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WO2018185658A1 - Dispositif générateur dynamique et système de réalité virtuelle l'incorporant - Google Patents

Dispositif générateur dynamique et système de réalité virtuelle l'incorporant Download PDF

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Publication number
WO2018185658A1
WO2018185658A1 PCT/IB2018/052295 IB2018052295W WO2018185658A1 WO 2018185658 A1 WO2018185658 A1 WO 2018185658A1 IB 2018052295 W IB2018052295 W IB 2018052295W WO 2018185658 A1 WO2018185658 A1 WO 2018185658A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
nacelle
rotation
axes
axis
drive means
Prior art date
Application number
PCT/IB2018/052295
Other languages
English (en)
Inventor
Philippe LOUBENS
Antoine FAUTRAD
Original Assignee
Eurmeka
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Eurmeka filed Critical Eurmeka
Priority to EP18723595.7A priority Critical patent/EP3607540A1/fr
Publication of WO2018185658A1 publication Critical patent/WO2018185658A1/fr

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    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
    • G09B9/00—Simulators for teaching or training purposes
    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
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    • G09B9/02—Simulators for teaching or training purposes for teaching control of vehicles or other craft
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    • G09B9/12—Motion systems for aircraft simulators

Definitions

  • the present invention generally relates to dynamic reality generators or kinetic simulators for enriching the user experience in virtual or augmented reality systems.
  • dynamic reality consists, for a user interacting by means of a visual medium in the video environment in which he is immersed, to increase the realism of his immersion by the proprioception, that is to say the perception, conscious or not, of the positions and movements of the different parts of his body.
  • This perception is produced by the physical effects of a generator enslaved by the virtual accelerations of the program.
  • a dynamic reality generator is constituted by a mechatronic device comprising a moving mobile platform, relative to a fixed reference, by at least one actuator controlling the inclination of the platform according to the simulated acceleration. It is associated with a moving image viewing means designed to hide from the view of the user any object in the external repository.
  • WO93 / 24916 A1 describes such a generator.
  • a dynamic generator device for a virtual reality system comprising a movable nacelle carrying a seat and mounted on a fixed structure, driving means for tilting the nacelle according to at least two axes of rotation, the two axes passing near the head of a user when installed in the seat, and control means of the drive means according to the desired dynamic effects.
  • This device optionally comprises the following additional features, taken individually or in any combination that the person skilled in the art will apprehend as being technically compatible:
  • the nacelle is suspended at a center of rotation of the nacelle according to at least one axis.
  • the two axes of rotation have a point of intersection, the nacelle being suspended at the center of rotation common to both axes.
  • the nacelle is rigidly connected to a plate, and the drive means are adapted to move individually three points of the plate located at the three corners of a triangle.
  • the drive means comprise three variable geometry arms connected to the three points of the plate.
  • the nacelle is rigidly connected to a lever arm by which the nacelle is suspended at a suspension point, and the drive means are able to move in translation in two directions a point of the lever arm individually three points of the plate located at the three vertices of a triangle. the drive means are fixed in a lower region of the nacelle.
  • the drive means comprise a carriage controlled according to two orthogonal directions of sliding by motors.
  • the drive means comprise two arcuate rolling tracks centered on the respective axes of rotation, integral with a fixed frame of the device.
  • the drive means further comprise two wheels with a low coefficient of friction, applied with effort against the respective tracks.
  • the nacelle is suspended at a pivot defining one of the axes of rotation, said pivot being mounted on a structure rotating about the other axis of rotation.
  • the nacelle is able to slide on a cradle forming a slide located in a circular arc centered on one of the axes of rotation, said cradle being adapted to rotate along the other axis of rotation.
  • the nacelle is adapted both to be inclined along the two axes of rotation and to be translated in at least one of the two axes.
  • the device comprises a first arm articulated on a fixed frame along a first axis, an intermediate connecting element articulated on the first arm along an axis parallel to the first axis, and a second arm articulated on said intermediate connecting element along a second axis , the nacelle being articulated on the second arm to be rotatable about an axis parallel to this second axis, the drive means acting in rotation at said joints.
  • each arm has a transmission means between its two joints along parallel axes.
  • the device also comprises means for driving the nacelle in translation along at least one of the two axes of rotation.
  • Platinum is constituted by a base of the nacelle.
  • variable geometry arms comprise feet consisting of motorized compasses, and the drive means are also suitable for order a rotation at the attachment of each foot to the base of the nacelle.
  • control means are adapted to cause an action of the drive means such that the dynamic acceleration decreases by the same amount of the increase of the gravitational acceleration.
  • Gdyn is dynamic acceleration
  • G.sinQ is the gravitational acceleration resulting from the inclination of the nacelle.
  • the drive means of the control means are adapted to selectively generate an acceleration mode by translation or an acceleration mode by tilting, or a combined acceleration mode. combination of both.
  • the drive means of the control means is responsive to the nacelle inclination threshold for varying the acceleration mode.
  • a dynamic virtual reality system comprising in combination a dynamic generator device as defined above, a virtual reality headset, and a central unit able to apply visual reproduction signals to the headphones and to apply them.
  • the kinematic generator of the control signals associated with the visual reproduction comprising in combination a dynamic generator device as defined above, a virtual reality headset, and a central unit able to apply visual reproduction signals to the headphones and to apply them.
  • FIGS. 1A to 1C are schematic diagrams illustrating the kinematics of a dynamic generator device
  • FIG. 2A is a perspective view of a dynamic generator device
  • FIG. 2B is a diagram of the possible freedom of movement of the device of FIG. 2A
  • FIG. 3A is a perspective view of another dynamic generator device
  • FIG. 3B is a diagram of the possible freedom of movement of the device of FIG. 3A.
  • FIG. 4A is a perspective view of another dynamic generator device
  • FIG. 4B is a diagram of the possible freedom of movement of the device of FIG. 4A.
  • FIG. 5A is a schematic perspective view of another dynamic generator device
  • FIG. 5B is a diagram of the possible freedom of movement of the device of FIG. 5A.
  • FIG. 5C is a schematic side view of the device of FIG. 5A.
  • FIG. 5D is a schematic side view of the device with an example of dressing
  • FIG. 5E is a perspective view from below of the device of FIGS. 5A, 5C and 5D,
  • FIG. 5F is a perspective view of a first detail of the device of FIGS. 5A, 5C, 5D and 5E,
  • FIG. 5G is a perspective view of a second detail of the device of FIGS. 5A, 5C, 5D and 5E,
  • FIG. 6A is a perspective view of the framework of a device according to a variant of that of FIGS. 5A to 5G
  • FIG. 6B is a perspective view of the device of FIG. 6A once equipped
  • FIG. 7A is a side view of another dynamic generator device
  • FIG. 7B is a diagram of the possible freedom of movement of the device of FIG. 7A.
  • FIGS. 8A and 8B are two perspective views of another dynamic generator device
  • FIG. 8C is a diagram of the possible freedom of movement of the device of FIGS. 8A and 8B,
  • FIG. 9A is a perspective view of another dynamic generator device
  • FIG. 9B is a perspective view of the device of FIG. 9A with an example of a covering
  • FIG. 9C is a diagram of the possible freedom of movement of the device of FIG. 9A.
  • FIG. 10A is a perspective view of another dynamic generator device
  • FIGS. 10B and 10C are two perspective views of another dynamic generator device
  • FIG. 10D is a diagram of the possible freedom of movement of the device of FIGS. 10B and 10C,
  • FIG. 1 1A is a perspective view of another dynamic generator device
  • FIG. 11 B is a schematic top view of the device of the
  • FIG. 11C illustrates in perspective a detail of the drive of the device of FIGS. 11A and 11B
  • FIG. 11D is a diagram of the possible freedom of movement of the device of FIGS. 11A and 11B
  • FIG. 12A is a perspective view of another dynamic generator device
  • FIG. 12B illustrates in perspective a detail of the drive of the device of FIG. 12A
  • FIG. 12C is a perspective view of the device of FIG. 12A with an example of a covering
  • FIG. 12D is a diagram of the possible freedom of movement of the device of FIGS. 12A and 12C,
  • FIG. 13A is a perspective view of another dynamic generator device
  • FIG. 13B illustrates in perspective a variant of the device of FIG. 13A
  • FIG. 13C is a perspective view of the device of FIG. 12A with an example of a covering
  • FIG. 13D is a diagram of the possible freedom of movement of the device of FIGS. 13A to 13C.
  • FIG. 14 illustrates the main components of a virtual reality system using a dynamic generator device. Detailed description of embodiments
  • the document W093 / 24916A1 mentioned above made it possible to highlight the need to synchronously compose horizontal translation movements making it possible to initialize without any spurious effect the acceleration to be felt by the user, and inclination movements enabling relay this acceleration by the gravitational acceleration simulated by the load factor resulting from the rotation of the body.
  • the present invention is based on an in-depth analysis of kinematic models, with emphasis on how the movements are felt by the human body. It also takes into account the parasitic effects analysis with a view to attenuating or eliminating them.
  • the vertical congestion of the system is limited, and on the other hand it limits a movement in translation of the head which is unnecessary because the sensation of lateral or front / rear acceleration is provided by the inclination of the head.
  • the dynamic acceleration is that produced by the longitudinal or transverse displacement at the base of the seat by one or more motors. It is that which is felt proprioceptively at the initiation of the programmed acceleration, mainly at the level of the thorax and pelvis. It is immediately relayed by the gravitational acceleration provided at the inner ear by the inclination of the seat following the rotational movements produced.
  • Gp Gdyn + g.sinQ
  • the simulation process of the acceleration consists in passing, during the duration of each programmed sequence, a dynamic acceleration to a gravitational acceleration so that the sum of the two remains essentially constant and equal to the programmed value.
  • the graph of an acceleration sequence shows that it lasts until the inclination corresponding to the necessary gravitational acceleration and thus the cancellation of the dynamic acceleration, and illustrates the way in which the instructions to be sent to the motor creating said acceleration (curve in solid lines) must vary according to the gravitational acceleration and therefore of the angle of inclination (dashed curve), of so that the sum of the two accelerations is generally constant and equal to the programmed acceleration (curve in phantom). (One can alternatively control the dynamic acceleration differently, depending on the total acceleration curve that one wants to obtain.)
  • the x-axis represents the inclination variation ⁇ of the nacelle, while the y-axis represents the variation of the accelerations G.
  • FIG. 1 D shows an initialization period of the acceleration, typically of the order of 10 to 20 milliseconds depending on the characteristics of the electric motor, this period allowing the electric motor to take the maximum number of turns for create the initial jerk (jerk in English terminology) essential to the good acceleration.
  • This proprioceptive immersion is the dynamic immersion created by a virtual reality helmet.
  • a first embodiment of a dynamic generator device comprises a frame or fixed platform 210 forming three ground support points 21 1 connected by a structural element 212.
  • First movable elements consist of three curved rods or arches 220 extending between the bearing points 211 and a plate 230 on which is mounted, with possibility of rotation along the Z axis, a ring gear 231 itself rigidly secured to a nacelle 240 carrying a seat 241 for a user, a steering wheel 242 and a pedal not shown (in the case of a driving simulation system).
  • the arches 220 are connected to the plate 230 respectively by three ball joints 221.
  • Geared motors 213 located in the region of the bearing points 211 control forks 214 pivoting each on a horizontal axis, capable of varying the height of the base of the respective hoops 220 relative to the frame 210.
  • Another geared motor 232 is fixed with respect to the plate 230 and controls with the aid of an output gear 233 the rotation of the ring gear 231, so as to be able to rotate the nacelle 240 around the axis Z.
  • the gearmotor 232 makes it possible to vary the orientation of the seat along the Z axis, thereby producing a dynamic 3-axis generator system that makes it possible to generate a proprioception adapted to the images projected to the user, here by a reality helmet.
  • a fixed frame 300 comprises one or more uprights 301 rigidly fixed to the ground and supporting in height on the one hand a fixed plate 310 and on the other hand, at a distance above this fixed plate 310, a two-axis translation control structure 320.
  • This structure 320 comprises a fixed frame 321 rigidly connected to the foot 301 and the plate 10, this frame comprising two parallel rails on which can slide in a first direction (along the Y axis) a first carriage 323 having two parallel rails oriented to right angle to frame rails 321.
  • a second carriage 325 On these rails can slide along the X axis a second carriage 325.
  • the device further comprises a structure 330 for hooking a nacelle 340, for example of the same type as that described above, this structure 330 comprising a rod 331 mounted in a central bearing of the carriage 325 and in a central bearing of the plate 310 , and fixed in 332 at the top of the nacelle 340 with total solidarity between the rod and the nacelle.
  • a shoulder formed on the rod 331 allows a lift of the nacelle 340 on the fixed plate 310 while allowing the pendular movements of the rod 331 in rotation about the X and Y axes.
  • a dynamic generator device comprises a fixed frame 400 comprising one or more uprights 401 defining at their summit a point of attachment to ball or cardan 410 for a nacelle 440 similar to nacelles of the previous figures.
  • the tilting control of the nacelle by rotation around the X and Y axes on the point of attachment 410 is effected by a mechanism similar to that of FIGS. 3A and 3B, but acting in the lower part. of the nacelle 440.
  • This mechanism 420 comprises a fixed frame 421 rigidly fixed to the ground by feet 427 and part of the fixed frame 400, this frame 421 comprising two parallel rails on which can slide in a first direction (along the Y axis) a first carriage 423 having two parallel rails oriented at right angles to the rails of the frame 421.
  • This carriage 425 is connected to the base of the nacelle by a rigid rod 426.
  • This rod is formed of two parts capable of sliding relative to each other in the direction of its length, so as to absorb differences in distance between the base of the nacelle 440 and the carriage 425, the nacelle pivoting on the catch 410 while the carriage 425 moves in a horizontal plane. It will be understood that by controlling the movements of the carriage 425 at X and Y with the aid of the respective geared motors 422, 424, the inclination of the nacelle 440 is controlled, in order to carry out the desired dynamic simulation in a similar way, in term of effects, to the device Figures 2A and 3A.
  • attachment point 410 it is possible to position the attachment point 410 in close proximity to the user's head so as to minimize the distance between the point of rotation that defines this snap point and the head of the user .
  • FIGS. 5A-5G another embodiment of a dynamic generator device comprises a tubular fixed structure 500 comprising a generally circular foot 501 from which two uprights 502 extend.
  • a fastening structure 503 to which are fixed rigidly two rigid tubular frames 504, 505 respectively extending in a longitudinal vertical plane forward / backward and in a vertical plane transverse left right.
  • This attachment structure also carries a universal joint 510 which constitutes the point of attachment, with possibility of pivoting along the X and Y axes, of a nacelle 540 whose structure is here also tubular, again carrying a seat 541 and a steering wheel. 542 and all other appropriate accessories.
  • the two rigid frames 504, 505 comprise in their lower region two arcuate portions 504a, 505a both centered on the point of rotation defined by the cardan 510, and located in the aforementioned orthogonal planes (it will be noted that in the versions of FIG. 5C and 5E, the frame 504 is not closed on itself).
  • This device further comprises drive means 530 (shown schematically in Figures 5A-5D) capable of operating between the base of the nacelle 540 and parts 504a, 505a above.
  • these drive means are fixed to the base of the nacelle 540 and comprise two geared motors 531, 532 respectively controlling two wheels 533, 534 with flexible tread (for example pneumatic or belt wheels).
  • elastomeric bearing which are capable of frictionally engaging the top of the arcuate portions 504a, 505a of the respective frames 504, 505, said portions thus forming raceways for the wheels.
  • rollers 535, 536 located below the wheels and fixed to the axes of the respective wheels by not shown stirrups, the axes of rotation of the rollers being parallel to those of the wheels and each defining with the respective wheel, empty, a space of dimension slightly smaller than the height of the respective arcuate portion.
  • Figures 6A and 6B illustrate an alternative embodiment of the device of Figures 5A-5G.
  • This variant is intended to allow placing the center of rotation of the nacelle in the very near vicinity of the user's head, and preferably closer to the inner ear.
  • 5A to 5G is replaced by an annular gimbal 610 surrounding the top of the nacelle and in particular the region of the seat 541 where the head of the user will be.
  • This gimbal 610 comprises a fixed outer ring 61 1 connected to the ground by four feet 601, the assembly forming part of a fixed frame.
  • the rigid frames 604, 605 having the arcuate portions 604a, 605a for driving extend from the outer ring 611.
  • Two diametrically opposed pivots 612 provide a rotating connection (rotation about the X axis) with an inner ring 613.
  • Two other diametrically opposed pivots 614 angularly offset by 90 ° with respect to the pivots 612, provide a rotating connection (rotation about the Y axis) with two lateral arms 643 of the nacelle 640.
  • the ground level may be located at a height higher than that illustrated, and for example close to the cardan 610, the nacelle then being at least partially located in a cavity formed in the ground.
  • FIGs 7A and 7B there is shown another embodiment of a device that includes a fixed frame 700 having a ground support structure 701 and an arm 702 extending obliquely rearwardly.
  • a pivot 710 of horizontal axis parallel to Y connects the fixed arm 702 with a movable arm 720, a cylinder 71 1 for controlling the mutual inclination between the arms 702 and 720.
  • a structure 730 which can pivot about an oblique axis W located in the longitudinal plane XZ, this pivoting being achieved by means of a geared motor 731 located behind.
  • This pivoting structure 730 comprises an arm 732 which defines at its free end a pivot 733 around the Y axis, to which is attached a nacelle 740.
  • the top of the nacelle 740 comprises a lever 744 passing through the pivot 733 and extending generally upwards, which is articulated at its free end to the rod of a jack 734 fixed on a structural element 735 secured to the arm 732. .
  • the cylinder 71 1 can move the nacelle substantially along the Z axis, to create a proprioceptive effect of climbing or falling in the user.
  • the 731 gearmotor tilts the platform sideways to create the centrifugal effect when cornering, while the 735 cylinder tilts the platform backwards and forwards, creating a braking effect. acceleration respectively.
  • the point of rotation of the nacelle 740, located at the pivot 733, is located in close proximity to the user's head.
  • FIGS. 8A to 8C another embodiment of a dynamic generator device does not have a fixed frame on the ground, which can be useful especially when the ground space or an anchorage therein is not Not possible.
  • the device comprises a nacelle 840 rigidly connected to a plate 830 located above the nacelle.
  • Three jacks 820 are hingedly mounted to the three vertices of a triangle on a ceiling structure 800 and generally oriented downward.
  • the three jacks are hingedly mounted to the three vertices of a triangle on the plate 830.
  • the device is capable of generating altitude variations to generate proprioceptive effects of fall or ascent.
  • pivot point of the nacelle located in the center of the plate 830, can be placed near the head of the user.
  • FIGS 9A-9C there is shown a device whose fixed frame 900 has a frame 901 for its installation or its anchoring to the ground and two spaced amounts 902 respectively located at the front and rear ends, these two amounts having their apex two pivots 903 defining a pivot axis along X.
  • a cradle 910 formed of a frame 91 1 having two curvilinear rails 912 extending along one of the other in the longitudinal direction, on a circle whose center is located near the head of the user when the latter is installed in the seat 941 of the device.
  • 940 nacelle comprises two pairs of rails 945, for example equipped with wheels, arranged in a rectangle, two slides on the left ensuring sliding on the left rail, and two rails on the right ensuring sliding on the right rail.
  • a plate 913 secured to the cradle 910 carries a geared motor 920 which drives a belt 921. This cooperates with a system of drive rollers 946 provided on the nacelle 940 along one of the rails 912 to selectively and in a controlled manner, move the nacelle pendulously along the rails, thereby causing its displacement composed of a change inclination around the Y axis and a translation along the arc formed by the rail 912.
  • a geared motor 930 mounted on the fixed frame 900 drives a belt 931 which cooperates with a drive roller 913 integral with the cradle.
  • the geared motor 920 by which the movements of the platform 940 on the rails are controlled, makes it possible to create proprioceptive effects of acceleration / braking, whereas the geared motor 930 induces the movements of the cradle 910, and therefore of the nacelle, pivoting about the X axis defined by the pivots 903, and can create proprioceptive effects of centrifugal force turning left and right.
  • Figures 10A to 10D show a dynamic generator device capable of generating proprioceptive effects in acceleration / braking and cornering both by rotation of a nacelle around the X and Y axes and by translation of the nacelle along these axes.
  • this device comprises a fixed frame 1000 having two transverse rails front and rear 1001.
  • a carriage 1010 comprising a base 101 1 and two opposite amounts 1012 defining at their respective upper end a pivot 1013 along the axis X.
  • a cradle 1020 is mounted on these pivots so as to be rotatable about the X axis.
  • This cradle comprises a rectilinear slide 1021 on which can move a nacelle 1040 at a time in translation, with the aid of a geared motor 1022 and pivoting about a fictitious transverse axis passing in the vicinity of the head of the user , using a pair of oblique longitudinal cylinders 1023 acting at the front and rear of the nacelle 1040.
  • FIG. 11A of the drawings illustrates an embodiment of a dynamic generator device where a seat 1 141 is mounted on a stirrup 1130 rotatably controlled by a geared motor 1 131 to move the seat 1 141 belonging to a nacelle not shown 1 140 around an axis of rotation passing through the hinge 1132 of the stirrup on a movable support element 1 120 itself capable of pivoting about a longitudinal axis X 'located below it with the aid of a geared motor 1,121 and a pair of rods 1,122.
  • An inclination control operating under the nacelle is thus carried out in order to achieve proprioceptive effects in acceleration / braking with the aid of the gearmotor 1 131 and in turning with the gearmotor 1121.
  • Figures 1 1 B to 1 1 D illustrate another dynamic generator device wherein a first arm 1 160 driven by a geared motor 1161 can pivot relative to a fixed frame 1150 about a transverse horizontal axis.
  • a belt 1 162 passing around a fixed first roller 1163 secured to the framework causes, during the pivoting of the arm 1160, the rotation of a roller 1171 which is integral with a structural part 1170 and which drives it into position. rotation about a transverse horizontal axis.
  • rollers 1 163 and 1171 have the same diameter, a drive by the geared motor 1 161 causes a change of inclination of the arm 1 160 without changing the inclination of the structural part 1 170. If the rollers 1163, 1171 have different diameters, so the variations of inclination of the arm 1 160 are accompanied by a certain variation of inclination of the part 1 170. In both cases, the geared motor 1161 makes it possible to move the part 1 170 in the longitudinal plane, with or without a component of rotation along the Y axis.
  • the structural part 1 170 carries a pivot 1 172 of longitudinal horizontal axis on which is mounted a second arm 1 180 extending upwards and at the upper end of which is provided a pivot 1 173 for a nacelle 1 140, whose seat 1141 is represented.
  • a second geared motor 1174 drives a first roller 1175 around which passes a belt 1176 which also passes, in the region of the upper end of the arm 1180, around a roller 1148 integral with the nacelle.
  • This geared motor 1 174 thus makes it possible to control the rotation of the nacelle around the X axis, to create the centrifugal proprioceptive effect.
  • the gearmotor 1161 provides the proprioceptive effect of braking acceleration, if necessary combined with a change of altitude effect.
  • FIGS. 12A to 12D there is shown a dynamic generator device which is similar to that of FIGS. 6A and 6B by the presence of a cardan defining a rotation point substantially at the level of the user (here at the level of FIG. a set of users placed on a row of seats 1241).
  • the device comprises a fixed frame 1200 comprising a fixed rectangular frame 1202 carried by four legs 1201 and defining two opposing front rear joints 1203 for a movable inner frame 1210.
  • the nacelle 1240 carrying the seats 1241 is mounted on two lateral joints 1213 of the inner frame 1210, allowing rotation about the axis Y.
  • Another geared motor (not visible) associated with a suitable transmission mechanism ensures the rotation of the nacelle around the Y axis to restore the proprioceptive effects of acceleration / braking.
  • the above device can be completed with mechanisms providing, in addition to the 2-axis rotation, translations along the X and Y axes, the pivots described above being in this case sliding pivots along the corresponding frames of the frames. outside and inside.
  • Figure 12C gives an example of mechanical implementation of such pivots sliding, with a rack 1280 secured to the frame, a first gear 1281 and a second gear 1282 rotating on the axis forming the respective pivot.
  • each foot comprises a first portion 1301 having a ground support 1302 and a second portion 1303 secured to a nacelle 1340 via a link 1304 to cardan, this link being provided with a geared motor 1308 capable of forcing the rotation of the arm portion 1303 relative to a plate 1330 carrying the nacelle 1340 about an axis perpendicular to the plane of the plate 1330 (see Figure 13B).
  • each arm is interconnected by a pivot link 1305 forming an angle between them can be controlled by a geared motor 1306. It is understood that independently controlling each of three geared motors 1306 and three geared motors 1308 in conditions compatible with the mechanical links in the presence, it is possible to apply to the nacelle 1340 displacements generating a variety of proprioceptive effects, in particular the effects of accelerations / braking and centrifugal force in turns.
  • FIG 14 there is schematically illustrated a dynamic generator device G according to one of the embodiments described above.
  • This device comprises a n-boat comprising a seat S for a user and, in the case of a driving simulator, a steering wheel V and a pedal P. It also includes motorized means
  • An electronic capture and transmission device CT collects information on the position of the steering wheel and the position of the accelerator pedal, the brake pedal and, if applicable, the clutch pedal.
  • a central unit UC executes a simulation computer program, here driving simulation, in response to inputs constituted by the signals provided by the device CT, using appropriate input interfaces.
  • the simulation program generates a visual and, where appropriate, audible reproduction for a VR virtual reality headset intended to be worn by the user installed in the seat S, and also generates motion control signals.
  • the nacelle for the drive means M of the device G typically tilt commands around a transverse horizontal axis, close to the user's head, to restore acceleration / braking effects, and commands tilt around a longitudinal horizontal axis, also close to the user's head, to restore centrifugal force effects in a left or right turn.

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Abstract

On propose un dispositif générateur dynamique pour système de réalité virtuelle, comprenant une nacelle mobile portant un siège et montée sur une structure fixe, des moyens d'entraînement pour incliner la nacelle selon au moins deux axes de rotation, les deux axes passant au voisinage de tête d'un utilisateur lorsqu'il est installé dans le siège, et des moyens de commande des moyens d'entraînement en fonction des effets dynamiques recherchés. On propose également un système de réalité virtuelle comprenant un tel dispositif. Application aux simulateurs, notamment simulateurs de conduite.

Description

Titre
« Dispositif générateur dynamique et système de réalité virtuelle l'incorporant » Domaine de l'invention
La présente invention concerne d'une façon générale les générateurs de réalité dynamique ou encore simulateurs cinétiques, destinés à l'enrichissement de l'expérience utilisateur dans des systèmes de réalité virtuelle ou augmentée.
État de la technique
Le concept de "réalité dynamique" consiste, pour un utilisateur interagissant au moyen d'un support visuel dans l'environnement vidéo dans lequel il est immergé, à augmenter le réalisme de son immersion par la proprioception, c'est-à-dire la perception, consciente ou non, des positions et mouvements des différentes parties de son corps.
Cette perception est produite par les effets physiques d'un générateur asservi aux accélérations virtuelles du programme.
De façon connue en soi, un générateur de réalité dynamique est constitué par un dispositif mécatronique comportant une plate-forme mobile animée, par rapport à un référentiel fixe, par au moins un actionneur commandant l'inclinaison de la plate-forme en fonction de l'accélération simulée. Il est associé à un moyen de visualisation d'images animées conçu pour masquer de la vue de l'utilisateur tout objet du référentiel extérieur.
Le document W093/24916A1 décrit un tel générateur.
D'autres documents et notamment DE10211884C1 , FR2623648A1 , GB232611 1A, US5702307A, US2016303484A1 , WO2016134389A1 et WO2017171318A1 décrivent de tels générateurs. Résumé de l'invention La présente invention vise à améliorer les générateurs existants en simulant plus fidèlement les effets d'accélération qui seraient ressentis par le sujet dans des conditions réelles d'utilisation de ce qui est simulé.
On propose à cet effet selon un premier aspect un dispositif générateur dynamique pour système de réalité virtuelle, comprenant une nacelle mobile portant un siège et montée sur une structure fixe, des moyens d'entraînement pour incliner la nacelle selon au moins deux axes de rotation, les deux axes passant au voisinage de tête d'un utilisateur lorsqu'il est installé dans le siège, et des moyens de commande des moyens d'entraînement en fonction des effets dynamiques recherchés.
Ce dispositif comprend facultativement les caractéristiques additionnelles suivantes, prises individuellement ou en toutes combinaisons que l'homme du métier appréhendera comme étant techniquement compatibles :
* la nacelle est suspendue au niveau d'un centre de rotation de la nacelle selon au moins un axe.
* les deux axes de rotation ont un point d'intersection, la nacelle étant suspendue au niveau du centre de rotation commun aux deux axes.
* la suspension est réalisée par un cardan.
* la suspension est située immédiatement au-dessus du siège.
* le cardan est annulaire et disposé autour du siège.
* la nacelle est rigidement reliée à une platine, et les moyens d'entraînement sont aptes à déplacer de façon individuelle trois points de la platine situés aux trois sommets d'un triangle.
* les moyens d'entraînement comprennent trois bras à géométrie variable reliés au trois points de la platine.
* la nacelle est rigidement reliée à un bras de levier par lequel la nacelle est suspendue au niveau d'un point de suspension, et les moyens d'entraînement sont aptes à déplacer en translation selon deux directions un point du bras de levier de façon individuelle trois points de la platine situés aux trois sommets d'un triangle. * les moyens d'entraînement sont fixés dans une région inférieure de la nacelle.
* les moyens d'entraînement comprennent un chariot commandé selon deux directions orthogonales de glissement par des moteurs.
* les moyens d'entraînement comprennent deux pistes de roulement en arc de cercle centrées sur les axes de rotation respectifs, solidaires d'une ossature fixe du dispositif.
* les moyens d'entraînement comprennent en outre deux roues à faible coefficient de frottement, appliquées avec effort contre les pistes respectives.
* la nacelle est suspendue au niveau d'un pivot définissant l'un des axes de rotation, ledit pivot étant monté sur une structure tournant autour de l'autre axe de rotation.
* la nacelle est apte à coulisser sur un berceau formant une glissière située selon un arc de cercle centré sur l'un des axes de rotation, ledit berceau étant apte à pivoter selon l'autre axe de rotation.
* la nacelle est apte à la fois à être inclinée selon les deux axes de rotation et à être translatée selon au moins l'un des deux axes.
* le dispositif comprend un premier bras articulé sur une ossature fixe selon un premier axe, un élément de liaison intermédiaire articulé sur le premier bras selon un axe parallèle au premier axe, et un second bras articulé sur ledit élément de liaison intermédiaire selon un deuxième axe, la nacelle étant articulé sur ce second bras pour pouvoir tourner autour d'un axe parallèle à ce deuxième axe, les moyens d'entraînement agissant en rotation au niveau desdites articulations.
* chaque bras comporte un moyen de transmission entre ses deux articulations selon des axes parallèles.
* le dispositif comprend également des moyens pour entraîner la nacelle en translation selon au moins l'un des deux axes de rotation.
* la platine est constituée par une base de la nacelle.
* les bras à géométrie variable comprennent des pieds constitués de compas motorisés, et les moyens d'entraînement sont également aptes à commander une rotation au niveau de l'attache de chaque pied à la base de la nacelle.
* les moyens de commande sont aptes à provoquer une action des moyens d'entraînement telle que l'accélération dynamique décroît à due concurrence de l'augmentation de l'accélération gravitationnelle.
* la loi de décroissance s'exprime de la façon suivante :
Gp = Gdyn + G.sinQ
ou Gp est l'accélération programmée,
Gdyn est l'accélération dynamique, et
G.sinQ est l'accélération gravitaire résultant de l'inclinaison de la nacelle.
* les moyens de commande des moyens d'entraînement sont aptes à sélectivement générer un mode d'accélération par translation ou un mode d'accélération par inclinaison, ou un mode d'accélération combiné. combinaison des deux.
* les moyens de commande des moyens d'entraînement sont sensibles à un seuil d'inclinaison de la nacelle pour faire varier le mode d'accélération.
* chacun des deux axes forme un angle avec la verticale.
On propose selon un deuxième aspect un système de réalité virtuelle dynamique, comprenant en combinaison un dispositif générateur dynamique tel que défini ci-dessus, un casque de réalité virtuelle, et une unité centrale apte à appliquer au casque des signaux de restitution visuelle et à appliquer au générateur cinématique des signaux de commandes associés à la restitution visuelle.
Brève description des dessins
D'autres aspects, buts et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante d'une forme de réalisation préférée de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels - les Figures 1A à 1 C sont des schémas de principe illustrant la cinématique d'un dispositif générateur dynamique,
- la Figure 2A est une vue en perspective d'un dispositif générateur dynamique,
- la Figure 2B est un schéma des libertés de mouvement possibles du dispositif de la Figure 2A,
- la Figure 3A est une vue en perspective d'un autre dispositif générateur dynamique,
- la Figure 3B est un schéma des libertés de mouvement possibles du dispositif de la Figure 3A,
- la Figure 4A est une vue en perspective d'un autre dispositif générateur dynamique,
- la Figure 4B est un schéma des libertés de mouvement possibles du dispositif de la Figure 4A,
- la Figure 5A est une vue en perspective schématique d'un autre dispositif générateur dynamique,
- la Figure 5B est un schéma des libertés de mouvement possibles du dispositif de la Figure 5A,
- la Figure 5C est une vue de côté schématique du dispositif de la Figure 5A,
- la Figure 5D est une vue de côté schématique du dispositif avec un exemple d'habillage,
- la Figure 5E est une vue en perspective de dessous du dispositif des Figures 5A, 5C et 5D,
- la Figure 5F est une vue en perspective d'un premier détail du dispositif des Figures 5A, 5C, 5D et 5E,
- la Figure 5G est une vue en perspective d'un deuxième détail du dispositif des Figures 5A, 5C, 5D et 5E,
- la Figure 6A est une vue en perspective de l'ossature d'un dispositif selon une variante de celui des Figures 5A à 5G, - la Figure 6B est une vue en perspective du dispositif de la Figure 6A une fois équipé,
- la Figure 7A est une vue de côté d'un autre dispositif générateur dynamique,
- la Figure 7B est un schéma des libertés de mouvement possibles du dispositif de la Figure 7A,
- les Figures 8A et 8B sont deux vues en perspective d'un autre dispositif générateur dynamique,
- la Figure 8C est un schéma des libertés de mouvement possibles du dispositif des Figure 8A et 8B,
- la Figure 9A est une vue en perspective d'un autre dispositif générateur dynamique,
- la Figure 9B es une vue en perspective du dispositif de la Figure 9A avec un exemple d'habillage,
- la Figure 9C est un schéma des libertés de mouvement possibles du dispositif de la Figure 9A,
- la Figure 10A est une vue en perspective d'un autre dispositif générateur dynamique,
- les Figures 10B et 10C sont deux vues en perspective d'un autre dispositif générateur dynamique,
- la Figure 10D est un schéma des libertés de mouvement possibles du dispositif des Figures 10B et 10C,
- la Figure 1 1A est une vue en perspective d'un autre dispositif générateur dynamique,
- la Figure 11 B est une vue schématique de dessus du dispositif de la
Figure 1 1A,
- la Figure 11 C illustre en perspective un détail de l'entraînement du dispositif des Figures 1 1 A et 11 B,
- la Figure 11 D est un schéma des libertés de mouvement possibles du dispositif des Figures 11A et 11 B, - la Figure 12A est une vue en perspective d'un autre dispositif générateur dynamique,
- la Figure 12B illustre en perspective un détail de l'entraînement du dispositif de la Figure 12A,
- la Figure 12C es une vue en perspective du dispositif de la Figure 12A avec un exemple d'habillage,
- la Figure 12D est un schéma des libertés de mouvement possibles du dispositif des Figures 12A et 12C,
- la Figure 13A est une vue en perspective d'un autre dispositif générateur dynamique,
- la Figure 13B illustre en perspective une variante du dispositif de la Figure 13A,
- la Figure 13C es une vue en perspective du dispositif de la Figure 12A avec un exemple d'habillage,
- la Figure 13D est un schéma des libertés de mouvement possibles du dispositif des Figures 13A à 13C, et
- la Figure 14 illustre les composants principaux d'un système de réalité virtuelle utilisant un dispositif générateur dynamique. Description détaillée de formes de réalisation
Introduction
Le document W093/24916A1 susmentionné a permis de mettre en évidence la nécessité de composer de manière synchronisée des mouvements de translation horizontale permettant d'initialiser sans effet parasite l'accélération devant être ressentie par l'utilisateur, et des mouvements d'inclinaison permettant de relayer cette accélération par l'accélération gravitationnelle simulée par le facteur de charge provenant de la rotation du corps.
La présente invention est fondé sur une analyse approfondie des modèles de cinématiques, avec mise en avant de la façon dont les mouvements sont ressentis par le corps humain. Elle prend en compte également l'analyse des effets parasites en vue de les atténuer ou de les supprimer.
Ces effets parasites sont principalement les suivants :
- si le centre de la rotation de la plateforme mobile est positionné sensiblement en dessous de l'oreille interne lors de l'accélération produite par l'inclinaison, la tête est poussée en avant alors qu'elle devrait être tirée en arrière ; ceci est illustré sur la Figure 1A, pour un centre de rotation situé sensiblement au niveau du bassin : le haut du siège s'efface vers l'arrière, et l'utilisateur a la sensation que sa tête est projetée en avant ;
- si au contraire le centre de rotation est positionné trop au-dessus de l'oreille interne, cela nécessite un surdimensionnement vertical indésirable du dispositif.
Ainsi, selon un aspect de la présente description, à la fois pour éviter de surdimensionner les générateurs de réalité dynamique et pour assurer une simulation de bonne qualité, on positionne le centre de rotation de la nacelle au voisinage de l'oreille interne de l'utilisateur installé dans son siège. La géométrie est illustrée sur les Figures 1 B et 1C.
Ainsi, d'une part on limite l'encombrement vertical du système, et d'autre part on limite un déplacement en translation de la tête qui est inutile car la sensation d'accélération latérale ou avant/arrière est procurée par l'inclinaison de la tête.
Plus précisément, lorsque l'utilisateur est équipé d'un casque de réalité virtuelle, on a observé que ce déplacement superflu complexifiait l'analyse que fait le cerveau de la position du corps dans l'espace du fait des mouvements de rotation des yeux et de la tête dans l'espace virtuel du casque, d'une part, et de la proprioception procurée par le générateur d'autre part. Cette complexité de perception peut créer des phénomènes de nausée.
Nature des accélérations ressenties (dynamique et gravitationnelle)
L'accélération dynamique est celle produite par le déplacement longitudinal ou transversal à la base du siège par un ou des moteurs. C'est celle qui est ressentie de façon proprioceptive à l'initialisation de l'accélération programmée, principalement au niveau du thorax et du bassin. Elle est aussitôt relayée par l'accélération gravitationnelle procurée au niveau de l'oreille interne par l'inclinaison du siège suite aux mouvements de rotation produits.
Cette distinction étant faite, on définit :
- l'accélération programmée Gp, qui est celle ordonnée par les vecteurs du programme,
- l'accélération dynamique Gdyn, qui est celle procurée par les déplacements à la base du siège,
- l'accélération gravitationnelle G obtenue par l'inclinaison selon l'angle Ω du siège et qui varie linéairement selon la formule G= g.sinQ.
On a :
Gp = Gdyn + g.sinQ
Pilotage
Le processus de simulation de l'accélération consiste à passer, pendant la durée de chaque séquence programmée, d'une accélération dynamique à une accélération gravitationnelle de façon à ce que la somme des deux reste essentiellement constante et égale à la valeur programmée.
Le graphique d'une séquence d'accélération, tel qu'illustré sur la Figure 1 D, montre que celle-ci dure jusqu'à l'obtention de l'inclinaison correspondant à l'accélération gravitationnelle nécessaire et donc à l'annulation de l'accélération dynamique, et illustre la façon dont les consignes à envoyer au moteur créant ladite accélération (courbe en traits pleins) doivent varier en fonction de l'accélération gravitationnelle et donc de l'angle d'inclinaison (courbe en tiretés), de façon à ce que la somme des deux accélérations soit généralement constante et égale à l'accélération programmée (courbe en traits mixtes). (On peut en variante commander l'accélération dynamique différemment, en fonction de la courbe d'accélération totale que l'on veut obtenir.)
Sur la Figure 1 D, l'axe des abscisses représente la variation d'inclinaison Ω de la nacelle, tandis que l'axe des ordonnées représente la variation des accélérations G.
On observe sur la gauche de la Figure 1 D une période d'initialisation de l'accélération, typiquement de l'ordre de 10 à 20 millisecondes selon les caractéristiques du moteur électrique, cette période permettant au moteur électrique de prendre le maximum de tours pour créer la secousse initiale (jerk en terminologie anglo-saxonne) indispensable à la bonne mise en accélération.
Modes de réalisation
On va maintenant décrire un certain nombre de générateurs cinématiques permettant à l'utilisateur de ressentir la proprioception résultant de la combinaison des accélérations dynamiques et gravitationnelles crées dans l'environnement virtuel dans lequel il évolue.
Cette immersion proprioceptive constitue avec l'immersion mentale créée par un casque de réalité virtuelle la réalité dynamique.
Ces modes de réalisation présentent, selon les cas de figures, différents avantages que l'on détaillera au cas par cas.
Sur les figures, on se référa à un système orthogonal X, Y, Z ou X est l'axe longitudinal, Y est l'axe transversal et Z est l'axe vertical (par rapport à une direction de déplacement simulée dans un système de réalité virtuelle).
Par ailleurs, on s'efforcera (de façon toutefois non systématique) de désigner des éléments identiques ou similaires par les mêmes numéros de référence, seul le chiffre des centaines étant changé pour correspondre au numéro de la Figure correspondante.
En référence tout d'abord à la Figure 2A, une première forme de réalisation d'un dispositif générateur dynamique comprend une ossature ou plateforme fixe 210 formant trois points d'appui au sol 21 1 reliés par un élément de structure 212.
Des premiers éléments mobiles sont constitués de trois tiges courbes ou arceaux 220 s'étendant entre les points d'appui 211 et une platine 230 sur laquelle est montée, avec possibilité de rotation selon l'axe Z, une couronne dentée 231 elle-même rigidement solidaire d'une nacelle 240 portant un siège 241 pour un utilisateur, un volant 242 et un pédalier non représenté (dans le cas d'un système de simulation de conduite automobile).
Les arceaux 220 sont reliés à la platine 230 respectivement par trois rotules 221 . Des motoréducteurs 213 situés dans la région des points d'appui 211 commandent des fourchettes 214 pivotant chacune sur un axe horizontal, capables de faire varier la hauteur de la base des arceaux respectifs 220 par rapport à l'ossature 210.
Un autre motoréducteur 232 est fixe par rapport à la platine 230 et commande à l'aide d'un pignon de sortie 233 la rotation de la couronne dentée 231 , pour ainsi pouvoir faire tourner la nacelle 240 autour de l'axe Z.
On comprend qu'en commandant en synchronisme les trois motoréducteurs 213, on peut faire varier la position angulaire de la platine 230 et donc du siège 241 porté par la nacelle 240 à la fois selon l'axe X et selon l'axe Y.
Le motoréducteur 232 permet quant à lui de faire varier l'orientation du siège selon l'axe Z, pour ainsi réaliser un système générateur dynamique 3 axes permettant de générer une proprioception adaptée aux images projetées à l'utilisateur, ici par un casque de réalité virtuelle, en particulier des effets d'accélération/freinage (rotation autour de l'axe Y) et des effets de force centrifuge en virage (rotation autour de l'axe X).
On notera qu'en commandant les motoréducteurs 213 pour des translations des arceaux dans la même direction verticale, il est également possible de générer une translation verticale de l'ensemble de la nacelle 240, pour ainsi appliquer à l'utilisateur une simulation dynamique de chute ou d'ascension. Il est important d'observer ici que le centre de rotation de la nacelle 240 est situé à proximité de la tête et donc de l'oreille interne de l'utilisateur, avec les avantages mentionnés en introduction.
En référence maintenant aux Figures 3A et 3B, une ossature fixe 300 comprend un ou plusieurs montants 301 rigidement fixés au sol et supportant en hauteur d'une part une platine fixe 310 et d'autre part, à distance au-dessus de cette platine fixe 310, une structure de commande en translation deux axes 320.
Cette structure 320 comprend un cadre fixe 321 rigidement relié au pied 301 et à la platine 10, ce cadre comprenant deux rails parallèles sur lesquels peut coulisser dans une première direction (selon l'axe Y) un premier chariot 323 possédant deux rails parallèles orientés à angle droit par rapport aux rails du cadre 321.
Sur ces rails peut coulisser selon l'axe X un deuxième chariot 325. Un premier motoréducteur 322 fixe, associé à un mécanisme d'entraînement approprié (courroie, crémaillère, etc.) permet de commander la translation du premier chariot 323 selon l'axe Y. Un second motoréducteur 324, associé de préférence à un mécanisme d'entraînement du même type, permet de commander la translation du second chariot 325 selon l'axe X.
Le dispositif comprend en outre une structure 330 d'accrochage d'une nacelle 340 par exemple du même type que celle décrite précédemment, cette structure 330 comprenant une tige 331 montée dans un palier central du chariot 325 et dans un palier central de la platine 310, et fixée en 332 au sommet de la nacelle 340 avec solidarité totale entre la tige et la nacelle.
Un épaulement formé sur la tige 331 permet de réaliser une sustentation de la nacelle 340 sur la platine fixe 310 tout en autorisant les mouvements pendulaires de la tige 331 en rotation autour des axes X et Y.
On comprend qu'en commandant les déplacements du chariot 325 en X et Y à l'aide des motoréducteurs respectifs 322, 324, on commande l'inclinaison de la tige 331 et donc de la nacelle, pour réaliser la simulation dynamique souhaitée d'une manière analogue, en terme d'effets, au dispositif de la Figure 2A.
On notera qu'il est possible de positionner la platine fixe 310 à proximité de la tête de l'utilisateur de façon à minimiser la distance entre le point de rotation (défini au niveau de la platine fixe 310) et la tête de l'utilisateur.
En référence maintenant aux Figures 4A et 4B un dispositif générateur dynamique comprend une ossature fixe 400 comprenant un ou plusieurs montants 401 définissant à leur sommet un point d'accrochage à rotule ou à cardan 410 pour une nacelle 440 analogue aux nacelles des figures précédentes.
Dans la présente forme de réalisation, la commande d'inclinaison de la nacelle par rotation autour des axes X et Y sur le point d'accrochage 410 s'effectue par un mécanisme analogue à celui des Figures 3A et 3B, mais agissant en partie inférieure de la nacelle 440.
Ce mécanisme 420 comprend un cadre fixe 421 rigidement fixé au sol par des pieds 427 et faisant partie de l'ossature fixe 400, ce cadre 421 comprenant deux rails parallèles sur lesquels peut coulisser dans une première direction (selon l'axe Y) un premier chariot 423 possédant deux rails parallèles orientés à angle droit par rapport aux rails du cadre 421.
Sur ces rails peut coulisser selon l'axe X un deuxième chariot 425.
Un premier motoréducteur 422 fixe, associé à un mécanisme d'entraînement approprié (courroie, crémaillère, etc.) permet de commander la translation du premier chariot 423 selon l'axe Y. Un second motoréducteur 424, associé de préférence à un mécanisme d'entraînement du même type, permet de commander la translation du second chariot 425 selon l'axe X.
Ce chariot 425 est relié à la base de la nacelle par une tige rigide 426. Cette tige est formée de deux parties susceptibles de coulisser l'une par rapport l'autre dans le sens de sa longueur, de façon à absorber les différences de distance entre la base de la nacelle 440 et le chariot 425, la nacelle pivotant sur l'accroche 410 tandis que le chariot 425 se déplace dans un plan horizontal. On comprend qu'en commandant les déplacements du chariot 425 en X et Y à l'aide des motoréducteurs respectifs 422, 424, on commande l'inclinaison de la nacelle 440, pour réaliser la simulation dynamique souhaitée d'une manière analogue, en terme d'effets, au dispositif les Figures 2A et 3A.
On notera qu'il est possible de positionner le point d'accrochage 410 à grande proximité de la tête de l'utilisateur de façon à minimiser la distance entre le point de rotation que ce point d'accrochage définit et la tête de l'utilisateur.
On notera par ailleurs que dans cette forme de réalisation, et plus généralement dans toutes les formes de réalisations où la commande d'inclinaison d'une nacelle suspendue s'effectue à partir du dessous,
En référence maintenant aux Figures 5A à 5G, une autre forme de réalisation d'un dispositif générateur dynamique comprend une structure fixe tubulaire 500 comprenant un pied 501 de forme généralement circulaire à partir duquel s'étendent deux montants 502.
A l'extrémité supérieure de ces montants est prévue une structure de fixation 503 à laquelle sont fixés rigidement deux cadres rigides tubulaires 504, 505 s'étendant respectivement dans un plan vertical longitudinal avant/arrière et dans un plan vertical transversal gauche droite. Cette structure de fixation porte également un cardan 510 qui constitue le point d'accrochage, avec possibilité de pivotement selon les axes X et Y, d'une nacelle 540 dont la structure est ici également tubulaire, portant à nouveau un siège 541 et un volant 542 de même que tous autres accessoires appropriés.
Les deux cadres rigides 504, 505 comportent dans leur région inférieure deux parties en arc de cercle 504a, 505a centrées toutes deux sur le point de rotation défini par le cardan 510, et situés dans les plans orthogonaux précités (on notera que dans les versions des figures 5C et 5E, le cadre 504 n'est pas fermé sur lui-même).
Ce dispositif comprend par ailleurs des moyens d'entraînement 530 (représentés schématiquement sur les Figures 5A-5D) capables d'opérer entre la base de la nacelle 540 et les parties 504a, 505a précitées. Dans la présente forme de réalisation, ces moyens d'entraînement sont fixés à la base de la nacelle 540 et comprennent deux motoréducteurs 531 , 532 commandant respectivement deux roues 533, 534 à bande de roulement souples (par exemple des roues à pneumatiques ou à bande de roulement en élastomère) qui sont capables de coopérer par friction avec le dessus des parties 504a, 505a en arc de cercle des cadres respectifs 504, 505, lesdites parties formant ainsi des pistes de roulement pour les roues.
La pression des roues contre leur arc de cercle respectif est assurée ici par des galets 535, 536 situés au-dessous des roues et fixées aux axes des roue respectives par des étriers non représentés, les axes de rotation des galets étant parallèles à ceux des roues et chacun définissant avec la roue respective, à vide, un espace de dimension légèrement inférieure à la hauteur de la partie en arc de cercle respective. Une fois le montage réalisé, on comprend que ces galets 535, 536 assurent une mise en contact entre chaque roue et sa partie en arc de cercle respective avec une pression suffisante pour éviter les glissements entre ces éléments.
On comprend qu'en entraînant une roue en rotation à l'aide de son motoréducteur respectif, on déplace la base de la nacelle 540 le long de l'arc de cercle correspondant. Selon la roue actionnée, c'est une inclinaison par rotation autour de l'axe X (forces centrifuges) ou de l'axe Y (forces d'accélération ou freinage) qui est provoquée. Ces deux inclinaisons peuvent bien entendu être combinées.
Un avantage de cette configuration est que les moyens d'entraînement n'ont pas à supporter le poids de la nacelle, de la même matière que pour la forme de réalisation de la Figure 4A. Un autre avantage est la compacité qui peut être donnée aux moyens d'entraînement.
On notera qu'à la place d'un entraînement par roues se déplaçant par roulement sur leur partie en arc de cercle respective, on peut prévoir par exemple d'intégrer auxdites parties en arc de cercle des moteurs linéaires curvilignes. Les Figures 6A et 6B illustrent une variante de réalisation du dispositif des Figures 5A à 5G.
Sur ces Figures, des éléments ou parties identiques ou similaires à ceux des Figures 5A à 5G sont désignés par les mêmes signes de référence, à ceci près que le chiffre des centaines 5 a été remplacé par le chiffre des centaines 6, et ne seront pas décrits à nouveau par souci de simplification.
Cette variante est destinée à permettre de placer le centre de rotation de la nacelle au très proche voisinage de la tête de l'utilisateur, et de préférence au plus près de l'oreille interne.
A cet effet, le cardan 510 de petites dimensions du dispositif des Figures
5A à 5G est remplacé par un cardan annulaire 610 entourant le haut de la nacelle et en particulier de la région du siège 541 où la tête de l'utilisateur se trouvera.
Ce cardan 610 comprend un anneau extérieur fixe 61 1 relié au sol par quatre pieds 601 , l'ensemble faisant partie d'une ossature fixe. Les cadres rigides 604, 605 comportant les parties en arc de cercle 604a, 605a destinées à l'entraînement s'étendent à partir de l'anneau extérieur 611 .
Deux pivots diamétralement opposés 612 réalisent une liaison tournante (rotation autour de l'axe X) avec un anneau intérieur 613.
Deux autres pivots diamétralement opposés 614, décalés angulairement de 90° par rapport aux pivots 612, réalisent une liaison tournante (rotation autour de l'axe Y) avec deux bras latéraux 643 de la nacelle 640.
On notera que sur la Figure 6A, seule la structure tubulaire est représentée, tandis que les mécanismes d'entraînement à roues (ou par d'autres moyens) ont été schématisés par des blocs.
Dans une variante de réalisation, le niveau du sol peut être situé à une hauteur plus haute que celle illustrée, et par exemple proche du cardan 610, la nacelle étant alors au moins partiellement située dans une cavité formée dans le sol. En référence maintenant aux Figures 7A et 7B, on a représenté une autre forme de réalisation d'un dispositif qui comprend une ossature fixe 700 possédant une structure d'appui au sol 701 et un bras 702 s'étendant en oblique vers l'arrière. Un pivot 710 d'axe horizontal parallèle à Y relie le bras fixe 702 avec un bras mobile 720, un vérin 71 1 permettant de commander l'inclinaison mutuelle entre les bras 702 et 720.
A l'extrémité du bras 720 opposée au pivot est montée une structure 730 qui peut pivoter autour d'un axe oblique W situé dans le plan longitudinal XZ, ce pivotement étant réalisé à l'aide d'un motoréducteur 731 situé en arrière.
Cette structure pivotante 730 comprend un bras 732 qui définit à son extrémité libre un pivot 733 autour de l'axe Y, auquel est accrochée une nacelle 740.
Le sommet de la nacelle 740 comporte un levier 744 passant par le pivot 733 et s'étendant généralement vers le haut, qui est articulé à son extrémité libre à la tige d'un vérin 734 fixé sur un élément de structure 735 solidaire du bras 732.
On comprend que le vérin 71 1 permet de déplacer la nacelle essentiellement selon l'axe Z, pour créer un effet proprioceptif d'ascension ou de chute chez l'utilisateur. Le motoréducteur 731 permet quant à lui d'incliner la nacelle latéralement pour créer l'effet centrifuge en virage, tandis que le vérin 735 permet d'incliner la nacelle vers l'arrière et vers l'avant, créant ainsi un effet de freinage et d'accélération respectivement.
Ici encore, le point de rotation de la nacelle 740, situé au niveau du pivot 733, est situé à grande proximité de la tête de l'utilisateur.
En référence aux Figures 8A à 8C, une autre forme de réalisation d'un dispositif générateur dynamique est dépourvue d'ossature fixe au sol, ce qui peut être utile notamment lorsque l'espace au sol ou un ancrage dans celui-ci n'est pas possible. Le dispositif comprend une nacelle 840 reliée rigidement à une platine 830 située au-dessus de la nacelle. Trois vérins 820 sont montés de façon articulée aux trois sommets d'un triangle sur une structure de plafond 800 et orientés généralement vers le bas.
A leur extrémité opposée, les trois vérins sont montés de façon articulée aux trois sommets d'un triangle sur la platine 830.
On comprend qu'en faisant varier la longueur des vérins, on peut faire varier l'orientation de la platine 830 et donc de la nacelle 840 selon les deux axes de rotation X et Y. par ailleurs, en faisant varier la longueur des vérins 830 simultanément en allongement ou en raccourcissement, le dispositif est capable de générer des variations d'altitude pour générer des effets proprioceptifs de chute ou d'ascension.
Ici encore, le point de pivot de la nacelle, situé au centre de la platine 830, peut être placé à proximité de la tête de l'utilisateur.
En référence maintenant aux Figures 9A à 9C, on a représenté un dispositif dont l'ossature fixe 900 possède un cadre 901 pour sa pose ou son ancrage au sol et deux montants espacés 902 situés respectivement aux extrémités avant et arrière, ces deux montants possédant à leur sommet deux pivots 903 définissant un axe de pivotement selon X. Sur ces pivots est monté un berceau 910 formé d'un cadre 91 1 possédant deux rails curvilignes 912 s'étendant le long l'un de l'autre dans la direction longitudinale, sur un cercle dont le centre est situé au voisinage de la tête de l'utilisateur lorsque ce dernier est installé dans le siège 941 du dispositif.
La nacelle 940 comprend deux paires de glissières 945, par exemple équipée de roulettes, disposées selon un rectangle, deux glissières situés à gauche assurant le coulissement sur le rail de gauche, et deux glissières situées à droite assurant le coulissement sur le rail de droite.
Une platine 913 solidaire du berceau 910 porte un motoréducteur 920 qui entraîne une courroie 921 . Celle-ci coopère avec un système de galets d'entraînement 946 prévus sur la nacelle 940 le long de l'un des rails 912 pour sélectivement et de façon contrôlée, déplacer la nacelle pendulairement le long des rails, provoquant ainsi son déplacement composé d'un changement d'inclinaison autour de l'axe Y et d'une translation le long de l'arc de cercle formé des rail 912.
Par ailleurs, un motoréducteur 930 monté sur l'ossature fixe 900 entraîne une courroie 931 qui coopère avec un galet d'entraînement 913 solidaire du berceau.
On comprend que le motoréducteur 920 par lequel les déplacements de la nacelle 940 sur les rails sont commandés, permet de créer des effets proprioceptifs d'accélération/freinage, tandis que le motoréducteur 930 induit les déplacements du berceau 910, et donc de la nacelle, en pivotement autour de l'axe X défini par les pivots 903, et permet de créer des effets proprioceptifs de force centrifuge de virage à gauche et à droite.
Les Figures 10A à 10D représentent un dispositif générateur dynamique capable de générer des effets proprioceptifs en accélération/freinage et en virage à la fois par rotation d'une nacelle autour des axes X et Y et par translation de la nacelle selon ces axes.
Ainsi ce dispositif comprend une ossature fixe 1000 comportant deux rails transversaux avant et arrière 1001 .
Sur ces rails peut coulisser selon l'axe Y un chariot 1010 comprenant une base 101 1 et deux montants opposés 1012 définissant à leur extrémité supérieure respective un pivot 1013 selon l'axe X.
Un berceau 1020 est monté sur ces pivots de façon à pouvoir tourner autour de l'axe X.
Ce berceau comporte une glissière rectiligne 1021 sur laquelle peut se déplacer une nacelle 1040 à la fois en translation, à l'aide d'un motoréducteur 1022 et en pivotement autour d'un axe transversal fictif passant au voisinage de la tête de l'utilisateur, à l'aide d'une paire de vérins longitudinaux obliques 1023 agissant à l'avant et à l'arrière de la nacelle 1040.
Un autre motoréducteur 1014 permet le déplacement latéral du chariot 1010 le long des rails 1001 , tandis qu'un autre motoréducteur non représenté commande la rotation du berceau sur les pivots 1013 autour de l'axe X. La Figure 11A des dessins illustre une forme de réalisation d'un dispositif générateur dynamique où un siège 1 141 est monté sur un étrier 1130 commandé en rotation par un motoréducteur 1 131 pour déplacer le siège 1 141 appartenant à une nacelle non représentée 1 140 autour d'un axe de rotation passant par l'articulation 1132 de l'étrier sur un élément support mobile 1 120 lui-même capable de pivoter autour d'un axe longitudinal X' situé au-dessous de lui à l'aide d'un motoréducteur 1 121 et d'une paire de biellettes 1 122.
On réalise ainsi une commande d'inclinaison opérant sous la nacelle pour réaliser des effets proprioceptifs en accélération/freinage à l'aide du motoréducteur 1 131 et en virage à l'aide du motoréducteur 1121 .
Les figures 1 1 B à 1 1 D illustrent un autre dispositif générateur dynamique où un premier bras 1 160 entraîné par un motoréducteur 1161 peut pivoter par rapport à une ossature fixe 1150 autour d'un axe horizontal transversal. Une courroie 1 162 passant autour d'un premier galet 1163 fixe solidaire de l'ossature entraîne, lors du pivotement du bras 1160, la rotation d'un galet 1171 qui est solidaire d'une pièce de structure 1170 et qui l'entraîne en rotation autour d'un axe horizontal transversal.
On comprend que si les galets 1 163 et 1171 ont le même diamètre, un entraînement par le motoréducteur 1 161 provoque un changement d'inclinaison du bras 1 160 sans modifier l'inclinaison de la pièce de structure 1 170. Si les galets 1163, 1171 ont des diamètres différents, alors les variations d'inclinaison du bras 1 160 s'accompagnent d'une certaine variation d'inclinaison de la pièce 1 170. Dans les deux cas, le motoréducteur 1161 permet de déplacer la pièce 1 170 dans le plan longitudinal, avec ou non une composante de rotation selon l'axe Y.
La pièce de structure 1 170 porte un pivot 1 172 d'axe horizontal longitudinal sur lequel est monté un second bras 1 180 s'étendant vers le haut et à l'extrémité supérieure duquel est prévu un pivot 1 173 pour une nacelle 1 140, dont le siège 1141 est représenté. Un second motoréducteur 1174 entraîne un premier galet 1175 autour duquel passe une courroie 1176 qui passe également, dans la région de l'extrémité supérieure du bras 1 180, autour d'un galet 1148 solidaire de la nacelle.
Ce motoréducteur 1 174 permet ainsi de commander la rotation de la nacelle autour de l'axe X, pour créer l'effet proprioceptif centrifuge.
Le motoréducteur 1161 assure quant à lui l'effet proprioceptif d'accélération freinage, le cas échéant combiné à un effet de changement d'altitude.
En référence aux Figures 12A à 12D, on a représenté un dispositif générateur dynamique qui s'apparente à celui des Figures 6A et 6B par la présence d'un cardan définition un point de rotation sensiblement au niveau de l'utilisateur (ici au niveau d'un ensemble d'utilisateurs placés sur une rangée de sièges 1241 ).
Le dispositif comprend une ossature fixe 1200 comprenant un cadre rectangulaire fixe 1202 porté par quatre pieds 1201 et définissant deux articulations opposées avant arrières 1203 pour un cadre intérieur mobile 1210.
Un motoréducteur 121 1 et un mécanisme de transmission dont une partie est visible en 1212 assurent la rotation d'un cadre intérieur 1210 porté par les pivots 1203 autour de l'axe X, pour permettre de générer l'effet de force centrifuge.
La nacelle 1240 portant les sièges 1241 est quant à elle montée sur deux articulations latérales 1213 du cadre intérieur 1210, permettant une rotation autour de l'axe Y.
Un autre motoréducteur (non visible) associé à un mécanisme de transmission approprié assure la rotation de la nacelle autour de l'axe Y pour ainsi restituer les effets proprioceptifs d'accélération/freinage.
Le dispositif ci-dessus peut être complété avec des mécanismes assurant, en complément de la rotation 2 axes, des translations selon les axes X et Y, les pivots décrits ci-dessus étant dans ce cas des pivots glissants le long des membrures correspondantes des cadres extérieur et intérieur. La
Figure 12C donne un exemple d'implémentation mécanique de tels pivots glissants, avec une crémaillère 1280 solidaire du cadre, une première roue dentée 1281 et une deuxième roue dentée 1282 tournant sur l'axe formant le pivot respectif.
En référence maintenant aux Figures 13A à 13D, une autre forme de réalisation d'un dispositif générateur dynamique comprend un ensemble de trois pieds 1300 chacun réalisé en deux parties formant un compas motorisé au niveau de son angle. Ainsi chaque pied comprend une première partie 1301 possédant un appui au sol 1302 et une deuxième partie 1303 solidarisée à une nacelle 1340 via une liaison 1304 à cardan, cette liaison étant dotée d'un motoréducteur 1308 capable de forcer la rotation de la partie de bras 1303 par rapport à une platine 1330 portant la nacelle 1340 autour d'un axe perpendiculaire au plan de la platine 1330 (voir Figure 13B).
Les deux parties 1301 , 1303 de chaque bras sont reliées entre elles par une liaison pivotante 1305 en formant entre elles un angle peut être commandé par un motoréducteur 1306. On comprend qu'en commandant indépendamment chacun des trois motoréducteurs 1306 et des trois motoréducteurs 1308 dans des conditions compatibles avec les liaisons mécaniques en présence, il est possible d'appliquer à la nacelle 1340 des déplacements générant une variété d'effets proprioceptifs, en particulier des effets d'accélérations/freinage et de force centrifuge en virage.
En référence maintenant à la Figure 14, on a illustré schématiquement un dispositif générateur dynamique G selon l'un des modes de réalisation décrits ci-dessus. Ce dispositif comprend une nacelle N comprenant un siège S pour un utilisateur et, dans le cas d'un simulateur de conduite automobile, un volant V et un pédalier P. Il comprend également des moyens motorisés
M pour commander les déplacements de la nacelle N, selon les principes discutés dans ce qui précède.
Un dispositif électronique de capture et de transmission CT, de type connu en soi, recueille les informations de position du volant et de position de la pédale d'accélération, de la pédale de frein et le cas échéant de la pédale d'embrayage. Une unité centrale UC exécute un programme informatique de simulation, ici de simulation de conduite automobile, en réponse à des entrées constituées par les signaux fournis par le dispositif CT, à l'aide d'interfaces d'entrée appropriées.
En fonction desdites entrées, le programme de simulation engendre une restitution visuelle, et le cas échéant sonore, pour un casque de réalité virtuelle VR destiné à être porté par l'utilisateur installé dans le siège S, et engendre également des signaux de commande de mouvement de la nacelle pour les moyens d'entraînement M du dispositif G, typiquement des commandes d'inclinaison autour d'un axe horizontal transversal, proche de la tête de l'utilisateur, pour restituer des effets d'accélération/freinage, et des commandes d'inclinaison autour d'un axe horizontal longitudinal, également proche de la tête de l'utilisateur, pour restituer des effets de force centrifuge en virage à gauche ou à droite.
Bien entendu, la présente description n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites et représentée, mais inclut également toute variante ou modification qui viendra spontanément à l'esprit de l'homme du métier à l'aide de ses connaissances générales. Elle inclut également toute combinaison d'éléments pris dans les différents modes de réalisation dans la mesure ou l'homme du métier appréhendera ces éléments comme étant techniquement compatibles.

Claims

Revendications
1 . Dispositif générateur dynamique pour système de réalité virtuelle, comprenant une nacelle mobile portant un siège et montée sur une structure fixe, des moyens d'entraînement pour incliner la nacelle selon au moins deux axes de rotation, les deux axes passant au voisinage de tête d'un utilisateur lorsqu'il est installé dans le siège, et des moyens de commande des moyens d'entraînement en fonction des effets dynamiques recherchés.
2. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel la nacelle est suspendue au niveau d'un centre de rotation de la nacelle selon au moins un axe.
3. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel les deux axes de rotation ont un point d'intersection, la nacelle étant suspendue au niveau du centre de rotation commun aux deux axes.
4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel la suspension est réalisée par un cardan.
5. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel la suspension est située immédiatement au-dessus du siège (Fig. 5A).
6. Dispositif selon la revendication 4, dans lequel le cardan est annulaire et disposé autour du siège (Fig. 6A).
7. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel la nacelle est rigidement reliée à une platine, et les moyens d'entraînement sont aptes à déplacer de façon individuelle trois points de la platine situés aux trois sommets d'un triangle (Fig. 2A, Fig. 8A).
8. Dispositif selon la revendication 7, dans lequel les moyens d'entraînement comprennent trois bras à géométrie variable reliés au trois points de la platine (Fig. 2A, Fig. 8A).
9. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel la nacelle est rigidement reliée à un bras de levier par lequel la nacelle est suspendue au niveau d'un point de suspension, et les moyens d'entraînement sont aptes à déplacer en translation selon deux directions un point du bras de levier de façon individuelle trois points de la platine situés aux trois sommets d'un triangle (Fig. 3A).
10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel les moyens d'entraînement sont fixés dans une région inférieure de la nacelle (Fig. 4, Fig. 5, Fig. 6).
1 1. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel les moyens d'entraînement comprennent un chariot commandé selon deux directions orthogonales de glissement par des moteurs (Fig. 4A).
12. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel les moyens d'entraînement comprennent deux pistes de roulement en arc de cercle centrées sur les axes de rotation respectifs, solidaires d'une ossature fixe du dispositif.
13. Dispositif selon la revendication 12, dans lequel les moyens d'entraînement comprennent en outre deux roues à faible coefficient de frottement, appliquées avec effort contre les pistes respectives.
14. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel la nacelle est suspendue au niveau d'un pivot définissant l'un des axes de rotation, ledit pivot étant monté sur une structure tournant autour de l'autre axe de rotation (Fig. 7A).
15. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel la nacelle est apte à coulisser sur un berceau formant une glissière située selon un arc de cercle centré sur l'un des axes de rotation, ledit berceau étant apte à pivoter selon l'autre axe de rotation (Fig. 9A).
16. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel la nacelle est apte à la fois à être inclinée selon les deux axes de rotation et à être translatée selon au moins l'un des deux axes (Fig. 10A).
17. Dispositif selon la revendication 1 , lequel comprend un premier bras articulé sur une ossature fixe selon un premier axe, un élément de liaison intermédiaire articulé sur le premier bras selon un axe parallèle au premier axe, et un second bras articulé sur ledit élément de liaison intermédiaire selon un deuxième axe, la nacelle étant articulé sur ce second bras pour pouvoir tourner autour d'un axe parallèle à ce deuxième axe, les moyens d'entraînement agissant en rotation au niveau desdites articulations (Fig. 1 1 B).
18. Dispositif selon la revendication 17, dans lequel chaque bras comporte un moyen de transmission entre ses deux articulations selon des axes parallèles.
19. Dispositif selon la revendication 6, comprenant également des moyens pour entraîner la nacelle en translation selon au moins l'un des deux axes de rotation (Fig. 12A).
20. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel la platine est constituée par une base de la nacelle (Fig. 13A)
21. Dispositif selon la revendication 20, dans lequel les bras à géométrie variable comprennent des pieds constitués de compas motorisés, et les moyens d'entraînement sont également aptes à commander une rotation au niveau de l'attache de chaque pied à la base de la nacelle.
22. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 21 , dans lequel les moyens de commande sont aptes à provoquer une action des moyens d'entraînement telle que l'accélération dynamique décroît à due concurrence de l'augmentation de l'accélération gravitationnelle.
23. Dispositif selon la revendication 22, dans lequel la loi de décroissance s'exprime de la façon suivante :
Gp = Gdyn + G.sinQ
ou Gp est l'accélération programmée,
Gdyn est l'accélération dynamique, et
G.sinQ est l'accélération gravitaire résultant de l'inclinaison de la nacelle.
24. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 23, dans lequel les moyens de commande des moyens d'entraînement sont aptes à sélectivement générer un mode d'accélération par translation ou un mode d'accélération par inclinaison, ou un mode d'accélération combiné, combinaison des deux.
25. Dispositif selon la revendication 24, dans lequel les moyens de commande des moyens d'entraînement sont sensibles à un seuil d'inclinaison de la nacelle pour faire varier le mode d'accélération.
26. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 25, dans lequel chacun des deux axes forme un angle avec la verticale.
27. Système de réalité virtuelle, comprenant en combinaison un dispositif générateur dynamique selon l'une des revendications 1 à 25, un casque de réalité virtuelle, et une unité centrale apte à appliquer au casque des signaux de restitution visuelle et à appliquer au générateur cinématique des signaux de commandes associés à la restitution visuelle.
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