élément de liaison 5" est
ici un diabolo en matiêre élastomère anisotrope, pouvant
10 être élastiquement déformé sous l'action efforts de tor
sion autour d' un axe Z de symétrie de révolution, et de
flexion autour d'axes perpendiculaires audit axe de symé
trie. Ici, le diabolo 5" est disposé de sorte que l'axe
Z de symétrie de révolution du diabolo s'étende selon la
direction transverse.
Le diabolo 5" comporte une première extrémité ~_.
6' ' qui est encastrée dans la coque 4' ' , et une seconde
extrémité 8' ' qui est encastrée dans un socle 40 du se-
cond coulisseau 15" qui est en appui libre contre la
surface plane 9" de la base 2 " . L'élément de liaison
5" n'est donc plus directement en contact avec la sur-
face plane 9" , mais reste en appui contre celle-ci via
le socle 40, cet appui fournissant une liaison permettant
un coulissement du diabolo sur la surface plane 9' ' , de
sorte que la seconde extrémité de l'élément de liaison
est reçu à coulissement sur la base de façon similaire
aux exemples précédents. La coque 4" peut ainsi être dé-
placée selon deux directions parallèles à la surface
plane 9'.
Par ailleurs, l'êlasticité du diabolo 5 " auto-
rise des débattements de la coque 4" selon des axes pa-
rallèles à la surface plane 9" , et une rotation de la
coque 4 " autour de la direction transverse, organisant
une liaison cinématique entre la coque 4 " et la base 2 "
de type sphérique, similaire à celle des exemples prêcé-
CA 02532558 2006-O1-17
WO 2005/010743 11 PCT/FR2004/001946
dents.
Au total, le diabolo 5 " réalise donc une liaison
cinématique entre la base 2 " et la coque 4" permettant
cinq degrés de liberté, tout en permettant un appui de la
main sur la coque 4' ' , cet appui se transmettant via le
diabolo 5 " et le socle 40 du second coulisseau 15" vers
la base 2 " .
A cet égard, on notera que le diabolo présente
une raideur importante en compression selon la direction
Z, bien plus grande que ses raideurs de flexion et de
torsion.
On remarquera que le second coulisseau 15" est
toujours monté à coulissement dans le premier coulisseau
10" , de sorte que le premier coulisseau 10" empêche le
second coulisseau 15 " de tourner autour de la direction
transverse, qui empêche lui-même la seconde extrémité 8" ~_.
du diabolo de tourner. Cette disposition permet
d'organiser un rappel de la coque en rotation autour de
la direction transverse, venant compléter un rappel lors
des débattements de la coque 4 " obtenu par simple appui
des extrémités du diabolo 5" .
On remarquera également que, du fait de
l'encastrement de l'extrémité 8" du diabolo 5" dans le
socle 40 du second coulisseau 15 " , ce dernier reste en
permanence centré sur l'axe Z du diabolo 5" .
L'invention n'est pas limitée aux modalités par
ticuliêres de l'invention qui viennent d'être décrites,
mais bien au contraire englobe toute variante entrant
dans le cadre de l' invention tel que défini par les re
vendications.
En particulier, bien que l'on ait illustré la mo-
lette de défilement comme étant positionnée sur la coque,
on pourra placer la molette sur la base fixe.
Bien que l'on ait illustré le périphérique
d'entrée avec une base indépendante, ladite base pourra
CA 02532558 2006-O1-17
WO 2005/010743 PCT/FR2004/001946
12
faire partie intégrante d'un châssis, un pupitre ou en-
core un clavier.
Bien que l'on ait illustré les moyens de rappel
de la coque vers sa position d'équilibre comme étant
constitués de ressorts hélicoïdaux, les moyens de rappel
peuvent en variante être constitués d'éléments en élasto-
mère, comme par exemple un élément tubulaire qui s'étend
entre le second coulisseau et la coque.
Bien que l'on ait illustré l'organe de commande
du sixième degré de liberté comme étant une molette de
défilement, on pourra également utiliser d'autres organes
de commande, comme un minimanche, ou encore un bouton du
type de ceux utilisés pour la commande des vitres de voi
ture. L'organe de commande pourra être installé sur la
coque comme illustré, ou encore sur la base. Si besoin, __
on pourra ajouter d'autres organes de commande pour com- ~'_-
mander des degrés de libertés supplémentaires (utiles
pour manipuler des bras de robot par exemple), ou
d'autres fonctionnalités (boutons de sélection par exem-
ple) .
