EP4724879A1 - Capteur tactile en forme d'anneau et interface homme-machine associee - Google Patents

Capteur tactile en forme d'anneau et interface homme-machine associee

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EP4724879A1
EP4724879A1 EP24726276.9A EP24726276A EP4724879A1 EP 4724879 A1 EP4724879 A1 EP 4724879A1 EP 24726276 A EP24726276 A EP 24726276A EP 4724879 A1 EP4724879 A1 EP 4724879A1
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EP
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sens
ring
annular element
sensors
ann
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EP24726276.9A
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Inventor
Emil GARNELL
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Wormsensing SAS
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Wormsensing SAS
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    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
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    • G06F3/01—Input arrangements or combined input and output arrangements for interaction between user and computer
    • G06F3/011—Arrangements for interaction with the human body, e.g. for user immersion in virtual reality
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G—PHYSICS
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Abstract

Ensemble (R) de capteur se présentant sous forme d'un anneau, comprenant un élément annulaire (ANN) de forme sensiblement cylindrique; au moins deux capteurs (SENS1, SENS2, SENS3) de déformation montés sur l'élément annulaire à des niveaux d'au moins deux rayons de celui-ci, respectivement, les deux rayons étant distincts angulairement l'un de l'autre, de manière à ce que les au moins deux capteurs soient sensibles à une déformation globale de l'élément annulaire; et un module électronique (EL) configuré de manière à générer un signal de détection représentatif de la déformation globale de l'élément annulaire en réponse à un traitement d'au moins deux signaux respectivement émis par les au moins deux capteurs (SENS1, SENS2, SENS3) de déformation.

Description

    CAPTEUR TACTILE EN FORME D’ANNEAU ET INTERFACE HOMME-MACHINE ASSOCIEE DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
  • L'invention concerne un capteur en forme d’anneau, et s’étend aux interfaces homme-machine, systèmes permettant à un utilisateur de contrôler des systèmes interactifs, et se situe donc dans le domaine des interactions homme-machine parfois désignées par l’acronyme IHM.
    • ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE
  • Les interfaces homme-machine se trouvent sous de multiples formes permettant à un utilisateur d’interagir avec un système électronique, qu’il se trouve par exemple sous la forme d’un ordinateur, un robot, une télévision, un système de reproduction sonore, ou encore une console de jeu. Ces interfaces sont conçues pour i) générer des signaux de contrôle à partir d’une action de l’utilisateur, puis ii) transmettre ces signaux au système électronique.
  • La grande variété d’actions possibles pour un utilisateur à des fins de contrôle du système électronique a été mise à profit pour concevoir divers types d’interfaces : il peut s’agir d’un clavier, une souris, un écran tactile, un système de détection optique, un microphone ou encore une manette, tous munis de capteurs (contact, infra-rouge, magnétomètre, optique, caméra, accéléromètre, gyroscope…) ayant pour fonction de détecter une action spécifique de l’utilisateur (déplacement, geste, parole, actionnement…).
  • Parmi ces divers types d’interfaces, des efforts de développement ont porté sur des dispositifs prenant la forme d’un anneau, généralement destiné à être porté autour d’un doigt de l’utilisateur, comme décrit dans le brevet US 9,582,076 B2 et dans la demande de brevet US 2017/0242496 A1. De tels dispositifs ont pour avantages un encombrement minimal, pouvant être portés sans gêner l’utilisateur, mais requièrent des capteurs complexes tels que des caméras destinées à l’analyse de l’environnement immédiat de l’anneau et générant des signaux dont les traitements entraînent des calculs lourds, nécessitant une électronique de haute performance, chère et obérant l’autonomie de ces interfaces. En outre, cette complexité impacte négativement la fiabilité du contrôle.
  • Toujours concernant les dispositifs prenant une forme d’anneau, il existe des systèmes de conception plus simples, tels qu’un anneau à huit faces extérieures décrit dans l’article de Hyunchul Lim et al., « OctaRing: Examining pressure-sensitive multi-touch input on a finger ring device », UIST 2016 Adjunct - Proceedings of the 29th Annual Symposium on User Interface Software and Technology, Association for Computing Machinery, Inc, pages 223 à 224. Chacune des huit faces est équipée d’un capteur de pression destiné à être directement pressé par l’utilisateur. Divers signaux de contrôle peuvent être générés selon les capteurs de pressions pressés simultanément.
  • Dans la même idée, le demande de brevet US 2020/0150715 A1 décrit des systèmes en forme d’anneaux destinés à être portés à un doigt. Chacun de ces systèmes est muni d’un ou plusieurs capteurs pouvant être destinés à détecter une action du porteur de l’anneau effectuée par la main le portant ou à détecter une action qui lui serait appliquée par la seconde main du porteur.
  • Un autre dispositif, un anneau destiné à être saisi à deux mains par l’utilisateur à deux zones diamétralement opposées, est décrit dans la demande de brevet US 2022/0212112 A1. Il comprend un anneau flexible monté sur une base munie d’un capteur de déformation, l’ensemble étant configuré pour générer un signal représentatif de l’amplitude de déformation de l’anneau flexible lorsque l’utilisateur déforme l’anneau en rapprochant ses mains l’une de l’autre.
  • Cependant, une interface homme-machine ayant une forme générale d’anneau, de conception simple tout en permettant de générer des signaux de contrôle variés à partir d’actions de l’utilisateur également variées reste à définir.
    •
  • L’objectif du déposant est de proposer d’une part un capteur de déformation en forme d’anneau, et, d’autre part, une application de ce capteur de déformation à un dispositif d’interaction homme-machine prenant la forme d’un anneau sensible à la déformation d’un élément annulaire de l’anneau provoquée par un utilisateur.
  • En vue de la réalisation de ce but, un premier aspect de l’invention est un ensemble de capteur se présentant sous forme d’un anneau, comprenant un élément annulaire de forme sensiblement cylindrique, au moins deux capteurs de déformation montés sur l’élément annulaire à des niveaux d’au moins deux rayons de celui-ci, respectivement, les deux rayons étant distincts angulairement l’un de l’autre, de manière à ce que les au moins deux capteurs soient sensibles à une déformation globale de l’élément annulaire, et un module électronique configuré de manière à générer un signal de détection représentatif de la déformation globale de l’élément annulaire, en réponse à un traitement d’au moins deux signaux respectivement émis par les au moins deux capteurs de déformation.
  • Un tel ensemble de capteur permet la détection d’une grande variété d’actions sur l’élément annulaire formant sa structure mécanique. Plus spécifiquement, les actions mécaniques telles que pressions, tapes ou frottements appliquées à l’élément annulaire lui-même entraînent sa déformation et, grâce à la présence d’au moins deux capteurs, cette déformation peut être caractérisée spatialement et suivie dans le temps. L’élément annulaire n’est pas un simple support passif pour les capteurs, mais participe, par sa déformation, à la détection d’une action de l’utilisateur, plus spécifiquement une action mécanique entraînant une déformation de l’élément annulaire.
  • Ainsi, cet ensemble de capteur permet la détection et la caractérisation d’un grand nombre d’actions, d’une manière non limitée à une logique de détection binaire d’une action ou à une mesure d’une amplitude de déformation monodimensionnelle. Ce capteur rend en effet possible le suivi spatio-temporel d’une déformation imposée à l’élément annulaire, comme il sera développé plus en détails dans la suite de la description.
  • Il est notable que les actions n’ont pas à être appliquées directement aux capteurs, mais peuvent être appliquées en tout point de l’élément annulaire, éventuellement en une pluralité de points de cet élément, indépendamment de la présence ou non de capteurs en ce ou ces points. En outre, le ou les points d’applications de l’action sur l’élément annulaire n’ont pas à être fixes, mais peuvent être mobiles à la surface de cet élément annulaire.
  • La structure même de l’ensemble de capteur, avec essentiellement des capteurs fixés à demeure sur un élément annulaire, reste simple et ne comporte pas de pièces mobiles, gages de fiabilité et de robustesse de l’ensemble.
  • Selon des caractéristiques additionnelles non-limitatives du capteur selon l’invention, considérées individuellement ou selon toute combinaison techniquement réalisable :
  • - l’élément annulaire peut avoir une structure monolithique ;
  • - l’élément annulaire peut être formé de métal ;
  • - les au moins deux rayons distincts peuvent être espacés angulairement entre eux d’un angle compris entre 20° et 160° ;
  • - les au moins deux capteurs de déformation peuvent être des capteurs de type piézoélectrique ;
  • - les au moins deux capteurs de déformation peuvent comprendre au moins un élément mince piézoélectrique monocristallin se présentant sous forme d’une plaque s’étendant dans un plan d’extension défini par une première direction et une seconde direction normale à la première direction, de dimensions dans la première direction et la seconde direction chacune supérieures à 100 µm et d’épaisseur inférieure à 50 µm, un rapport de l’épaisseur sur la dimension dans la première direction ou la dimension dans la seconde direction étant inférieur à 0,1.
  • Un deuxième objet de l’invention est une interface homme-machine comprenant l’ensemble de capteur selon l’invention, le module électronique étant en outre configuré de manière à générer un signal de contrôle d’un appareil extérieur à l’interface homme-machine en réponse au signal de détection.
  • Une telle interface permet de caractériser de manière simple, précise et suivie dans le temps, une déformation, globale ou localisée, de l’élément annulaire sur la base de déformations locales mesurées par les capteurs. On peut associer divers signaux de contrôle d’un appareil externe aux occurrences et aux variations dans le temps de la déformation, ce qui permet une grande flexibilité d’utilisation en comparaison de la simplicité du dispositif.
  • En effet, les déformations de l’élément annulaire ne sont pas évaluées à l’aide d’un seul capteur, ou à l’aide d’un seul capteur indépendamment d’éventuels autres capteurs, mais à l’aide d’au moins deux capteurs, nombre minimal et suffisant pour détecter et caractériser une grande variété de déformations de l’élément annulaire.
  • Les déformation peuvent en particulier être des déformations considérées comme globales, c’est-à-dire qu’elles peuvent être détectées par l’ensemble des capteurs. Les amplitudes de déformation détectées par chacun des capteurs, de valeurs relatives et d’évolutions temporelles respectives propres à chacun des capteurs, dépendent de la déformation effectivement appliquée à l’élément annulaire et permettent une caractérisation très fine de la déformation et de l’associer à une action appliquée sur l’élément annulaire par l’utilisateur. Ainsi, des actions mécaniques très diverses de l’utilisateur sur l’élément annulaire peuvent être associées à autant de signaux de contrôle de l’appareil externe. On obtient ainsi une interface de contrôle très polyvalente, susceptible de générer un très grand nombre de signaux de contrôle en dépit d’une architecture matérielle très simple : un anneau, deux capteurs et une électronique de mesure et de commande.
  • Il s’agit en outre d’une interface ne portant pas atteinte à la vie privée de l’utilisateur puisque que ne reposant pas sur l’acquisition et le traitement de signaux vidéo ou sonores, susceptibles de contenir des informations d’ordre personnel. Cette interface se prête très bien à une intégration dans des bijoux d’aspect classique, y comprise de faibles dimensions.
  • Selon des caractéristiques additionnelles non-limitatives du capteur selon l’invention, considérées individuellement ou selon toute combinaison techniquement réalisable :
  • - l’interface peut être configurée pour ne maintenir éveillée qu’une première partie du module d’acquisition associée à la détection et ne mettre en fonction des secondes parties du module d’acquisition que lorsqu’il est déterminé que des mises en fonction respectives de ces secondes parties sont nécessaires à une analyse des signaux émis par les au moins deux capteurs de déformation ;
  • - le calculateur peut être configuré pour (i) classifier des événements représentés par les signaux émis par les au moins deux capteurs de déformation et (ii) générer le signal de contrôle d’un appareil extérieur à l’interface homme-machine en réponse à cette classification ;
  • - le signal de contrôle peut être représentatif d’au moins une action choisie parmi un serrage, un serrage court ou un serrage long de l’élément annulaire entre deux doigts ou entre trois doigts, répété ou non, selon une direction centripète à l’élément annulaire ; un serrage de l’élément annulaire, répété ou non, parallèlement à un axe de révolution de l’élément annulaire ; une fermeture d’une main dont un doigt porte l’élément annulaire ou la fermeture d’un doigt portant l’élément annulaire ; et une rotation de l’élément annulaire entre deux doigts d’une première amplitude appartenant à un intervalle angulaire ou d’une seconde amplitude supérieure à une borne supérieure de l’intervalle angulaire ;
  • - le signal de contrôle peut être représentatif d’au moins une action choisie parmi un toucher de l’élément annulaire par un doigt ; une tape d’une surface par un doigt portant l’élément annulaire ; une tape d’une surface directement avec l’élément annulaire ; l’application d’une pression sur l’élément annulaire en un point se déplaçant sur l’élément annulaire autour d’un doigt portant l’élément annulaire ; un glissement de l’élément annulaire sur une surface, un glissement d’un doigt d’une première main sur l’élément annulaire selon une direction parallèle à un doigt d’une seconde main portant l’élément annulaire ; une localisation de l’une quelconque des actions précédentes ; et un claquement d’une doigt portant l’élément annulaire ;
  • - le module d’acquisition peut être configuré pour détecter une rotation de l’élément annulaire sur la base des signaux émis par les au moins deux capteurs de déformation ; et en réponse à l’étape de détection, générer un signal représentatif de l’occurrence d’une rotation de l’élément annulaire ;
  • - le signal est représentatif d’une rotation ayant dépassé une valeur angulaire incrémentale ;
  • - l’interface peut en outre comprendre un module de transmission sans fil configuré pour transmettre des signaux générés par le module d’acquisition à l’appareil extérieur et une source d’alimentation en énergie électrique du module de transmission sans fil et du module d’acquisition ;
  • - l’interface peut en outre comprendre un dispositif de retour d’information configuré pour signaler à un utilisateur une génération d’un signal de détection par le module d’acquisition ; et
  • - l’interface peut être configurée pour être enfilée sur une partie d’un utilisateur ou une tige d’un dispositif de contrôle de l’appareil extérieur.
  • L’interface selon l’invention peut être compacte, passive lorsque des capteurs de déformation de type piézoélectrique sont employés, et le traitement des signaux générés par ces capteurs peut être simple et léger du point de vue intensité des calculs, résultant en une forte autonomie du dispositif. En outre, la détection de déformation de l’anneau, ou, plus spécifiquement, de l’élément annulaire, peut être d’une grande sensibilité et peut donc fonctionner sans difficulté même avec des anneaux très rigides tels que des anneaux métalliques épais, tels que les bijoux portés couramment.
  • L’invention s’étend à un kit comprenant une interface homme-machine selon l’invention ainsi qu’un appareil extérieur configuré pour être contrôlé au moyen de l’interface homme-machine.
    •  BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
  • D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée de l’invention qui va suivre en référence aux figures annexées sur lesquels :
  • La représente une interface homme-machine selon l’invention, prenant la forme d’un anneau muni de capteurs ;
  • La représente des modes d’utilisation de l’anneau ;
  • La représente des caractéristiques structurelles de l’anneau ;
  • La est un diagramme fonctionnel d’éléments constituant l’anneau ;
  • La illustre des signaux générés par l’anneau en réponse à une pression sur un premier capteur de l’anneau ;
  • La illustre des signaux générés par l’anneau en réponse à une pression sur un second capteur de l’anneau ;
  • La illustre des signaux générés par l’anneau en réponse à une pression sur un troisième capteur de l’anneau ;
  • La illustre des signaux générés par l’anneau en réponse à deux pressions successives sur les capteurs de l’anneau ;
  • La représente des signaux générés par l’anneau en réponse à des serrages long et court de l’anneau ;
  • La illustre des signaux générés par l’anneau lors d’actions de rotation de sens opposés ;
  • La est une représentation de signaux générés par l’anneau lors d’une action de rotation ;
  • La illustre des signaux générés par l’anneau en réponse à une frappe d’un doigt portant l’anneau sur une table ;
  • La illustre des signaux générés par l’anneau en réponse à une frappe de l’anneau sur une table ;
  • La représente des signaux générés par l’anneau en réponse à des tapes au niveau des capteurs ;
  • La représente un premier et un second bloc d’un algorithme d’utilisation de l’anneau ;
  • La illustre la localisation d’un point sur l’anneau ;
  • La représente un troisième bloc de l’algorithme d’utilisation de l’anneau ;
  • La représente un quatrième bloc de l’algorithme d’utilisation de l’anneau ; et
  • La représente des variations dans la structure de l’interface homme-machine de la .
  • La illustre une courbe de variance tirés de signaux émis par les capteur de la  ;
  • La illustre une étape de détermination de l’occurrence d’un événement à partir des signaux des capteurs ;
  • La illustre un procédé de contrôle de l’interface homme-machine ;
  • La représente un tableau rassemblant des résultats de tests du procédé de la  ;
  • La représente un tableau rassemblant des résultats de tests du procédé de la   ;
  • La illustre des actions appliquées à l’anneau de la et reconnues par le procédé de la  ;
  • La illustre la détermination de l’amplitude d’une rotation de l’anneau ;
  • La représente divers profiles de variances selon le type d’actions appliquées à l’anneau ;
  • La représente un élément mince piézoélectrique ; et
  • La illustre un capteur de déformation intégrant un élément mince piézoélectrique ;
    •  DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
  • Un mode de réalisation de la présente invention est décrit au moyen des figures 1 à 19 et des passages associés ci-dessous. Les figures 1 à 4 et 19 donnent des informations sur la structure, l’usage et le principe de fonctionnement de l’anneau d’interaction homme-machine.
  • Les figures 5 à 18 détaillent une première option pour l’exploitation des signaux générés par les capteurs de déformation à la suite d’une manipulation de l’anneau par un utilisateur.
  • Les figures 20 à 27 détaillent une seconde option pour l’exploitation des signaux générés par les capteurs de déformation à la suite d’une manipulation de l’anneau par l’utilisateur.
  • Les figures 28 et 29 illustre un élément piézoélectrique pouvant servir à la formation d’un capteur de déformation intégré dans l’interface homme-machine selon l’invention.
  • La illustre la structure et le principe général de fonctionnement de l’anneau selon l’invention, avec en (A) une vue en perspective d’un ensemble R de capteur selon l’invention, comprenant un élément annulaire ANN instrumenté par trois capteur SENS1, SENS2 et SENS3. L’ensemble R de capteur pourra par la suite également être désigné comme l’anneau R. Les capteurs peuvent être des capteurs de déformation conventionnels, par exemple des jauges résistives, dont la résistance électrique varie avec leur déformation, ou des capteurs de type piézoélectrique. Ces derniers sont des capteurs de déformation basés sur un élément de mesure piézoélectrique, c’est-à-dire mettant à profit le comportement piézoélectrique d’un matériau pour transformer en signal électrique une déformation qu’il subit sous l’effet d’efforts extérieurs, par exemple lorsqu’il est collé à une surface et que celle-ci se déforme. L’élément annulaire ANN peut être fait de tout matériau apte à former une structure autoportante apte à être passée autour d’un doigt ou d’une tige. L’élément annulaire peut avoir une structure composite. De préférence, l’élément annulaire a une structure monolithique, c’est-à-dire formée d’une seule pièce et d’un seul matériau. Ainsi, l’élément annulaire peut être formé d’une pièce métallique. Cette dernière configuration a pour avantages une structure simple, robuste et fiable.
  • Cette instrumentation de l’élément annulaire, et donc de l’anneau, permet de le coupler avec un module électronique EL pour former une interface homme/machine afin de contrôler, par exemple, un appareil électronique tel qu’un ordinateur, un smartphone, une télévision ou encore un lecteur multimédia. Dans cet exemple, trois capteurs de déformation piézoélectriques SENS1 à SENS3 sont collés sur l’élément annulaire, sur lequel est monté le module électronique EL, configuré pour mesurer les charges électriques ou la tension électrique générées par les capteurs, les analyser, et renvoyer, selon une technique sans fil, l’information à un appareil externe tel que ceux cités ci-dessus.
  • Comme illustré en (B) de la , lorsque l’anneau R est pris entre deux doigts F1 et F2, une force de pression F est appliquée de part et d’autre de l’anneau par les doigts (la force de pression s’appliquant donc à l’élément annulaire ANN), ce qui va créer une déformation globale de l’anneau qu’il est possible de caractériser à l’aide des trois capteurs SENS1 à SENS3. Plus généralement, et comme cela sera détaillé plus bas, la détection de cette déformation, unique ou répétée, et le profil de cette déformation, correspondant par exemple à une pression entre les doigts ou à une frappe, peuvent être utilisés pour générer un signal de contrôle d’un appareil extérieur APP. En effet, les capteurs permettent de détecter les emplacements des points d’appui sur l’élément annulaire, l’évolution temporelle de ces emplacements, ainsi que l’évolution temporelle de l’amplitude de la force appliquée.
  • Comme illustré en (C) de la , lorsque l’anneau est roulé entre les doigts selon un mouvement de rotation Rot provoqué par la combinaison de la force de pression F et des déplacements Dplt des doigts F1 et F2, la position à laquelle est appliquée cette force sur l’élément annulaire se déplace sensiblement, et ce déplacement peut être mesuré en comparant les signaux des trois capteurs.
  • On peut ainsi détecter diverses actions de l’utilisateur sur l’anneau, et les associer à des actions prédéterminées, comme par exemple (i) un appui simple par serrage entre les doigts associé à une action de validation, (ii) un appui double associé à une action de retour en arrière dans un menu d’une application contrôlée par l’anneau, (iii) une rotation dans un sens ou dans l’autre associée au contrôle du défilement vers le haut ou vers le bas dans une liste ou au contrôle du volume d’un lecteur de musique, et (iv) une tape du doigt portant l’anneau sur une surface dure telle qu’une table ou (v) une tape directe de l’anneau sur une surface dure telle que la table associées à des actions de validation équivalentes à un simple clic ou un double clic de souris d’ordinateur. On peut également associer l’intensité du serrage ou des tapes, ou bien la vitesse de rotation à des commandes particulières pour contrôler l’appareil externe. D’autres actions peuvent être considérées, comme par exemple celles listées dans le tableau Tab. 1 plus bas. Dans le présent document, lorsque des rotations sont mentionnées, et sauf indication contraire, il s’agit d’une rotation de l’anneau autour de son axe de révolution Ax, illustré par la . Un sens de rotation peut être celui du sens trigonométrique autour de cet axe de révolution, ou un sens opposé au sens trigonométrique. Un axe de révolution est ici considéré comme un axe de révolution permettant de décrire la forme générale de l’élément annulaire, qui s’étend parallèlement à l’axe de révolution et présente une forme globale possédant une symétrie de révolution autour de cet axe, ce qui inclut les exemples des figures 1, 3 et 19.
  • Il est à noter que l’anneau pris en exemple dans ce mode de réalisation est équipé de trois capteurs, mais un anneau doté de deux capteurs, nombre minimal pour caractériser spatialement la déformation de l’anneau, fonctionnerait également. Utiliser trois capteurs amenant de la redondance et à une mesure additionnelle permettant une discrimination en cas de situation ambigüe. Il est également possible d’utiliser un plus grand nombre de capteurs, avec pour inconvénients une augmentation de l’intégration et du coût de l’anneau, ainsi qu’une complexification du système de traitement électronique à intégrer sur l’élément annulaire, avec une augmentation des pistes de contact électrique et des voies de traitement de signaux, et comme avantage une meilleure robustesse des détections d’évènements. Un évènement est ici entendu comme une action délibérée de l’utilisateur sur l’anneau en vue de produire un signal de contrôle d’un appareil extérieur, les capteurs générant des signaux en réponse à cette action.
  • Aussi, les capteurs SENS1, SENS2 et SENS3 sont illustrés situés sur la surface extérieure de l’anneau, mais ils pourraient également être situés sur sa surface intérieure, ou bien encore intégrés dans le volume de l’élément annulaire, par exemple en étant pris en sandwich entre deux anneaux concentriques.
  • En (C), la illustre un anneau équipé de deux capteurs SENS1 et SENS2 disposés sur la surface intérieure de l’anneau, sensiblement à 90° l’un de l’autre (les rayons respectifs r1 et r2 font un angle de sensiblement 90° l’un avec l’autre).
  • Les positions respectives des capteurs sur l’anneau sont repérées au moyen de rayons, le centre d’un des capteurs définissant un rayon de référence, les positions des autres capteurs étant repérées par les angles que font les rayons passant par leurs centres respectifs (dans une vue en coupe selon l’axe de révolution Ax de l’anneau) avec le rayon initial. Dans l’exemple de la en (A), les trois capteurs sont disposés sensiblement de façon homogène autour de l’anneau, à intervalles angulaires d’environ 120°. Dans ce cas de figure, on peut considérer le rayon r1 associé au capteur SENS1 comme le rayon de référence, les rayons r2 et r3 associés respectivement aux capteurs SENS2 et SENS3 étant situés respectivement à environ 120° et 240° du rayon r1.
  • Il n’y a pas d’obligation stricte à respecter dans le positionnement relatif des capteurs, à l’exception du fait qu’il convient d’éviter de placer deux capteurs à des positions diamétralement opposées si l’on souhaite caractériser spatialement la déformation liée à une pression exercée en deux points diamétralement opposés, par exemple entre deux doigts de l’utilisateur : un tel un positionnement symétrique des deux capteurs limite les capacités de caractérisation spatiale de la déformation. Il est aussi préférable d’espacer suffisamment deux capteurs l’un de l’autre pour favoriser cette caractérisation spatiale, d’autant plus aisée que les déformations mesurées par les capteurs auront des amplitudes différentes.
  • Ainsi, il est préférable que les rayons définissant les positions des capteurs soient espacés angulairement d’angles compris entre 20° et 160°, plus préférablement entre 40° et 140°. Bien entendu, les angles retenus pourront dépendre du nombre de capteurs intégrés sur l’anneau.
  • L’anneau peut également être muni d’un dispositif de retour d’information FB, ou feedback en terminologie anglaise, informant l’utilisateur que sa manipulation de l’anneau par serrage, tape ou rotation a bien été prise en compte. Le dispositif FB peut être de tout type conventionnellement utilisé à cette fin, tel qu’un dispositif lumineux, sonore, ou haptique.
  • L’anneau peut être manipulé alors qu’il est enfilé sur une partie d’un utilisateur, et en particulier sur un doigt F6 d’une main H comme illustré en (A) de la , ou enfilé sur une tige ou une baguette RD d’un système de contrôle de l’appareil extérieur comme en (B) de la . Il est bien sûr possible de construire l’anneau pour qu’il soit porté par exemple au niveau d’un poignet, d’un bras ou d’une jambe de l’utilisateur. Alternativement, l’anneau peut être utilisé « libre » sans être enfilé sur aucun élément, comme illustré par la .
  • L’anneau a préférablement des dimensions le rendant apte à être enfilé sur un doigt comme le serait un bijou tel qu’une bague, avec par exemple pour l’élément annulaire ANN un diamètre intérieur fin, illustré en (A) de la , compris entre 1 et 3 cm et une longueur L, illustrée en (B) de la , le long de son axe de révolution Ax comprise entre 2 mm et 2 cm. L’épaisseur radiale Thck de l’élément annulaire, définie par exemple par (fin- fext)/2 pour une élément annulaire parfaitement cylindrique de diamètre extérieur fext , comme illustré en (A) et (B) de la , peut être supérieure à 0,1 mm, préférablement 0,4 mm, et inférieure à 3 mm, préférablement 1 mm. De telles épaisseurs assurent une rigidité suffisante pour que l’élément annulaire soit autoportant tout en permettant que des déformations imposées manuellement par l’utilisateur soient détectables, même si l’élément annulaire est formé de métal. Parmi les métaux dans lesquels peut être formé l’élément annulaire, on choisira de préférence un métal peu sujet à la corrosion et hypoallergénique. Il peut par exemple s’agir d’un métal conventionnellement utilisé en bijouterie tel que l’or, l’argent, l’acier inoxydable, le laiton, le titane, massif ou en placage.
  • En outre, l’anneau n’est pas nécessairement un anneau fermé, mais peut également être un anneau ouvert comportant une coupure C, comme illustré en (C) de la . Même sans symétrie de révolution au sens strict, on considère que l’anneau présente un axe Ax orienté de révolution, illustré en (B) de la et perpendiculaire au plan de la page en (B) et (C) de la , situé au centre de l’anneau et le long duquel l’anneau s’étend. L’orientation de l’axe Ax est indiqué par la pointe de flèche sur la figure.
  • On considère que l’élément annulaire est de forme sensiblement cylindrique dans le sens où il est apte à être enfilé sur un doigt. Cependant la forme sensiblement cylindrique de l’élément annulaire peut englober des formes variées, l’important étant qu’il puisse être confortablement porté au doigt par un utilisateur et que des capteurs puissent y être intégrés.
  • La illustre les éléments intégrés sur un anneau R et les relations fonctionnelles entre les éléments le composant et avec un appareil extérieur. Ainsi, l’anneau R comprend, dans une configuration à deux capteurs, deux capteurs SENS1 et SENS2 connectés à un module électronique EL de traitement des signaux issus des capteurs.
  • Le module électronique EL comprend un module d’acquisition ACQ dans lequel un convertisseur analogique-numérique CONV reçoit les signaux analogiques en provenance des capteurs SENS1 et SENS2 et les convertit en signaux numériques traités par un calculateur numérique CALC. Le calculateur numérique traite les signaux numériques, génère des signaux de détection en réponse aux signaux numériques, génère des signaux de contrôle SCon d’un appareil extérieur APP sur la base des signaux de détection, et envoie ces signaux de contrôle à un module de communication COM. Le module de communication COM a pour fonction de transmettre selon des méthodes conventionnelles, de préférence sans fil, les signaux de contrôle générés à l’appareil extérieur APP, distant de l’anneau R.
  • Le calculateur CALC est également configuré pour, le cas échéant, commander le dispositif de retour d’information FB et déclencher une action indiquant à l’utilisateur de l’anneau que son action sur l’anneau a été prise en compte pour envoyer un signal de contrôle à l’appareil extérieur APP.
  • Une batterie BAT fournit l’énergie nécessaire au fonctionnement du convertisseur analogique-numérique CONV, du calculateur numérique CALC, du module de communication COM et du dispositif de retour d’information FB. Si les capteurs sont des jauges résistives, la batterie peut également être utilisée pour les alimenter en courant électrique.
  • Optionnellement, la batterie peut être chargée au moyen d’un dispositif de récupération d’énergie EH, ou « Energy Harvesting » en terminologie anglaise, tel qu’un dispositif électromécanique miniature configuré pour récupérer de manière conventionnelle l’énergie de vibrations ambiantes ou de mouvements de l’utilisateur de l’anneau R.
  • En ce qui concerne la structure de l’ensemble de capteur, l’invention n’est pas limitée aux exemples mentionnés plus haut et l’élément annulaire et les capteurs peuvent être mis en œuvre de différentes manières, illustrées par les figures 1, 3 et 19 comme décrit ci-dessous.
  • Ainsi, l’ensemble de capteur ou anneau R peut comprendre un élément annulaire ANN ouvert ou fermé formé d’un bloc comme illustré en A) de la , un élément annulaire formé de deux éléments coaxiaux ANN1/2C et ANN2/2C comme illustré en B) de la , ou encore formé de deux parties complémentaires angulairement ANN1/2A et ANN2/2A reliées par des éléments d’assemblage AE, de préférence rigidement l’une à l’autre de manière à transmettre une déformation appliquée à un élément à l’autre, comme illustré en C) de la .
  • Les capteurs peuvent être montés sur une même surface, intérieure ou extérieure de l’anneau comme illustré par les figures 1 et 3, ou bien être montés sur des surfaces différentes de l’anneau. La illustre en A) une configuration ou les capteurs SENS1 et SENS3 sont monté sur une surface extérieure Sext de l’ élément annulaire et le capteur SENS2 sur une surface intérieure Sint de cet élément annulaire, en B) une configuration où les capteurs SENS1 et SENS3 sont montés sur une surface extérieure de l’ élément annulaire et le capteur SENS2 est positionné entre un premier élément coaxial ANN1/2C et un second élément coaxial ANN2/2C de l’élément annulaire, en D) une configuration similaire à la configuration illustrée en A), à la différence près que les capteurs sont montés dans des renfoncements ou des encoches formées sur l’ élément annulaire. Placer les capteurs dans des renfoncements a pour avantage de les protéger d’agressions extérieures lorsqu’ils sont accessibles directement de l’extérieur ou rendre l’anneau plus agréable à porter par l’utilisateur lorsqu’ils sont situés sur la surface intérieure en contact avec la peau.
  • Les capteurs peuvent également être montés sur d’autres parties de l’élément annulaire que ses surfaces extérieures ou intérieures. La illustre ainsi en E) une configuration où les capteurs sont montés sur une surface St de la tranche de l’anneau, de manière à être positionnés selon un plan intersectant l’axe longitudinal de l’anneau.
  • Les capteurs sont montés sur l’élément annulaire de manière à être solidaires de ses déformations et ainsi générer des signaux représentatifs de ces déformations. Ils peuvent être collés à une surface de l’élément annulaire, sertis entre deux éléments de l’élément annulaire, ou intégrés de toute autre manière considérée adéquate pour l’homme du métier.
  • Toute combinaison des mises en œuvre de capteurs illustrées par les figures 1, 3 et 19 est acceptable et tombe dans la portée de l’invention décrite dans le présent document.
  • I. Option analytique pour la détection d’événements
  • Plusieurs types d’actions de l’utilisateur peuvent être appliqués à l’anneau, chaque type d’action pouvant être associé à une commande donnée de l’appareil extérieur permettant de le contrôler. Chaque action entraîne un événement de déformation de l’anneau, qui se traduit par la génération de signaux par les capteurs. Chaque épisode de génération de signaux correspond à un événement que l’on cherche à caractériser et qui permet de remonter au type de l’action exercée sur l’anneau : serrage, rotation, tape, ou autre.
  • Des méthodes analytiques de détection de ces types d’action en passant par les signaux générés par les capteurs sont expliquées ci-dessous, au moyen de l’anneau illustré par la , donc équipé de 3 capteurs répartis de manière homogène en périphérie de l’anneau. Des résultats similaires seraient obtenus avec un nombre de capteurs différents ou des capteurs répartis différemment. Les explications ci-dessous ont pour vocation d’expliquer les principes sur lesquels le praticien pourra se baser pour mettre en œuvre l’anneau selon l’invention avec des configurations de capteurs variées en nombres et en localisations.
  • Dans les figures mentionnées ci-dessous, les références S1, S2 et S3 sont associées respectivement aux signaux générés par les trois capteurs Sens1, Sens2 et Sens3 en réponse à une action S00 appliquée à l’élément annulaire par un utilisateur. La référence « S » représente les signaux S2 et S3, la référence T représente le temps. Les références S, S1 et T sont exprimées respectivement mV, mV et s.
  • I.1 Serrage
  • On nomme ici « serrage » l’action qui consiste à serrer l’anneau entre deux doigts, comme illustré par la en (B). Cette figure illustre une situation dans laquelle le capteur SENS2 subit une élongation et les capteurs SENS1 et SENS3 une compression.
  • Une action de serrage peut être détectée par le biais du dépassement d’un seuil THR0 de détection par les amplitudes des signaux générés par les capteurs.
  • Il est également possible de détecter non seulement l’occurrence de l’application d’un serrage, mais également sa localisation angulaire sur l’anneau. En effet, selon la localisation du serrage appliqué, les trois capteurs vont fournir des signaux différents. Une analyse des relations entre les signaux permet de remonter à la localisation du serrage appliqué, soit par simulation ab initio de l’anneau, soit par une calibration de ce dernier. On entend par localisation du serrage la détermination d’un angle compris entre 0° et 180° définissant la position de l’un des deux doigts appliquant les pressions de serrage par rapport à un angle de référence, par exemple défini par le rayon r1 du capteur SENS1. Il est présumé que le deuxième applique une pression à un emplacement diamétralement opposé à celui du premier doigt.
  • Les figures 5, 6 et 7 illustrent les résultats de trois situations expérimentales dans lesquelles l’anneau est serré de sorte que l’un des deux doigts exerçant le serrage est situé au niveau, respectivement, des capteurs SENS1, SENS2 et SENS3, l’autre doigt étant situé de manière diamétralement opposée au premier doigt. En (A) sont représentés des graphes des amplitudes des signaux S2 et S3 générés respectivement par les capteurs SENS2 et SENS3 en fonction de l’amplitude du signal S1 généré par le capteur SENS1. En (B) sont représentés des graphes des amplitudes des signaux générés par les capteurs SEN1, SENS2 et SENS3 à partir des mêmes données que les graphes correspondants en (A), mais exprimés cette fois en fonction du temps T.
  • Lorsque, comme en , l’un des doigts exerçant le serrage est situé sur le capteur SENS1, les deux courbes illustrées en (A) tracent approximativement des lignes droites de même pente. Ceci est dû à la symétrie de l’anneau, qui fait que la charge mécanique est répartie de façon symétrique aux niveaux des capteurs SENS2 et SENS3.
  • Lorsque, comme en , l’un des doigts exerçant le serrage est situé sur le capteur SENS2, la courbe correspondant au capteur SENS2 forme approximativement une ligne droite de pente négative tandis que la courbe correspondant au capteur SENS3 forme approximativement une ligne droite de pente positive.
  • Lorsque, comme en , l’un des doigts exerçant le serrage est situé sur le capteur SENS3, la courbe correspondant au capteur SENS2 forme approximativement une ligne droite de pente positive tandis que la courbe correspondant au capteur SENS3 forme approximativement une ligne droite de pente négative.
  • Le fait que les amplitudes des signaux générés par les capteurs SENS2 et SENS3 exprimées en fonction de l’amplitude du signal généré par le capteur SENS1 forment sensiblement des droites est représentatif du fait que les rapports des amplitudes des signaux générés par les capteurs SENS2 et SENS3 sur l’amplitude du signal généré par le capteur SENS1 sont sensiblement constants. Cette caractéristique est due au fait que les zones d’application de pressions sur l’anneau restent immobiles durant l’application de la pression.
  • Aussi, comme illustré en (B) des figures 5, 7 et 6, l’amplitude maximale parmi les signaux générés par les trois capteurs se trouve dans le signal généré par le capteur au niveau duquel se situe l’un des doigts de l’utilisateur exerçant le serrage, indiquant que cette localisation de l’anneau présente une déformation supérieure à celles des localisations des deux autres capteurs.
  • Une action de serrage produit deux pics en valeur absolue dans les signaux générés par les capteurs : un premier pic provoqué par l’application d’une pression serrage à l’anneau, et un second pic dû au relâchement de cette pression, identifiés respectivement par Max1 et Max2 en (B) de la pour le signal S1. Le premier pic et le second pic présentent des signes de signes opposés.
  • L’analyse des courbes telles que celles des figures 5, 6 et 7 permet de remonter à l’occurrence d’une action de serrage ainsi qu’à une caractérisation de cette action de serrage, caractérisation qui est fonction des zones d’application des forces de serrage.
  • Par exemple, on peut considérer qu’une action de serrage sans déplacement significatif des zones d’application de la pression a été appliquée à l’anneau si un critère, selon lequel un rapport entre les amplitudes de deux des signaux est constant à plus ou moins 20% près de la valeur moyenne du rapport durant la durée de l’action, est respecté. Le pourcentage peut être ajusté par l’utilisateur. La détection d’une action de ce type permet d’écarter la possibilité qu’ait été appliquée une action mettant en jeu un déplacement significatif des zones de pression sur l’anneau, telle qu’une rotation ou un glissement. Autrement dit, le respect de ce critère implique qu’une action de pression de localisation sensiblement constante a été appliquée sur l’anneau par un utilisateur. Afin d’améliorer la fiabilité de l’application du critère, on peut ne l’appliquer qu’à des valeurs d’amplitude des signaux dépassant un certain niveau, afin d’éviter l’effet d’un bruit relatif qui devient très important pour des petites valeurs des amplitudes et/ou ajuster le pourcentage.
  • Ainsi, il est important de noter qu’une analyse des rapports entre les signaux générés par les différents capteurs permet de caractériser l’action de serrage selon un critère lié à une localisation des doigts appliquant le serrage, non seulement au niveau d’un capteur particulier, mais également à une position arbitraire variant continûment entre deux capteurs. Les lignes droites obtenues par des actions de serrages se décalant progressivement de la situation de la à celle de la montreraient une variation correspondante continue correspondante des pentes des courbes. A chaque pente ou groupement de pentes, et donc à chaque rapport d’amplitudes de signaux générés par deux capteurs, il est possible d’associer une localisation particulière de l’action exercée sur l’anneau et d’associer à cette localisation une commande particulière de l’appareil extérieur.
  • I.2 Serrage double
  • Le serrage double est une variante de l’action de serrage décrite ci-dessus, dans laquelle l’action de serrage est répétée dans un intervalle de temps prédéfini, comme le double-clic d’une souris d’ordinateur.
  • Cette action est détectée en comptant pour chaque capteur le nombre de maximums prenant place durant l’intervalle de temps prédéfini. La illustre en (A), (B) et (C) les signaux S (en mV) générés par les capteurs en réponse aux actions de serrage double aux niveaux des capteurs SENS1, SENS2 et SENS3, respectivement, exprimés en fonction du temps T (en s). Les maximums d’amplitude (en valeur absolue) présentent bien quatre maximums identifiés Max1 à Max4 en (A) de la pour le signa S1. On peut ainsi associer l’occurrence d’un serrage double à la détection de quatre maximums en valeur absolue dans le signal généré par un capteur sur un intervalle de temps déterminé, préférablement de l’ordre de la seconde ou moins.
  • I.3 Serrage long
  • Un serrage long se distingue d’un serrage pouvant être qualifié de court, tel que ceux illustrés par les figures 5 à 7, en ce que le serrage est maintenu sur une certaine durée dépassant une valeur seuil de durée prédéterminée THR4.
  • Lors d’une action de serrage, les signaux générés par les capteurs comprennent chacun un premier maximum Max1 sous forme d’un pic au début du serrage et un second maximum Max2 de signe opposé à Max1 sous forme d’un pic d’orientation opposée lorsque le serrage est relâché. Un événement correspond à une action de de serrage long lorsque sont détectés deux maximums dépassant chacun un niveau de seuil prédéterminé qui sont espacés d’une durée dépassant la valeur seuil prédéterminée THR4, comme illustré en B) de la .
  • Le profil des courbes en B) s’explique par le fait que la tension générée par un capteur piézoélectrique va progressivement revenir à zéro après application de la déformation, même sans que le capteur revienne à son état physique de départ, selon un temps caractéristique dépendant du capteur lui-même et du système d’acquisition, soit environ 0,2 s pour le système ayant généré les signaux représentés ici.
  • I.4 Rotation – Méthode 1
  • On nomme ici « rotation » l’action qui consiste à faire tourner l’anneau entre deux doigts tout en lui en appliquant un serrage par l’intermédiaire des deux doigts. Cette action de l’utilisateur résulte en une déformation de l’anneau se déplaçant avec la rotation. C’est une rotation de l’anneau selon ce principe qui permet de passer de la configuration (B) à la configuration (C) de la . Les capteurs peuvent caractériser cette déformation et son mouvement, et donc la rotation imposée à l’anneau, comme décrit ci-dessous.
  • La montre des graphiques représentant des signaux S1, S2 et S3 (en mV) générées expérimentalement par les capteurs piézoélectriques SENS1, SENS2 et SENS3 de l’anneau de la , respectivement, en fonction du temps T (en s), en (A) pour une rotation Rot dans un sens allant du capteur SENS1 vers le capteur SENS2 puis le capteur SENS3 (sens 1-2-3) et en (B) pour une rotation dans le sens contraire allant du capteur SENS3 vers le capteur SENS2 puis le capteur SENS1 (sens 3-2-1), en faisant tourner l’anneau entre deux doigts.
  • Il est constaté que les signaux des capteurs oscillent selon un motif approximativement sinusoïdal. Les maximums des oscillations, qui correspondent à des maximums des déformations aux niveaux des trois capteurs, apparaissent dans un ordre imposé par le sens de rotation. Ce dernier peut donc être déduit de l’analyse des signaux générés par les capteurs, en trouvant les maximums et en déterminant leur ordre d’apparition. Ainsi, il est possible de caractériser la rotation en sens, amplitude angulaire et en vitesse.
  • I.5 Rotation – Méthode 2
  • La première méthode de caractérisation d’une rotation de l’anneau repose sur l’ordre d’apparition des maximums dans l’amplitude de déformation. Une seconde méthode, basée sur les mêmes signaux générés par les capteurs peut être envisagée.
  • La montre en A) et en B) des graphiques dans lesquels les signaux S (en mV) générés par les capteurs SENS2 et SENS3 sont exprimés en fonction du signal S1 (en mV) généré par le capteur SENS1, formant deux courbes distinctes dans le plan (S1, S) défini par le signal S1 et l’un ou l’autre des signaux S2 et S3. Dans ces deux graphiques, on suit l’avancée des courbes au cours du temps en se déplaçant sur celles-ci dans les sens indiqués par les flèches.
  • En ce qui concerne le graphique en A), dans une zone ZSq-Start du graphique correspondant au début de l’application du serrage au moyen des deux doigts de la , on observe que les deux courbes s’éloignent de l’origine du graphique selon des lignes droites jusqu’à dépasser un niveau de seuil Thr représenté par un cercle centré sur l’origine du graphique. Les rapports des amplitudes des signaux restent sensiblement constants, en raison du fait que les zones d’application de pressions sur l’anneau restent immobiles : il s’agit pour le moment d’une action de serrage simple, déjà décrite plus haut. L’éloignement de chaque courbe par rapport à l’origine du graphique se définit par la racine de la somme quadratique des amplitudes des signaux concernés : soit une première paire de signaux constituée des signaux des capteurs SENS1 et SENS2, soit une deuxième paire de signaux constituée par signaux des capteurs SENS1 et SENS3. La distance de chaque point de ces courbes au point d’origine (0,0) du graphique représente la racine de la somme quadratique des coordonnées de la courbe en ce point.
  • Dans un second temps, l’anneau est roulé entre les deux doigts, les amplitudes des paires de signaux restant telles que les racines de leurs sommes quadratiques restent supérieures à la valeur seuil, à défaut d’être constante. Ce comportement est représentatif d’un serrage exercé sur l’anneau par un être humain : il est difficile de maintenir un serrage constant sur l’anneau tout en le faisant rouler entre deux doigts, mais il est possible de maintenir un certain niveau de serrage. Le roulement se traduit par des déplacements au cours du temps en sens de rotation contraires le long des deux courbes, dans le sens des aiguilles d’une montre pour le capteur SENS2, le sens inverse des aiguilles d’une montre pour le capteur SENS3, ces deux sens dépendant du sens de la rotation imposée à l’anneau. Les rapports entre les amplitudes des signaux générés par les capteurs SENS2 et SENS3 et l’amplitude du signal généré par le capteur SENS1 changent continûment en raison du déplacement continu des zones de pressions appliqués sur l’anneau. La détection de ces changements est indicative de l’occurrence d’une action de rotation. L’amplitude de ces changements est représentative de l’angle de la rotation. On peut suivre la courbe et y faire correspondre une amplitude angulaire de rotation W entre deux instants donnés, par calibration ou calculs ab initio.
  • En fin de rotation, le serrage des doigts est relâché, les amplitudes des signaux retournent à zéro, ce qui se traduit par le fait que les courbes repassent simultanément dans le périmètre défini par le niveau de seuil Thr puis retombent au point d’origine du graphique, aux niveaux des zone ZSq-End2 et Zsq-End3 de relâchement du serrage, pour les courbes issues des signaux générés par les capteurs Sens2 et Sens3, respectivement. Au moment du relâchement du serrage, la rotation est stoppée, les point d’application des pressions sont fixes, les courbes forment des droites, comme pour le cas d’un serrage décrit plus haut à l’aide des figures 5 à 7.
  • L’analyse du graphique en A) de la , que l’on considère une seule courbe ou bien les deux courbes, permet de remonter à la détection d’une action de rotation de l’anneau et aux caractéristiques (angle, durée) de cette rotation par correspondance entre les points de franchissement du niveau de seuil par ces courbes au début et à la fin de l’action de rotation et une rotation de l’anneau, correspondance déterminée par des calculs de simulation ou des calibrations de l’anneau.
  • En pratique, il peut être avantageux d’engager une analyse la courbe dès que le niveau de seuil Thr est atteint, analyser la courbe en continu, générer un signal de détection de rotation à chaque fois que l’angle de rotation dépasse l’un d’une série de seuils (par exemple espacés d’intervalles de 10° ou tout autre valeur prédéterminée), et stopper l’analyse lorsque les courbes repassent sous le seuil Thr.
  • C’est ce qu’illustre la en B), avec le suivi de la courbe représentant le signal S2 exprimé en fonction du signal S1, signaux respectivement générés par les capteurs Sens2 et Sens1. La courbe représentant le signal S2 sort du cercle de visualisation du seuil Thr en un point A, tourne dans le sens des aiguilles d’une montre autour du point d’origine du graphique tout en restant à l’extérieur du cercle, puis le franchit en un point B. Les points A et B sont séparés angulairement d’un angle de rotation total Wtot. En cours de rotation, l’augmentation de l’angle de rotation a dépassé plusieurs seuils indiqués par les valeurs W1 et W2.
  • I.6 Tape du doigt
  • La tape du doigt portant l’anneau, de préférence sur une surface dure telle qu’une table, génère un signal de contenu fréquentiel plus haut que les actions de serrage ou de rotation de l’anneau. La illustre les signaux S1, S2 et S3 détectés lors d’une tape du doigt portant l’anneau. Les composantes fréquentielles des signaux générés lors d’une tape du doigt permettent donc de distinguer cette action d’une action de serrage ou de rotation.
  • Une méthode de détection d’une tape du doigt portant l’anneau peut comprendre comme première étape une somme des signaux générés par les capteurs lors d’un événement pour obtenir un signal somme. Un filtre passe-haut est appliqué au signal somme, puis une première valeur efficace RMSH de ce signal somme filtré est calculé. Un filtre passe-bas est appliqué au même signal somme, puis une seconde valeur efficace RMSL de ce signal somme filtré est calculée. Le rapport de ces deux valeurs efficaces est alors comparé à une valeur seuil THR1 prédéterminée. Les fréquences de coupure des filtres appliqués peuvent être par exemple de 10 Hz. Si le rapport RMSH/RMSL est supérieur ou égal à la valeur seuil THR1, alors l’événement de déformation de l’anneau est considéré comme ayant été généré par une tape du doigt. Si le rapport RMSH/RMSL est inférieur à la valeur seuil THR1, alors l’événement est classé comme un serrage. La somme des signaux peut être une somme pondérée, chaque signal étant associé à un coefficient de pondération donné. Il est ainsi possible de choisir les coefficients de manière à choisir le ou les de capteurs employés pour la détection. Une valeur efficace peut être définie comme la racine carrée de la moyenne du carré de la valeur du signal sur une période de temps.
  • I.7 Tape de l’anneau
  • La démarche effectuée pour la tape du doigt peut s’appliquer à l’anneau lorsqu’il est tapé directement sur une surface, préférablement dure, telle qu’une table. La différence est que les signaux générés par les capteurs ont un contenu en composantes fréquentielles hautes plus important que lorsque seul le doigt portant l’anneau est tapé sur la surface dure. On peut par exemple comparer les courbes des signaux S1, S2 et S3 de la , générés lors de la tape directe de l’anneau sur une table à la . Ainsi, on peut cette fois comparer le rapport RMSH/RMSL à une valeur seuil THR2 de préférence supérieure à THR1. Si le rapport RMSH/RMSL est supérieur ou égal à la valeur seuil THR2, alors l’événement est considéré comme ayant été généré par une tape de l’anneau.
  • I.8 Tape sur un capteur
  • La tape sur un capteur est une action qui consiste à taper directement l’anneau au niveau de la localisation d’un des capteurs avec un doigt. La différence avec le serrage est que la force est appliquée sur un seul côté de l’anneau, et non sur les deux côtés. Dans le cas de la configuration illustrée par la , les capteurs sont tapés directement et les amplitudes mesurées des signaux S (en mV) générés en réponse par les capteurs sont illustrés au moyen des graphiques de la , avec en (A), (B) et (C) les résultats de mesures pour des tapes sur les capteurs SENS1, SENS2 et SENS3, respectivement.
  • Pour chacune des situations (A), (B) et (C), on constate que le maximum d’amplitude parmi l’ensemble des signaux générés par les capteurs est celui correspondant au capteur au niveau duquel la tape est effectuée, et qu’il correspond à l’amplitude maximale d’un pic.
  • Ainsi, on peut identifier un événement de tape sur un capteur donné en identifiant le capteur dont le signal généré présente un pic avec la plus forte amplitude, calculer le rapport de cette amplitude sur les amplitudes maximales de chacun des autres capteurs, et, si ces rapports sont tous supérieurs à une valeur seuil THR3, considérer l’événement comme ayant été généré par une tape au niveau du capteur ayant généré le signal présentant le pic avec la plus forte amplitude, donc le maximum d’amplitude.
  • I.9 Exemple d’algorithme
  • Comme illustrés ci-dessus, plusieurs types d’événements de déformation de l’anneau peuvent être détectés par l’analyse des signaux des capteurs qui y sont montés.
  • Les figures 15 à 18 illustrent un procédé d’utilisation d’un anneau R équipé d’au moins deux capteurs SENS1 et SENS2, selon un algorithme permettant la détection de plusieurs types d’événements chacun caractérisés par les signaux générés par les capteurs à la suite d’une action de l’utilisateur sur l’anneau.
  • Lors d’une action de l’utilisateur sur l’anneau, deux signaux S1 et S2 numériques sont générés par les deux capteurs SENS1 et SENS2, respectivement, et le convertisseur analogique-numérique CONV, selon l’algorithme illustré par la .
  • Un premier bloc de calcul Bl1 a pour fonction de discriminer le bruit de fond ou des manipulations accidentelles ou sans but précis d’une action volontaire de l’utilisateur. Dans le premier bloc de calcul Bl1, le calculateur CALC effectue la somme quadratique des amplitudes des signaux S1 et S2 au cours d’une opération de sommation Bl1-10. Au cours d’une opération de test Bl1-15, le calculateur détermine si la somme quadratique Q des amplitudes des signaux dépasse une valeur seuil prédéterminée Thr, indicatrice du fait qu’une action a été volontairement effectuée sur l’anneau. Cette opération de test a une fonction de détection d’un événement mesuré par les capteurs de l’anneau. En réponse à cette détermination, dans le cas où la somme dépasse la valeur seuil, un signal SAct de détection d’action est généré et, en réponse à ce signal, un second bloc de calcul Bl2 est mis en œuvre et les signaux S1 et S2 sont enregistrés dans une mémoire informatique MEM en communication fonctionnelle avec le calculateur CALC au cours d’une opération Bl1-20. Les signaux enregistrés seront utilisés dans les opérations suivantes. L’enregistrement est arrêté quand la somme quadratique repasse sous la valeur seuil THR.
  • Plus généralement, l’amplitude d’un signal représentatif d’une somme de signaux non moyennés générés par les capteurs ou bien l’amplitude d’un seul signal, moyenné ou non, représentatif d’un signal généré par un capteur unique, pourraient être employée en tant qu’amplitude du signal Q et comparée à la valeur seuil pour déterminer l’occurrence d’une action volontaire. Dans tous les cas, il s’agit de comparer l’amplitude d’un signal ou d’une combinaison de signaux, retraités ou non, représentatifs d’une déformation de l’anneau, à un seuil prédéfini et de déterminer qu’une action volontaire a été exercée sur l’anneau lorsque cette amplitude dépasse ce seuil prédéfini, tel que le niveau de seuil Thr représenté sur la . Un moyennage sur une combinaison (une somme en particulier) de plusieurs signaux représentatifs de signaux générés par les capteurs permet une meilleure fiabilité dans cette détermination.
  • Alternativement, afin de discriminer le bruit de fond ou des manipulations accidentelles ou sans but précis d’une action volontaire de l’utilisateur, l’opération de test Bl1-10 pourrait porter sur une variance des amplitudes des signaux émis par les capteurs. Cette variance peut par exemple être calculée sur une période glissante d’un signal ou de la somme, pondérée ou non, de plusieurs signaux générés par les capteurs, et peut être considérée comme signal de détection d’évènement lorsqu’elle dépasse un seuil prédéterminé, fixé par exemple par un utilisateur : la variance des signaux devient en effet plus importante lorsque l’utilisateur engage une action sur l’anneau.
  • L’étape de test Bl1-15 a ainsi pour fonction de détecter un dépassement d’un seuil par une quantité représentative d’une amplitude d’un signal ou d’une combinaison de signaux chacun représentatifs d’une déformation de l’élément annulaire et générés par un ou plusieurs des capteurs de déformation montés sur l’élément annulaire en réponse à une action de l’utilisateur, que la quantité en question soit dérivée directement des amplitudes du ou des signaux considérés, d’une variance de ce ou de ces signaux, ou soit représentative de toute autre information dérivée du ou des signaux considérés.
  • Le bloc Bl1 est avantageux du point de vue de l’autonomie de l’interface homme-machine : hors détection d’un évènement dépassant un certain niveau de seuil, seule une partie du module d’acquisition ACQ associé au bloc Bl1 nécessite d’être alimentée en tension, ce qui limite fortement la consommation électrique de l’ensemble du dispositif. En effet, un comparateur, dispositif électronique ne consommant que très peu d’énergie, peut être suffisant pout implémenter le bloc Bl1, en particulier lorsque des capteurs piézoélectriques sont employés, les tensions qu’ils génèrent étant suffisantes pour faire fonctionner le comparateur sans nécessiter d’amplification.
  • Le second bloc de calcul Bl2 a pour fonction d’effectuer une première analyse des signaux S1 et S2, destinée à détecter si, oui ou non, une rotation est exercée par l’utilisateur sur l’anneau et à caractériser cette rotation, le cas échéant. Lorsque le bloc Bl2 est mis en œuvre, le calculateur CALC effectue les opérations décrites ci-dessous. En étapes préliminaires, (i) un compteur du calculateur CALC initialise à 0 une variable de comptage n d’incrémentation de rotation, à une étape Bl2-1 0, et le calculateur CALC détermine et assigne, à une variable W0d’angle de rotation, l’angle de sortie du cercle de rayon Thr dans le plan (S1, S2) par le signal S2 tel que déterminé selon la méthode 2 de caractérisation d’une rotation sur la base des signaux S1 et S2, à une étape Bl2- 15. Pour illustration, on peut se reporter à la zone ZSq-Start en A) de la . Dans le graphe en B) de la , cet angle de sortie correspond à l’orientation de la droite passant par l’origine du graphique et le point A situé sur le cercle de rayon Thr.
  • Une opération de test Bl2-20 assure que tant que la somme quadratique des signaux reste supérieure au seuil Thr, comme indiqué par l’indicateur Y de condition de test rempli, la boucle de calcul suivante est continuellement mise en œuvre par le calculateur. Un angle de rotation courant W est calculé sur la base des signaux S1 et S2 selon la méthode 2 au cours d’une opération Bl2-25. Une différence W-W0 est calculée à une opération Bl2-30, et le résultat de cette différence est comparé au cours de deux opérations de test Bl2-35 et Bl2-45 à une valeur de seuil angulaire positive ThrAng et à son opposée -ThrAng, respectivement. Si l’opération de test Bl2-35 renvoie un résultat positif, indiqué par Y sur la figure, alors un signal de détermination d’événement ROT- est généré, représentatif du fait que i) il y a eu rotation de l’anneau d’un angle défini par la valeur de ThrAng, et ii) cette rotation se fait dans un sens défini comme négatif. A l’inverse, si l’opération de test Bl2-45 renvoie un résultat positif, indiqué par Y sur la figure, alors un signal de détermination d’événement ROT+ est généré, représentatif du fait que i) il y a eu rotation de l’anneau d’un angle défini par la valeur de ThrAng, et ii) cette rotation se fait dans un sens défini comme positif. Les signaux ROT- et ROT+ peuvent être générés en succession lorsque l’utilisateur poursuit une rotation. Chacun de ces signaux est généré en réponse à une augmentation incrémentale de cette rotation imposée à l’anneau par l’utilisateur, chacun pouvant être associé à un signal de commande de l’appareil extérieur APP.
  • En réponse à des résultats positifs des opérations de test Bl2-35 et Bl2-45, la variable n de comptage d’incrémentation de rotation est incrémentée de 1 au cours d’une opération Bl2-55 et l’angle de rotation courant W est assigné à la variable W0d’angle de rotation. La valeur de comptage n indique donc le nombre de fois que l’anneau a été tourné d’une valeur ThrAng au cours de la rotation en cours d’analyse et est donc représentatif d’une amplitude de rotation totale, correspondant à la somme des n incréments de rotation. En répétant ces opérations, des rotations peuvent être suivies dans les deux sens, selon des incréments d’amplitudes définis par la valeur de ThrAng.
  • Cet algorithme met en œuvre la méthode 2 de caractérisation d’une rotation de l’anneau, mais la méthode 1 pourrait être appliqué, ou bien toute autre méthode adéquate.
  • Si l’opération de test Bl2- 2 0 renvoie un résultat N, indicatif du fait que la somme quadratique des signaux S1 et S2 est repassé sous la valeur Thr, alors une autre opération de test Bl2-70 est effectuée afin de vérifier si la valeur de comptage n est à 0, indicatif du fait que l’événement analysé n’est pas représentatif d’une rotation. Si c’est le cas, alors un signal SNo.Rot de détection d’absence de rotation est généré et, en réponse, un troisième bloc de calcul Bl3 est mis en œuvre au cours d’une étape Bl2-75.
  • Alternativement, l’opération de test Bl2-70 pourrait être mise en œuvre indépendamment de la valeur de comptage n, en mettant en œuvre le principe de test décrit dans la section « Serrage ». Ainsi, l’opération de test Bl2-70 pourrait consister à tester si un rapport entre les signaux S1 et S2 est sensiblement constant sur la durée de l’événement analysé, c’est-à-dire compris dans un intervalle défini par XX% autour de la valeur moyenne du rapport sur la durée de l’événement enregistré, XX% représentant un pourcentage de la valeur moyenne défini par l’utilisateur, 20% par exemple, qui constitue une valeur permettant une discrimination pertinente de la constance du rapport.
  • Le troisième bloc de calcul Bl3, illustré par la , a pour fonction d’analyser les signaux générés par les capteurs lorsqu’il a été déterminé que cet événement n’est pas généré par une rotation. Plus spécifiquement, le bloc Bl3 a pour fonction de discriminer le type d’action parmi les actions de serrage de l’anneau, de tape du doigt et de tape de l’anneau, et de caractériser les actions de serrage. A ces fins, le calculateur met en œuvre les opérations du bloc Bl3 dont les principes sont expliqués dans les sections Serrage, Tape du doigt et Tape de l’anneau décrites plus haut.
  • Tout d’abord, le signal numérisé S1 est filtré en parallèle selon deux opérations de filtrage Bl3-10 et Bl3 -15 employant un filtre passe-haut et un filtre passe-bas, respectivement, de manière à obtenir deux signaux filtrés. Chacun des deux signaux filtrés par les opérations de filtrage Bl3-10 et Bl2-15 sont moyennés aux cours d’opérations de moyennage Bl3-15 et Bl3-25 pour obtenir les moyennes RMSH et RMSH des deux signaux filtrés moyennés, respectivement. La période de moyennage peut être choisie par l’utilisateur selon ses préférences.
  • Selon le principe expliqué plus haut dans les sections « Tape du doigt » et « Tape de l’anneau », une première opération de test Bl3-35 vérifie si la valeur du rapport RMSH/RMSL est supérieure à une valeur de seuil haute ThrH. Si une réponse positive, indiquée par Y sur la figure, est renvoyée, alors un signal de détection Hit(R) est généré, représentatif du fait que l’événement a été provoqué par une action de tape de l’anneau sur une surface rigide.
  • Si une réponse négative à l’opération de test Bl3-35, indiquée par N sur la figure, est renvoyée, alors une opération de test Bl3-40 est mise en œuvre, vérifiant si la valeur du rapport RMSH/RMSL est supérieure à une valeur de seuil basse ThrL, avec ThrL < ThrH.
  • Si une réponse positive, indiquée par Y sur la figure, est renvoyée, alors un signal de détection Hit(F) est généré, représentatif du fait que l’événement a été provoqué par une action de tape du doigt (F6) portant l’anneau sur une surface rigide.
  • Si une réponse négative à l’opération de test Bl3-40, indiquée par N sur la figure, est renvoyée, alors il est déterminé que l’événement a été provoqué par une action de serrage, et un quatrième bloc de calcul Bl4 est mis en œuvre au cours d’une opération Bl3-45.
  • Les opérations Bl3-10 à Bl3-40 constituent dans leur ensemble une opération Bl3-FA d’analyse du contenu fréquentiel des signaux émis par les capteurs, analyse sur la base de laquelle est effectuée une détection des actions de tape d’un doigt Hit(F) et de tape de l’anneau Hit(R), et une détection du fait que l’action de l’utilisateur est une action de serrage, cette dernière étant caractérisée plus finement par le bloc Bl4 décrit ci-dessous. Le principe employé est que l’énergie d’un signal ou d’une somme de signaux est répartie de manière plus prépondérante dans les fréquences hautes pour l’action Hit(R) que pour l’action Hit(F), et plus prépondérante dans les fréquences basses pour des actions de serrage de l’anneau que pour l’action Hit(F). Le bloc Bl3 de la illustre une mise en œuvre particulière de ce principe, mais d’autres mises en œuvre pourront être considérées par l’homme du métier pour mettre en œuvre ce principe.
  • Sur le fond, il s’agit de procéder à une analyse de la répartition de l’énergie des signaux détectés selon les fréquences. Il serait par exemple possible de procéder à une transformation de Fourier des signaux et d’analyser la répartition énergétique dans le domaine fréquentiel, par exemple en comparant l’énergie contenue dans les signaux pour des fréquences supérieures à 10Hz et l’énergie contenu dans ces mêmes signaux pour des fréquences inférieures à 10Hz.
  • Le quatrième bloc de calcul Bl4, illustré par la , a pour fonction d’analyser les signaux générés par les capteurs lorsqu’il a été déterminé que l’événement détecté par le bloc Bl1 n’est provoqué ni par une rotation, ni par l’une ou l’autre d’une tape de l’anneau et d’une tape du doigt, comme déterminé aux niveaux des blocs Bl2 et Bl3. Plus spécifiquement, le bloc Bl4 a pour fonction de caractériser le type de serrage appliqué à l’anneau par l’utilisateur : serrage court, serrage long, serrage double, et la localisation du serrage. A ces fins, le calculateur effectue les opérations du bloc Bl4 décrites dans les sections Serrage, Tape du doigt et Tape de l’anneau décrites plus haut.
  • Des opérations Bl4-10, Bl4-15 et Bl4-20 du bloc Bl4 permettent de caractériser spatialement l’événement en cours d’analyse. L’opération Bl4-10 consiste à calculer le rapport des signaux S1 et S2, puis moyenner ce rapport au cours d’une opération Bl4-20 de moyennage sur toute la durée de l’événement détecté. Cette moyenne est comparée à une table de calibration préparée à l’avance et établissant une correspondance entre des valeurs de rapports moyennés et une localisation d’un serrage appliqué à l’anneau. La table de calibration peut être stockée dans la mémoire MEM. Sur la base de cette comparaison, un signal Loc représentatif de la localisation de l’événement en cours d’analyse est généré.
  • La illustre la localisation Local de l’application d’une pression (serrage, tape) par un doigt F1 sur un anneau R muni des capteurs SENS1 et SENS2. Une table préparée à l’avance par calibration de l’anneau peut indiquer une correspondance entre le rapport des amplitudes des signaux générés respectivement par les capteurs SENS1 et SENS2 et une localisation Local repérée par un rayon rLoc angulairement décalé par rapport à un rayon rref de référence. La même table, ou une table similaire tenant compte des deux zones d’appui diamétralement opposées existantes lors d’un serrage entre deux doigts, peut être utilisée pour localiser le début et la fin du serrage illustrés par la et donc évaluer l’amplitude angulaire de la rotation appliquée à l’anneau lors d’une action de rotation de celui-ci. D’une manière générale, à toute action (serrage, rotation, tape) peut être associée un signal Loc de localisation représentatif d’une localisation Local de l’action considérée, sur la base d’un rapport des amplitudes de deux signaux générés simultanément par deux capteurs situés sur deux rayons distincts de l’anneau.
  • Des opérations Bl4- 30 à Bl4- 50 du bloc Bl4 permettent de déterminer le type de serrage appliqué à l’anneau et ayant provoqué la génération des signaux S1 et S2.
  • L’opération Bl4-30 consiste à détecter le nombre de pics, c’est-à-dire le nombre de maximums d’amplitude, en valeur absolue, pour chacun des signaux S1 et S2 et moyenner le nombre de pics détectés. Alternativement, on peut simplement compter le nombre de pics détectés pour un signal. Cependant, le moyennage sur plusieurs signaux rend la détection plus robuste.
  • Sur la base de l’opération Bl4-30, l’opération de test Bl4-35 renvoie une réponse positive lorsque le nombre de pics détectés est proche de 4, par exemple dans un intervalle allant de 3,5 à 4,5 englobant quatre pour tenir compte de l’effet de moyenne, comme indiqué par Y sur la figure. En réponse à une réponse positive à l’opération de test Bl4-35, un signal de détection D.Sq est généré, représentatif d’une action de serrage double (2 pics par action de serrage, donc 4 pics pour une double action de serrage, comme expliqué dans la section « Serrage Double ci-dessus »).
  • Sur la base de l’opération Bl4-30, l’opération de test Bl4-40 renvoie une réponse positive lorsque le nombre de pics détectés est 2, comme indiqué par Y sur la figure. En réponse à cette détection, l’intervalle de temps ΔT séparant les deux pics détectés est déterminé au cours de l’opération Bl4-45. Au cours d’une opération de test Bl4-50, l’intervalle de temps ΔT est comparé à la valeur seuil de durée prédéterminée THR4 comme expliqué à la section « Serrage long » ci-dessus.
  • S’il est déterminé que ΔT est supérieure à THR4, comme indiqué par Y sur la figure, alors un signal L.Sq représentatif d’une action de serrage long est généré.
  • S’il est déterminé que ΔT n’est pas supérieure à THR4, comme indiqué par N sur la figure, alors un signal S.Sq représentatif d’une action de serrage court, ou serrage, est généré.
  • Les blocs Bl1 et Bl2 traitent directement les signaux S1 et S2 générés par les capteurs. Les blocs Bl3 et Bl4 traitent la version de ces signaux enregistrés dans la mémoire MEM au cours de l’étape Bl1-20.
  • Un avantage de cet algorithme est qu’il ne consomme qu’un minimum d’énergie, les parties du module d’acquisition ACQ associées aux blocs Bl2 et Bl3 de l’algorithme n’étant activées que lorsqu’il a été déterminé qu’il est nécessaire de recourir à leurs fonctionnalités respectives.
  • Lorsque l’on mentionne des opérations de moyennage dans cette description, on comprendra que, sauf indication contraire, il s’agit de moyennage dans le temps, sur une durée qui peut être choisie par l’utilisateur ou le fabriquant de l’interface homme-machine selon le comportement qu’il souhaite pour cette interface. Cependant, il pourra s’agir de durées de l’ordre de quelques dixièmes de secondes.
  • Aussi, lorsque l’on parle d’un signal généré par les capteurs, il pourra s’agir d’un signal converti ou traité et non seulement directement issu du capteur, tant qu’il peut être considéré comme représentatif d’une déformation appliquée à l’anneau, c’est-à-dire comme pouvant être utilisé pour caractériser cette déformation.
  • Bien entendu, l’homme du métier sera à même de mettre au point des algorithmes similaires afin de permettre à l’utilisateur de bénéficier de l’ensemble des types d’action décrits dans la présente description.
  • En outre, il est tout-à-fait envisageable de détecter d’autres actions que celles décrites plus haut, telles qu’un appui à trois doigts, un glissement d’un doigt sur l’anneau sans le faire tourner (« swipe » en terminologie anglaise), une flexion du doigt, extension de la main, serrage du poing, rotation autour du doigt sans déplacer les zones de pression appliquée sur l’anneau etc…
  • En outre, l’homme du métier comprendre qu’il est possible de mettre en œuvre d’autres algorithmes que ceux décrits ici pour exploiter les signaux générés par les capteurs, y compris une approche dite d’intelligence artificielle, permettant de classifier les signaux détectés en différentes catégories préalablement définies en réalisant un apprentissage automatique basé sur une base de données de signaux mesurés lors d'actions réalistes par un utilisateur portant l'anneau.
  • En réponse à la détection d’événements et donc à la génération de signaux représentatifs d’actions particulières appliquées à l’anneau, le calculateur peut être configuré pour transmettre ces signaux à l’appareil extérieur par l’intermédiaire du module de communication COM sous la forme d’un signal de contrôle SCon. Alternativement le signal de contrôle SCon peut être un signal d’une commande associée au type de l’action appliquée à l’anneau.
  • II. Option d’apprentissage pour la détection d’événements
  • La section précédente présente une première option pour la détection d’actions appliqués à l’anneau, de type analytique : chaque action appliquée à l’anneau entraîne une déformation de celui-ci, déformation se traduisant par la génération de signaux par les capteurs, que l’on peut analyser afin de déterminer à l’action exercée et donc le signal de contrôle à générer.
  • Une seconde option pour la détermination du type de l’action exercée sur l’anneau est basée sur la classification de l’événement généré par cette action par un système informatique ayant bénéficié d’un apprentissage automatique, souvent désigné sous les dénominations « machine learning », ou « deep learning » dans le cas d’un réseau de neurones, en terminologie anglaise.
  • Cette approche peut par exemple reposer sur l’emploi d’un réseau de neurones entraîné à classifier des événements détectés par les capteurs dans différentes catégories définies par un utilisateur ou un agent chargé de la préparation et de la configuration de l’anneau. Alternativement, d’autres méthodes que celles des réseaux de neurones pourraient être employées, telles que celles de l’algorithme des K plus proches voisin (parfois abrégée en k-NN) ou des forêts d’arbres décisionnels, respectivement « k-nearest neighbors » et « random decision forest » en terminologie anglaise.
  • A des fins d’illustration, cette description se basera sur l’emploi d’un réseau de neurones pour le traitement des données issues des capteurs. Dans le cadre de l’utilisation de réseaux de neurones pour la détection de gestes, on peut se reporter aux références suivantes : (1) Nguyen-Trong, K., Vu, H. N., Trung, N. N., & Pham, C. (2021), Gesture Recognition Using Wearable Sensors With Bi-Long Short-Term Memory Convolutional Neural Networks. IEEE Sensors Journal, 21(13), 15065-15079 ; (2) Kim, M., Cho, J., Lee, S., & Jung, Y. (2019), IMU Sensor-Based Hand Gesture Recognition for Human-Machine Interfaces. Sensors (Basel, Switzerland), 19(18), 3827 ; (3) Chuang, W.-C., Hwang, W.-J., Tai, T.-M., Huang, D.-R., & Jhang, Y.-J. (2019), Continuous Finger Gesture Recognition Based on Flex Sensors. Sensors (Basel, Switzerland), 19(18), 3986.
  • Les figures 20, 21 et 22 illustrent la mise en œuvre d’une telle approche basée sur l’emploi d’un réseau de neurones, pour le cas particulier où trois capteur SENS1, SENS2 et SENS3 sont employés et délivrent des signaux S1, S2 et S3, respectivement. L’approche consiste à (i) détecter l’occurrence d’un événement et (ii) classifier cet événement parmi une liste de classes d’événements préparée à l’avance. La classification est prise en charge par le calculateur CALC de la , qui comprend un réseau de neurones qui a été préalablement entraîné à classifier des événements en fonction du profil des signaux délivrés par les capteurs.
  • II.1 Détection et isolation d’un évènement
  • Avant même d’envisager la classification d’un évènement, considéré ici comme résultant d’une action délibérée de l’utilisateur sur l’anneau en vue de générer un signal de contrôle d’un appareil extérieur, il convient de détecter et d’isoler cet évènement dans un flux continu de signaux générés par les capteurs en réponse, ou non, à une action délibérée de l’utilisateur.
  • La est un graphique représentant l’évolution temporelle de la somme Var des variances sur une fenêtre glissante des trois signaux S1, S2 et S3 sous la forme d’une courbe : l’axe des abscisses représente le temps et l’axe des ordonnées l’amplitude de la somme des variances. Dans le cas présent, les signaux et la somme de leurs variances sont représentatifs d’une déformation de l’anneau en réponse à une action de serrage double, c’est-à-dire deux actions de serrage bref de l’anneau rapprochées dans le temps, effectuées par exemple de la main droite d’un utilisateur portant l’anneau sur sa main gauche. Chaque pic P1 et P2 de la courbe est représentatif d’une action de serrage individuelle.
  • Le graphique indique deux valeurs seuil de variance : VS et VE, qui peuvent être identiques ou différentes. Ici, VS est supérieure à VE, mais VS pourrait être inférieure à VE.
  • Le premier seuil de variance VS est utilisé pour déterminer le début de l’évènement : lorsque la courbe Var atteint puis dépasse la valeur seuil VS, on considère qu’un évènement a déjà démarré. Le temps T0 indique le moment d’atteinte du seuil VS par la courbe. On considère que l’évènement a démarré à un temps TS = T0-dTS, dTS représentant une durée de sécurité déterminée par le praticien afin d’inclure une partie de la courbe d’amplitude inférieure à la valeur de seuil VS, mais qui peut être significative pour la classification de l’événement.
  • Symétriquement, le deuxième seuil de variance VE est utilisé pour déterminer la fin de l’évènement : lorsque la courbe Var repasse sous la valeur seuil VE, on considère que l’évènement se termine. Le temps T2 indique le moment d’atteinte du seuil VE par la courbe. On considère que l’évènement se termine à un temps TE = T0+dTE à la condition que la courbe reste sous la valeur de seuil pour une durée dTE, dTE représentant une durée de sécurité déterminée par la praticien afin d’inclure une partie de la courbe d’amplitude inférieure à la valeur de seuil VE, mais qui peut être significative pour la classification de l’événement, et qui permet également d’inclure dans un même événement deux parties d’une courbe Var séparées par une portion de courbe d’amplitude inférieure au seuil VE.
  • Ainsi, dans le cas où la courbe passe sous la valeur seuil VE, au temps T1 sur la , pour une durée inférieure à la durée dTE, on considère que l’on n’a qu’un événement unique. L’application est ici de considérer un événement constitué d’un serrage double, avec deux pics d’amplitude de variance rapprochés dans le temps mais séparés d’une brève période où la variance de la somme des signaux est faible.
  • Un avantage de choisir VS > VE est de combiner un bon niveau de sélectivité quant à la détection d’une événement, sélectivité conditionnée par une valeur VS relativement haute, avec une prise en compte de l’ensemble de l’événement, prise en compte favorisée par une valeur VE relativement basse.
  • Bien entendu, ce principe s’applique à tout événement comprenant des phases brèves de lâcher de l’anneau, au cours desquelles aucune force mécanique ne s’applique à l’anneau, ou bien une force mécanique trop faible pour que la courbe de la somme des variances des signaux dépasse le seuil VE.
  • D’un point de vue pratique, les signaux des capteurs peuvent être gardés dans une mémoire tampon, éventuellement une partie de la mémoire MEM, pour une durée au moins égale à dTS, puis, en cas de détection de l’occurrence d’un événement, les signaux générés par les capteurs du début à la fin de l’événement peuvent être stockés dans la mémoire MEM en vue de leur traitement. La largeur de la fenêtre de calcul de la variance, dTS et dTE peuvent prendre des valeurs identiques ou distinctes ajustables par le praticien, 50 ms par exemple.
  • En procédant comme expliquée ci-dessus, les temps de début et de fin d’un événement sont déterminés à partir des signaux générés par les capteurs.
  • La représente un diagramme synthétisant les explications ci-dessus. Le diagramme représente une étape S00 d’application d’une action par l’utilisateur à un anneau R, provoquant un événement au niveau des signaux de détection S1, S2 et S3 générés par les capteurs intégrés à l’anneau. L’étape S00 de génération des signaux est suivi d’une étape S10 de détermination des temps de début Start et de fin End de l’événement, cette étape comprenant les étapes S12, S14, 16 et S18.
  • A une étape S12, les variances Var1, Var2 et Var3 des trois signaux S1, S2 et S3 générés respectivement par les trois capteurs Sens1, Sens2 et Sens3 sont calculées sur une fenêtre glissante.
  • A une étape S14, les variances sont sommées pour donner la variance sommée Var illustrée par la .
  • A une étape S16, Le calculateur détermine que la variance sommée Var dépasse un seuil donné et génère une commande Trig de déclenchement de l’enregistrement en mémoire MEM des signaux des capteurs. L’enregistrement de données prédatant la génération de la commande Trig peut être obtenu par l’emploi d’une mémoire tampon enregistrant les données selon une fenêtre glissante. L’étape 16 également servir à sortir d’une phase de veille des parties du module d’acquisition, de manière similaire à l’étape de test Bl1-15 écrite plus haut en relation avec l’algorithme de la .
  • A une étape S18, le calculateur détermine que l’événement a pris fin, et renvoie les temps du début Start et de la fin End de cet événement.
  • II.2 Actions à détecter
  • Préparer un programme d’entraînement d’un réseau de neurones implique de lister au préalable les classes dans lesquelles ce réseau aura pour tâche de classifier des données qui lui seront soumises.
  • Le tableau Tab. 1 ci-dessous liste des types d’action qu’il peut être intéressant d’identifier à partir des données enregistrées des événements de déformation de l’anneau.
    Action Description Direction Variantes
    Squeeze Serrer l'anneau entre deux doigts   Simple, Double, Triple
    Court, Long
    3 Fingers
    squeeze    		 Serrer l'anneau entre trois doigts   Simple, Double, Triple
    Court, Long
    Lat Squeeze Serre l'anneau pris entre deux doigts selon son axe de révolution   Simple, Double, Triple
    Court, Long
    Rot Faire tourner l'anneau Positive, Négative Courte, Longue,
    Petite, Grande
    Rapide, Lent
    Touch Toucher de l'anneau porté avec un doigt   Simple, Double, Triple
    Court, Long
    Toc Taper une surface avec un doigt portant l'anneau   Simple, Double, Triple
    Ring Toc Taper une surface directement avec l'anneau   Simple, Double, Triple
    Slide Appliquer une pression sur un point se déplaçant sur l’anneau autour du doigt Positive, Négative Rapide, Lent
    Surf Slide Faire glisser l'anneau posé sur une surface Droite, Gauche Rapide, Lent
    Haut, Bas Court, Long
    Swipe Faire glisser un doigt sur l'anneau selon une direction parallèle au doigt portant l’anneau Droite, gauche  
    Hand Closure Fermer la main avec l'anneau sur un doigt   Simple, Double, Triple
    Doigt seulement
    Finger Snap Claquement de doigt    
    Trash      
  • Tab. 1
  • L’action « Squeeze » SQ correspond à un serrage radial de l’anneau entre deux doigts, comme illustré en (B) de la .
  • L’action « 3 Fingers Squeeze » 3FS correspond à un serrage radial de l’anneau entre trois doigts, comme illustré en (B) de la .
  • L’action « Lat Squeeze » LS correspond à un serrage de l’anneau R entre deux doigts F1 et F2 qui appliquent des forces F selon une direction parallèle à son axe de révolution, comme illustré en (C) de la .
  • L’action « Rot » ROT correspond à une rotation de l’anneau autour du doigt le portant, comme illustré en (C) de la . Pour repérer le sens de la rotation, on considère que, lorsque observa l’anneau avec l’axe orienté Ax dirigé vers l’observateur, le sens trigonométrique, c’est-à-dire le sens inverse de rotation des aiguilles d’une montre, est le sens positif de rotation.
  • L’action « Touch » TCH correspond à l’appui d’un doigt F1 d’une main de l’utilisateur exerçant une force F sur l’anneau R porté autour d’un doigt de l’autre main de l’utilisateur, comme illustré en (A) de la .
  • L’action « Toc » correspond à la frappe d’une surface rigide avec un doigt portant l’anneau.
  • L’action « Ring Toc » correspond à la tape d’une surface rigide directement par l’anneau porté autour d’un doigt.
  • L’action « Slide » SL correspond à une force F centripète radiale appliquée au moins partiellement vers l’intérieur de l’anneau R au niveau d’un point P se déplaçant sur la périphérie de l’anneau selon une trajectoire Traj de manière à tourner autour du doigt F6 portant l’anneau, comme illustré en (D) de la .
  • L’action « Surf Slide » SS correspond au glissement de l’anneau R posé sur une surface rigide Surf, telle que le plateau d’une table, par exemple selon quatre directions Left, Right, Up and Down parallèles à la surface rigide, opposées deux à deux, les direction Left et Right étant normales aux directions Up et Down, comme illustré en (E) de la .
  • L’action « Swipe » SW correspond à un frottement de l’anneau selon une direction parallèle au doigt portant l’anneau. Cette situation peut se décrire comme le déplacement d’un point d’application d’une force F centripète à l’anneau et/ou au doigt le portant selon une trajectoire Traj sensiblement parallèle à l’axe Ax de révolution de l’anneau, comme illustré en (F) de la .
  • L’action « Hand closure » correspond à la formation d’un poing avec une main dont un doigt porte l’anneau. Alternativement, seul le doigt portant l’anneau peut être plié. L’anneau est déformé par l’expansion du doigt le portant en raison de la contraction musculaire de ce dernier, qui se traduit par une force centrifuge s’appliquant de l’intérieur de l’anneau vers l’extérieur.
  • L’action « finger snap » correspond à un claquement du doigt portant l’anneau.
  • L’action « Trash » correspond à des actions de l’utilisateur non liées à la volonté d’exécution d’une commande par l’appareil externe : il peut par exemple s’agir d’un geste tel que la saisie d’un stylo ou d’une tasse. Ces actions peuvent être considérées comme des actions parasites dont il ne faut pas tenir compte pour le contrôle de l’appareil extérieur, et les événements qu’elles génèrent involontairement peuvent être classifiés comme tels de manière à ne pas entraîner la génération de signaux de contrôle par le calculateur CALC.
  • Certaines des actions listées ci-dessus peuvent présenter des directions ou sens caractéristiques et/ou des variations.
  • Les actions Slide et Rot, impliquant un déplacement angulaire autour de l’axe de révolution de l’anneau, peuvent s’appliquer dans le sens trigonométrique (direction positive) ou dans le sens opposé (direction négative).
  • L’action Rot peut avoir deux variantes : Petite et Grande, qui se caractérisent par l’amplitude angulaire α de la rotation imposée à l’anneau, illustrée par la . On pourra considérer par exemple qu’une rotation d’un angle α compris dans un intervalle angulaire compris entre 20° et 40° est une rotation de petite amplitude, donc correspondant à la variante Petite. De même, on pourra considérer par exemple qu’une rotation d’un angle α supérieur à la borne supérieure (40°) de l’intervalle angulaire, par exemple supérieur à 90°, est une rotation de grande amplitude, donc correspondant à la variante Grande.
  • Les actions Swipe et Surf Slide peuvent s’effectuer par un déplacement (d’un doigt appliquant une pression pour slide ou de l’anneau lui-même pour Surf Slide) allant de la gauche vers la droite (direction droite) ou de la droite vers la gauche (direction gauche), du point de vue de l’utilisateur.
  • L’action Surf Slide peut s’effectuer dans une direction arbitraire, mais les directions droite et gauche décrites ci-dessus et les directions vers l’avent (Up) et vers l’arrière (Down) peuvent être considérées en premier lieu.
  • Les actions Slide, Surf Slide et Rot peuvent présenter respectivement des vitesses de déplacement d’un doigt sur l’anneau, de l’anneau sur une surface, ou de rotation plus ou moins élevées, correspondant à des déplacements relativement lents ou relativement rapide correspondant respectivement à des variantes Lent et Rapide.
  • En outre, à l’exception des action intrinsèquement brèves (Toc, Ring Toc, Swipe, Finger Snap), chacune des actions du tableau peut avoir une durée relativement courte ou une durée relativement longue. Ces durées peuvent être illustrées par exemple au moyen des variances des événements correspondants, comme illustré par les graphiques en (A) et en (C) de la (on peut se reporter aux explications concernant le graphique de la ). Une action courte correspond à une amplitude de force appliquée présentant un pic et génèrera donc seulement un pic de la variance Var comme en (A) alors qu’une action longue génèrera une variance restant d’amplitude relativement importante sur une certaine durée avant de retomber proche de zéro à la fin de l’événement, illustrée en (C) par un plateau.
  • Aussi, les actions Touch, Toc, Ring Toc, Squeeze, 3 Fingers Squeeze, Lat Squeeze, Click et Hand Closure peuvent être répétées au cours d’un même événement (voir l’exemple de la qui représente une action double), créant ainsi des variantes de l’événement de base, comme illustré en (A), (B) et (D) de la (on peut se reporter aux explications concernant le graphique de la ). Une, deux et trois occurrence d’une action de base correspondent respectivement aux variantes Simple, Double et Triple de cette action, par exemple répéter trois fois en succession rapide l’action Toc correspond à la variante Triple de cette action Toc.
  • Les courbes des figures 20 et 26 sont bien entendues des courbes simplifiées en vue d’expliquer le principe. Des courbes obtenues au cours de mesures réelles auront en général des profils bien moins réguliers, ou mêmes très irréguliers.
  • Bien entendu, chaque action, direction d’action et variante d’action peut être associée à un signal de contrôle respectif à destination d’un appareil extérieur à contrôler au moyen de l’interface homme-machine constituée par l’anneau R. Une grande vitesse ou une grande amplitude d’une action peuvent être utilisées pour effectuer pour générer une commande d’un signal de contrôle de même type que la même action présentant une amplitude ou une vitesse plus faible, ou bien une commande d’un autre type.
  • Un premier exemple applicatif est la navigation au sein d’un menu déroulant d’une interface informatique au moyen d’action de rotations. Une rotation Rot de faible amplitude peut permettre de passer à un élément du menu immédiatement adjacent avant ou après l’élément courant, selon le sens de rotation, alors qu’une rotation de forte amplitude fera passer à un élément du menu plus éloigné.
  • Un second exemple applicatif, toujours concernant les rotations, est celui de l’écoute d’un morceau de musique dans une liste. Une rotation de faible amplitude pourra être associée au contrôle du volume tandis qu’une rotation de forte amplitude pourra être associée au choix du morceau de la liste à lire : morceau de la liste suivant ou précédant le morceau en cours de lecture, selon les sens de la rotation.
  • Parmi les actions détaillés ci-dessus, certaines vont avoir tendance à déformer globalement l’élément annulaire, c’est particulièrement le cas des actions dites « globales » de serrage, de rotation et de fermeture d’une main ou d’un doigt portant l’anneau. La détection de ces actions par les capteurs répartis sur l’élément annulaire sera particulièrement efficace.
  • D’autres action vont avoir tendance à déformer l’élément annulaire plus localement, moins globalement que les actions listées au paragraphe précédent, comme par exemple les actions dites « locales » de toucher, de pression, de tape, et de glissement. Cependant, la détection de ces actions locales reste possible, et ce avec le même système de capteur que pour les actions globales, ce qui permet une intégration et une simplification accrues du capteur et de l’interface homme-machine décrits dans le présent document.
  • Bien entendu, il reste possible de combiner (i) l’ensemble de capteur décrit ici afin de détecter des actions globales et (ii) des capteurs de contacts (piézoélectriques, capacitifs ou autres) ou des boutions d’actionnement afin de générer des signaux de contrôle sensibles à des déformations globales de l’anneau, des actions locales sur celui-ci, et/ou à des combinaisons de celles-ci.
  • II.3 Entraînement du réseau de neurones
  • L’entraînement du réseau de neurones consiste à lui fournir, au cours d’une phase d’apprentissage, un ensemble de données d’entraînement correspondant à des événements de classes identifiées, les classes étant transmises au réseau de neurones associées aux données correspondantes. Sur la base des données et des associations fournies, le réseau de neurones « apprend » alors à reconnaître les événements et à les associer chacun à une classe donnée, qui correspondent à une action de l’utilisateur sur l’anneau. Idéalement, chaque action de l’utilisateur sur l’anneau correspond de manière univoque à une classe d’événements particulière qui peut être déterminée à partir des signaux générés par les capteurs et enregistré dans la mémoire.
  • Une fois définies les actions générant les événements que le réseau de neurone doit être capable de traiter et classifier, il est nécessaire de produire les données d’entraînement correspondantes. Les actions peuvent être choisies dans le tableau Tab. 1 présenté plus haut. Une solution pour produire les données d’entraînement des actions choisies est d’utiliser l’anneau en lui appliquant ces actions et d’enregistrer les événements générés en réponse.
  • Les données d’entraînement peuvent ainsi être obtenues en enregistrant les signaux générés par les capteurs pour, par exemple, 100 répétitions d’un événement de déformation de l’anneau provoqué par une action donnée de l’utilisateur, et effectuer cette opération pour chaque type d’action à identifier.
  • Les étapes S00, S10, S20 et S30 du diagramme de la peuvent servir à illustrer ce processus de production des données d’entraînement.
  • A l’étape S10, détaillée plus haut, le calculateur CALC détermine le début et la fin d’un événement défini par les signaux S1, S2 et S3 générés en réponse à une action de l’utilisateur de l’anneau à l’étape S00.
  • A une étape S20, les signaux générés pendant la durée de l’événement sont échantillonnés et enregistrés dans la mémoire MEM au cours d’une opération d’enregistrement Rec. Il est préférable qu’un même nombre de mesures soit associé à chaque événement détecté. Si, par exemple, l’échantillonnage des signaux de mesures se fait à la fréquence de 100 Hz et qu’on fixe le nombre d’échantillons de chacun des signaux S1, S2 et S3 à 100 pour un événement donné, on enregistre les signaux pour une durée d’une seconde. Si l’événement dure moins d’une seconde, on complète les données avec des zéros pour maintenir le nombre de 100 échantillons.
  • A une étape S30, les données enregistrées sont de préférence normalisées par un conditionnement Cond mis en œuvre par l’unité de calcul : on peut retrancher à chaque échantillon d’un signal l’amplitude de ce signal moyennée sur la durée de l’événement, puis on peut diviser le résultat par la variance du signal pendant l’événement.
  • Ce conditionnement des données permet d’avoir des jeux de données selon un même format, facilitant leurs traitements et leurs classifications au moyen du réseau de neurones. Dans cet exemple, chaque événement est associé à une matrice de 3x100 échantillons.
  • Le conditionnement des données peut être adapté au nombre de capteurs, à l’utilisation de l’anneau qui peut influer sur la longueur des événements à enregistrer, au taux d’échantillonnage souhaité, ou encore à la capacité de traitement par le calculateur intégré à l’anneau.
  • Les étapes S00 à S30 sont répétés jusqu’à obtention d’enregistrements d’événements en nombre et en diversité considérés suffisants par le praticien.
  • Les données enregistrées sont ici les données d’entraînement du réseau de neurones : à chaque enregistrement de données est associée l’action correspondante. On peut utiliser une partie des données pour l’entraînement proprement dit, et une autre partie à la validation de l’entrainement, on parlera pour ces dernières de données de validation.
  • L’entraînement du réseau de neurones consiste, de manière conventionnelle, à fournir en entrée du réseau de neurone les données d’entraînement et les résultats attendus, la classe de chaque événement des données d’entraînement. A la fin de la phase d’entraînement, le traitement des données par le réseau de neurone est censé être suffisamment fiable pour qu’il soit utilisé en conditions réelles. Le niveau de fiabilité est estimé grâce aux données de validation, qui permettent de tester les performances du réseau.
  • Les tableaux des figures 23 et 24 illustrent les résultats de l’entraînement d’un réseau de neurones. Pour chacun de ces exemples, un réseau de neurone a été entraîné à classifier des événements dans un certain nombre de classes correspondant à des actions données de l’utilisateur. A la suite de l’entraînement, un test a été effectué, le tableau permettant une comparaison entre les classifications opérées par le réseau de neurone et les classes, connues, des données de validations. Les données d’entraînement et de validation consistaient en quelques dizaines d’enregistrements de chaque action qui ont été collectés auprès d’une dizaine d’utilisateurs différents.
  • Le tableau de la montre les résultats de test de la classification pour les actions suivantes : Touch, Toc, Squeeze, Slide_pos et Slide_neg (actions Slide dans une direction positive et une direction négative opposée, respectivement), Rot_pos et Rot_neg (actions Rot dans le sens trigonométrique et dans le sens opposé, respectivement), Surf_slide_rl et Surf_slide_lr (actions Surf Slide vers la gauche et vers la droite, respectivement), et Swipe_rl et Swipe_lr (action Swipe vers la gauche et vers la droite, respectivement).
  • Le tableau de la montre les résultats de test de la classification pour les actions suivantes : Single_squeeze et Double_squeeze (occurrence et deux occurrences de l’action Squeeze au cours d’un événement, respectivement), Rot_neg_small et Rot_neg_large (actions Rot dans le sens opposé au sens trigonométrique pour des rotations de petite amplitude et de grande amplitude, respectivement), Rot_pos_small et Rot_pos_large (actions Rot dans le sens trigonométrique pour des rotations de petite amplitude et de grande amplitude, respectivement), et Trash.
  • Les lignes des tableaux correspondent aux véritables classes (connues) des données de validation et les colonnes aux classifications de ces données par le réseau de neurones. Dans un cas idéal, la diagonale principale des tableaux comprendrait uniquement des « 1 » et les autres cases ne comprendraient que des « 0 ». Les résultats préliminaires montrent une fiabilité de la classification de 86% et 91% respectivement pour les tableaux des figures 23 et 24. Ces scores valident largement la pertinence de cette approche pour déterminer les actions de l’utilisateur sur l’anneau à partir des signaux de mesure des capteurs.
  • II.4 Classification d’événements par le réseau de neurones
  • Une fois le réseau de neurone entraîné, il peut être utilisé pour une utilisation pratique de l’interface homme-machine sous forme d’anneau illustré par exemple par la .
  • La est un diagramme synthétisant le précédé de contrôle d’un appareil extérieur APP au moyen de l’anneau R.
  • Les étapes S00 à S30 se déroulent de la même manière que pour la production des données d’entraînements de la section précédente.
  • A la suite du conditionnement des données à l’étape S30, les données conditionnées associé à un événement sont fournies en entrée du réseau de neurones du calculateur CALC, qui opère une classification Class de l’événement à une étape S40, ce qui permet de déterminer le type d’action ayant engendré cet événement et générer un signal SClass représentatif de la classe de l’événement et du type d’action l’ayant engendré. Chaque signal SClass peut être considéré comme un signal de détection d’une action appliquée à l’élément annulaire, plus spécifiquement d’une action mécanique entraînant une déformation globale de l’élément annulaire. Le réseau de neurone détermine au cours de cette étape à quelle classe appartient l’événement. L’étape S40 peut être considérée comme une étape de détection d’un événement particulier, et le signal SClass est également un signal de détection d’un événement donné et donc de l’action l’ayant engendré.
  • A une étape S50, le calculateur CALC du module d’acquisition ACQ génère un signal SCon de contrôle Con en réponse au signal SClass et donc à la classification des données par le réseau de neurone. Cette opération peut être effectuée par exemple en recherchant dans une table une commande associée à la classe de l’événement, contenue dans le signal de contrôle. Alternativement, le signal SClass, peut être utilisé en tant que signal SCon. Le signal SCon peut être envoyé à l’appareil extérieur APP par l’intermédiaire du module de communication Com.
  • Un avantage de l’emploi d’un réseau de neurones est que l’utilisateur, à condition de procéder à un apprentissage de ce réseau, pourra adapter la réponse de l’interface à sa gestuelle propre, et pourra même ajouter de nouvelles classes de détection au « vocabulaire » compris par l’interface. Ainsi, à la différence de l’option I analytique, tout type d’action appliquée à l’anneau et menant à des événements reproductibles dans les signaux de mesure de déformation de l’élément annulaire peut être employé pour contrôler l’appareil extérieur. Un utilisateur pourrait ainsi « éduquer » l’anneau R à reconnaître une manipulation donnée de l’anneau, indépendamment du fait que cette manipulation ait été ou non envisagée par son concepteur.
  • III. Capteurs de déformation de type piézoélectrique
  • Les capteurs de déformation permettent d’estimer la déformation de surface que subit un élément d’un système mécanique quelconque lorsqu’il est soumis à des efforts extérieurs (force et moments de force qui lui sont appliqué par des éléments extérieurs).
  • Un capteur particulièrement adapté à l’interface homme-machine sous forme d’anneau décrite plus haut est un élément mince piézoélectrique monocristallin se présentant sous forme d’une plaque s’étendant dans un plan d’extension défini par une première direction et une seconde direction normale à la première direction, de dimensions dans la première direction et la seconde direction chacune supérieures à 100 µm et d’épaisseur inférieure à 50 µm, un rapport de l’épaisseur sur la dimension dans la première direction ou la dimension dans la seconde direction étant inférieur à 0,1. L’élément piézoélectrique peut présenter une première sensibilité Sx à la déformation selon la première direction et une seconde sensibilité Sy à la déformation selon la seconde direction, une orientation cristalline de l’élément pouvant être telle que abs(Sy/Sx) < 0,1, correspondant à une sensibilité dite « unidirectionnelle », abs((Sy+Sx)/Sx) < 0,1, correspondant à une sensibilité dite « bidirectionnelle », ou pour au moins deux premières directions du plan d’extension faisant entre elles un angle comprise entre 30° et 60°, abs((Sx-Sy)/Sx) < 0,1, correspondant à une sensibilité dite « omnidirectionnelle ».
  • Un tel élément mince piézoélectrique est apte à former la base d’un capteur de déformation passif, qui peut combiner précision, sensibilité, conformabilité, souplesse, légèreté, stabilité, linéarité, directivité et applicabilité à de larges gammes de déformations, comme décrit en détail dans la demande de brevet français FR2303635.
  • Ainsi, cet élément piézoélectrique permet de mesurer des déformations supérieures à 5000 micromètres par mètre avec une résolution de l’ordre de 1 nanomètre de déformation par mètre. Ces chiffrent se comparent avec ceux des jauges résistives conventionnelles qui permettent de mesurer des déformations allant jusqu’à 12000 micromètres par mètre mais avec une résolution bien plus faible, de l’ordre de 1 micromètre de déformation par mètre, ou avec ceux des jauges piézoélectriques en boîtier qui ne sont capables de mesurer que des déformations limitées à environ 300 micromètres par mètre avec une résolution de 1 nanomètre par mètre.
  • Cet élément mince piézoélectrique peut être muni d’une paire de couches électriquement conductrices situées respectivement sur deux faces opposées de l’élément mince piézoélectrique.
  • Un capteur de déformation peut comprendre au moins un élément mince piézoélectrique tel que décrit ci-dessus, situé sur une feuille souple.
  • Selon des caractéristiques additionnelles, considérées individuellement ou selon toute combinaison techniquement réalisable :
  • - le au moins un élément mince piézoélectrique peut être encapsulé entre la feuille souple et une autre feuille souple ;
  • - le capteur peut comprendre au moins un amplificateur de charge connecté à l’au moins un élément mince piézoélectrique ;
  • - l’au moins un amplificateur de charge peut être intégré sur la feuille souple ;
  • - le capteur peut comprendre une pluralité d’éléments minces piézoélectriques comme décrits ci-dessus, orientés selon des directions différentes présentant au moins 30° d’écart entre elles ;
  • - le capteur peut comprendre un premier, un second et un troisième éléments minces piézoélectriques, chacun présentant la caractéristique abs(Sy/Sx) < 0,1, la première direction du second élément mince piézoélectrique pouvant faire un angle de 90° avec la première direction du premier élément mince piézoélectrique, la première direction du troisième élément mince piézoélectrique pouvant faire un angle de 45° avec la première direction du premier élément mince piézoélectrique ;
  • - le capteur peut comprendre un premier, un second et un troisième éléments minces piézoélectriques, chacun pouvant présenter la caractéristique abs(Sy/Sx) < 0,1, la première direction du second élément mince piézoélectrique pouvant faire un angle de 120° avec la première direction du premier élément mince piézoélectrique, la première direction du troisième élément mince piézoélectrique pouvant faire un angle de 240° avec la première direction du premier élément mince piézoélectrique ;
  • - le capteur peut comprendre une pluralité d’amplificateurs de charge chacun reliés à l’un respectif des éléments piézoélectriques minces ; et
  • - un capteur peut combiner au moins deux capteurs selon l’invention connectés électriquement en parallèle.
  • Chacun des capteurs intégrés à l’anneau R, comme les capteurs Sens1, Sens2 et Sens3, peut être constitué d’un capteur combinant une ou plusieurs des caractéristiques listées ci-dessus.
  • En effet, l’interface homme-machine sous forme d’anneau, équipée de capteurs sensible à la déformation de l’élément annulaire dans son ensemble, peut avantageusement employer des capteurs de déformation ayant comme élément sensible l’élément mince piézoélectrique monocristallin décrit ci-dessus. Ses avantages sont multiples, on peut en particulier citer la sensibilité et, éventuellement si elle est recherchée, la directivité d’un capteur basé sur un tel élément, mais aussi la précision, la conformabilité, la souplesse, la légèreté, l’intégrabilité et des dimensions réduites, la stabilité, la linéarité, la directivité et l’applicabilité à de larges gammes de déformations.
  • L’anneau R bénéficiera en particulier de l’intégrabilité et de la sensibilité de l’élément piézoélectrique mince. La sensibilité permet par exemple de former l’élément annulaire ANN dans des matériaux et des dimensions conventionnelles pour fabriquer des bagues : des sensibilités plus basses imposeraient l’emploi de matériaux plus déformables et/ou plus mince, réduisant leur robustesse et leur confort de portage.
  • En effet, une bague classique, formée de métal, est rigide et se déforme peu sous l’action de forces appliquées par des doigts, (d’ordinaire d’amplitudes inférieures à 10 N. De telles forces génèrent des déformations de l’ordre de 5 µdef, qui sont difficilement mesurables à l’aide de jauges de déformation conventionnelles.
  • Les jauges résistives, par exemple, ont une sensibilité insuffisante pour l’application visée ici. Même si elles étaient montées sur un élément annulaire suffisamment souple pour qu’elles puissent mesurer les déformations provoquées par l’utilisateur, leur consommation électrique les disqualifieraient pour l’application visée. En outre, réduire le bruit des jauges par filtrage pour de garder que les basses fréquences des signaux de mesure induirait un délai rédhibitoire pour une interface de contrôle.
  • Il est préférable d’envisager des capteurs n’ayant qu’une faible consommation d’énergies, voire des capteurs passifs. Les capteurs piézoélectriques répondent à ce critère.
  • Un premier type de capteurs de déformation piézoélectriques est basé sur l’emploi d’un cristal de matériau piézoélectrique de relativement bonne sensibilité à la déformation et stable dans le temps, mais épais et rigide, souvent abrité dans un boîtier métallique dont il est mécaniquement solidaire, ces dernières caractéristiques le rendant difficilement intégrable dans une structure ayant les dimensions de l’anneau R et peu adapté à l’installation sur une surface courbe comme celle de l’élément annulaire ANN.
  • Un second type de capteurs de déformation piézoélectriques est basé sur l’emploi de de structures composites comprenant des barres de PZT (ou titano-zirconates de plomb) situées entre des feuilles de matériaux polymères, ou sur des films piézoélectriques polymères dits « PVDF » pour poly(vinylidene fluoride) en terminologie anglaise.
  • Ces structures sont relativement souples, mais trop instables dans le temps et sensible à la température pour une application telle celles visées pour que l’anneau R, destiné entre autres à être portée autour d’un doigt d’un utilisateur .
  • En revanche, l’élément mince piézoélectrique monocristallin décrit plus haut répond à l’ensemble des critères nécessaire à une bonne intégration à l’anneau et de bonnes fonctionnalités pour celui-ci : dimensions, souplesse et sensibilité. L’intégrabilité de l’élément piézoélectrique (facilité à le placer en contact intime avec une structure de forme arrondie comme l’élément annulaire) est primordiale ici, et sa sensibilité permet de détecter des déformations mêmes simplement appliquées au doigt à un élément annulaire de rigidité comparable à une bague traditionnelle en métal.
  • L’élément piézoélectrique peut être formé de tantalate de lithium LiTaO3 sous forme monocristalline, qui appartient au groupe d’espace 3m, mais aussi de niobate de lithium LiNbO3 (groupe 3m), de niobate de plomb et de magnésium MgNb2(PbO3)3 (groupe P1), de nitrure d’aluminium AlN (groupe P63mc), de titanate de baryum BaTiO3, de niobate de potassium KNbO3 ou de titanate de plomb TiPbO3 (tous trois du groupe P4mm).
    • Capteurs
  • La illustre en (A) une vue en coupe d’un capteur piézoélectrique SENS basé sur un élément mince piézoélectrique PIEZO de plan d’extension choisi pour présenter un comportement particulier, unidirectionnel, omnidirectionnel ou bidirectionnel à une déformation unidirectionnelle qui lui est appliquée dans son plan d’extension. Le comportement en sensibilité de l’élément mince piézoélectrique (unidirectionnel, omnidirectionnel ou bidirectionnel) est transféré au capteur intégrant cet élément mince piézoélectrique. De tels capteurs peuvent être particulièrement adaptés à des situations spécifiques comme illustré par les figures 10 à 12 commentées ci-dessous, mais ils peuvent également être utilisé dans le cadre d’applications plus générales, comme il deviendra apparent par la suite.
  • Afin de bénéficier de la finesse et donc de la souplesse et de la conformabilité de l’élément mince PIEZO, le capteur SENS comprend une feuille SH1 souple sur laquelle est fixé l’élément mince PIEZO. Les feuilles sont préférablement faites de matériaux flexibles choisis en fonction de l’application visée, et peuvent être par exemple constituées de métal, chlorure de polyvinyle (PVC), polyimide (PI), polyéthylène téréphtalate (PET), polyéthylène téréphtalate à orientation biaxiale (Mylar®) ou encore d’un matériau composite de résine époxy et de fibres de verre. L’élément mince PIEZO peut être fixé à la feuille SH1 au moyen d’un adhésif souple tel qu’un film conductif anisotrope (ACF) qui permet en outre une prise de contact électrique comme décrit dans le document de brevet FR 3 122 985. En utilisation, le capteur SENS peut être fixé à une surface à caractériser au moyen d’un adhésif, par exemple une colle cyanoacrylate ou une résine époxy.
  • Outre l’élément mince PIEZO, dans l’exemple de la , un amplificateur de charge C.AMP est également fixé sur la feuille SH1 et fonctionnellement relié à deux couches conductrices EL1 et EL2 jouant le rôle d’électrodes, respectivement formée sur deux faces opposées de l’élément mince PIEZO. L’amplificateur de charge a pour fonction de produire une tension correspondant à la charge appliquée en entrée et qui correspond à la charge générée par l’élément PIEZO au cours de sa déformation, à des fins de traitements électronique du potentiel électrique généré et de procéder à une mesure effective de la déformation de l’élément PIEZO. Bien que non représenté, un élément de connexion filaire, tel qu’un cordon sous forme de nappe, est relié à l’amplificateur de charge pour connecter le capteur à un appareil de mesure extérieur.
  • La illustre en (B) un capteur similaire à celui de la configuration illustrée en (A), mais comportant en outre une seconde feuille SH2, qui peut être de même nature que la feuille SH1, qui permet d’encapsuler l’élément mince PIEZO et amplificateur de charge C.AMP par prise en sandwich entre les feuilles SH1 et SH2.
  • L’élément mince piézoélectrique PIEZO a préférablement une épaisseur inférieure à 50 µm, plus préférablement inférieure à 25 µm, encore plus préférablement inférieure à 10 µm. Si l’on considère un élément piézoélectrique défini comme illustré dans la , un rapport de l’épaisseur de l’élément PIEZO sur sa dimension LX dans une première direction de son plan d’extension, et/ou d’une dimension Ly dans une deuxième dimension de son plan d’extension normale à la direction Lx, est inférieur à 0,1, préférablement inférieur à 0,05, plus préférablement inférieur à 0,01.
  • La feuille SH1 et, le cas échéant, la feuille SH2, peuvent avoir une épaisseur comprise entre 5 et 300 µm.
  • Il est cependant préférable que le capteur piézoélectrique SENS considéré dans son ensemble soit suffisamment souple pour épouser la surface de l’élément annulaire auquel il doit être fixé et capable d’en suivre les déformations. Le praticien pourra décider pour chaque application des caractéristiques de l’élément mince piézoélectrique PIEZO, de son support, et des autres éléments tels que les couches d’électrodes ou les moyens de prise de contacts électriques.
  • La flexibilité de l’élément piézoélectrique mince est avantageusement exploitée pour fixer la totalité de l’une de ses faces en contact intime avec la surface courbe de l’élément annulaire ANN (à travers une électrode et un éventuel film adhésif). De cette manière, cet élément piézoélectrique est solidaire de l’élément annulaire, subit les mêmes déformations que celles que subit l’élément annulaire là où l’élément piézoélectrique est fixé, et sa déformation est donc représentative de celle de l’élément annulaire.
  • La feuille SH1 peut être constituée de ou remplacée par un support flexible tel qu’un circuit imprimé flexible dit « flex PCB », composé de couches de polymère électriquement isolant et de couches de cuivre, permettant de router les signaux entre les différents composants d'un circuit électronique. Chaque ensemble de capteur peut comporter une pluralité d’éléments piézoélectriques PIEZO chacun ayant son propre support, de même que le module d’électronique les contrôlant peut avoir le sien.. Alternativement, un même support flex PCB peut accueillir l’ensemble des éléments PIEZO et du module électronique de contrôle de ces éléments. Encore alternativement, un premier support flex PCB peut être commun à l’ensemble des éléments PIEZO et un second support flex PCB peut être dédié au module électronique de contrôle.
  • Le type exact du ou des capteurs à intégrer à l’élément annulaire ANN dépendront du type d’action à détecter et des contraintes imposées (autonomie, sensibilité…), selon les intentions des concepteurs.
  • L'invention n'est pas limitée au mode de mise en œuvre décrit ci-dessus et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications.
    •

Claims (17)

  1. Ensemble (R) de capteur se présentant sous forme d’un anneau, comprenant :
    - un élément annulaire (ANN) de forme sensiblement cylindrique ;
    - au moins deux capteurs (SENS1, SENS2, SENS3) de déformation montés sur l’élément annulaire à des niveaux d’au moins deux rayons (r1, r2, r3) de celui-ci, respectivement, les deux rayons étant distincts angulairement l’un de l’autre, de manière à ce que les au moins deux capteurs soient sensibles à une déformation globale de l’élément annulaire ; et
    un module électronique (EL) configuré de manière à générer un signal de détection (ROT-, ROT+, Loc, S.Sq, L.Sq, D.Sq, Hit(F), Hit(R), SClass) représentatif de la déformation globale de l’élément annulaire, en réponse à un traitement d’au moins deux signaux (S1, S2, S3) respectivement émis par les au moins deux capteurs (SENS1, SENS2, SENS3) de déformation.
  2. Ensemble (R) de capteur selon la revendication 1, dans lequel l’élément annulaire (ANN) a une structure monolithique.
  3. Ensemble (R) de capteur selon la revendication 2, dans lequel l’élément annulaire (ANN) est formé de métal.
  4. Ensemble (R) de capteur selon l’une quelconque des revendication 1 à 3, dans lequel les au moins deux rayons (r1, r2, r3) distincts sont espacés angulairement entre eux d’un angle compris entre 20° et 160°.
  5. Ensemble (R) de capteur selon l’une quelconque des revendication 1 à 4, dans lequel les au moins deux capteurs (SENS1, SENS2, SENS3) de déformation sont des capteurs de type piézoélectrique.
  6. L’ensemble (R) de capteur selon la revendication 5, dans lequel les au moins deux capteurs (SENS1, SENS2, SENS3) de déformation comprennent au moins un élément mince piézoélectrique (PIEZO) monocristallin se présentant sous forme d’une plaque s’étendant dans un plan d’extension (xy) défini par une première direction (x) et une seconde direction (y) normale à la première direction, de dimensions (LX, LY) dans la première direction et la seconde direction chacune supérieures à 100 µm et d’épaisseur (LZ) inférieure à 50 µm, un rapport de l’épaisseur sur la dimension (LX) dans la première direction ou la dimension (Ly) dans la seconde direction étant inférieur à 0,1.
  7. Interface homme-machine (R) comprenant l’ensemble de capteur selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, le module électronique (EL) étant en outre configuré de manière à générer un signal de contrôle (SCon) d’un appareil (APP) extérieur à l’interface homme-machine (R) en réponse au signal de détection (ROT-, ROT+, Loc, S.Sq, L.Sq, D.Sq, Hit(F), Hit(R), SClass).
  8. Interface homme-machine (R) selon la revendication 7, configurée pour ne maintenir éveillée qu’une première partie du module d’acquisition (ACQ) associée à la détection (Bl1-15) et ne mettre en fonction des secondes parties du module d’acquisition que lorsqu’il est déterminé que des mises en fonction respectives de ces secondes parties sont nécessaires à une analyse des signaux (S1, S2) émis par les au moins deux capteurs (SENS1, SENS2, SENS3) de déformation.
  9. Interface homme-machine (R) selon la revendication 7 ou 8, dans laquelle le module électronique (EL) comprend un calculateur (CALC) configuré pour (i) classifier (S40) des événements représentés par les signaux (S1, S2, S3) émis par les au moins deux capteurs (SENS1, SENS2, SENS3) de déformation et (ii) générer (S50) le signal de contrôle (SCon) d’un appareil (APP) extérieur à l’interface homme-machine (R) en réponse à cette classification.
  10. Interface homme-machine (R) selon l’une quelconque des revendications 7 à 9, dans laquelle le signal de contrôle est représentatif d’au moins une action (S00) choisie parmi un serrage (SQ, 3SQ), un serrage court ou un serrage long de l’élément annulaire (ANN) entre deux doigts (F1, F2) ou entre trois doigts (F1, F2, F3), répété ou non, selon une direction centripète à l’élément annulaire (ANN)  ; un serrage (LS) de l’élément annulaire (ANN), répété ou non, parallèlement à un axe (Ax) de révolution de l’élément annulaire (ANN); une fermeture d’une main dont un doigt porte l’élément annulaire (ANN) ou la fermeture d’un doigt portant l’élément annulaire (ANN) ;  et une rotation (ROT) de l’élément annulaire (ANN) entre deux doigts (F1, F2) d’une première amplitude (α) appartenant à un intervalle angulaire ou d’une seconde amplitude supérieure à une borne supérieure de l’intervalle angulaire.
  11. Interface homme-machine (R) selon l’une quelconque des revendications 7 à 9, dans laquelle le signal de contrôle (SCon) est représentatif d’au moins une action (S00) choisie parmi un toucher (TCH) de l’élément annulaire (ANN) par un doigt (F1) ; une tape d’une surface par un doigt portant l’élément annulaire (ANN) ; une tape d’une surface directement avec l’élément annulaire (ANN) ; l’application (SL) d’une pression sur l’élément annulaire (ANN) en un point se déplaçant sur l’élément annulaire (ANN) autour d’un doigt (F6) portant l’élément annulaire (ANN) ; un glissement (SS) de l’élément annulaire (ANN) sur une surface (Surf), un glissement d’un doigt d’une première main sur l’élément annulaire (ANN) selon une direction parallèle à un doigt d’une seconde main portant l’élément annulaire (ANN) ; une localisation de l’une quelconque des actions précédentes ; et un claquement d’une doigt portant l’élément annulaire (ANN).
  12. Interface homme-machine (R) selon l’une quelconque des revendications 7 à 11, dans laquelle le module d’acquisition est configuré pour :
    - détecter (Bl2-35, Bl2-45, S40) une rotation (Rot, Rot_pos, Rot_neg, Rot_pos_small, Rot_pos_large, Rot_neg_small, Rot_neg_large) de l’élément annulaire sur la base des signaux (S1, S2) émis par les au moins deux capteurs (SENS1, SENS2, SENS3) de déformation ; et
    - en réponse à l’étape de détection, générer un signal (ROT-, ROT+, SClass) représentatif de l’occurrence d’une rotation de l’élément annulaire (ANN).
  13. Interface homme-machine (R) selon la revendication 12, dans laquelle le signal (ROT-, ROT+) est représentatif d’une rotation ayant dépassé une valeur angulaire incrémentale (-ThrAng, ThrAng).
  14. Interface homme-machine (R) selon l’une quelconque des revendications 7 à 13, comprenant en outre un module (COM) de transmission sans fil configuré pour transmettre des signaux générés par le module (ACQ) d’acquisition à l’appareil (APP) extérieur et une source d’alimentation (BAT) en énergie électrique du module (COM) de transmission sans fil et du module (ACQ) d’acquisition.
  15. Interface homme-machine (R) selon l’une quelconque des revendications 7 à 14, comprenant en outre un dispositif (FB) de retour d’information configuré pour signaler à un utilisateur une génération d’un signal de détection (ROT-, ROT+, Hit(R), Hit(R), Loc, S.Sq, L.Sq, D.Sq, SClass) par le module d’acquisition (ACQ).
  16. Interface homme-machine (R) selon l’une quelconque des revendications 7 à 15, configurée pour être enfilée sur une partie (F6) d’un utilisateur ou une tige (RD) d’un dispositif de contrôle de l’appareil (APP) extérieur.
  17. Kit comprenant une interface homme-machine (R) selon l’une quelconques des revendications 7 à 16 ainsi qu’un appareil (APP) extérieur configuré pour être contrôlé au moyen de l’interface homme-machine (R).
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