S'il vous plaît, touchez-moi. Pas!

Dans cette tribune réservée aux lecteurs, l'auteur décrit les systèmes IHM pour une utilisation sans contact, notamment ceux de son entreprise basée en Allemagne.

de Rudolf Sosnowsky

Connaissez-vous le thérémine ? Cet instrument de musique presque oublié possède une particularité : on peut en jouer sans le toucher. C’est précisément ce que rendent possibles les solutions présentées ici : le fonctionnement sans contact des ascenseurs. Déclencher des actions sans contact devient de plus en plus accessible : ouvrir le coffre de sa voiture les bras chargés, répondre à un appel téléphonique en faisant la vaisselle ou simplement pousser la poignée peu engageante des toilettes publiques.

L'obligation de ne pas avoir les mains libres existe aussi dans le monde professionnel. Vous portez peut-être des gants de protection parce que vous manipulez des substances dangereuses, ou parce que vous n'êtes pas autorisé à toucher quoi que ce soit avec vos mains pour des raisons d'hygiène et de santé. Des réglementations spécifiques encadrent ces situations : dans l'industrie agroalimentaire, le port de gants est fréquent ; dans le secteur médical, où la stérilité est de rigueur, tout objet non stérile doit être manipulé après avoir changé de gants.

La situation actuelle suscite l'intérêt pour le fonctionnement d'équipements ne nécessitant pas de contact physique direct. Selon une étude d'UltraLeap, un fabricant d'interfaces sans contact, l'acceptation des écrans tactiles a diminué. En supposant un certain niveau de complexité (c'est-à-dire pas celui du capteur de proximité d'un distributeur de savon), il existe différentes options pour cela, qui sont présentées ici.

Défis et propositions

Le fonctionnement sans contact des appareils et des machines est motivé par les mesures de précaution actuelles, l'exigence de stérilité des opérateurs et des matériaux dans la technologie et le fonctionnement médicaux - même dans les vêtements de protection. Ces technologies sont à la pointe de l'interaction sans contact direct entre opérateur et équipement :

• Écran tactile infrarouge de nouvelle technologie
• « Écran tactile volant » (écran tactile à distance)
• Écran tactile holographique
• Écran tactile HY-gienic
• Écran tactile 3D avec commande gestuelle
• Commande vocale hors ligne

Il existe d'autres technologies qui sont encore à leurs balbutiements ou sans rapport avec les applications présentées ici.

Technologie infrarouge

La technologie d'écran tactile infrarouge (IR) est bien connue. Un rideau de lumière infrarouge est interrompu par un objet introduit dans le trajet du faisceau ; cette interruption est évaluée et renvoyée au contrôleur en tant qu'événement tactile. L'écran tactile n'a pas besoin d'être situé directement au-dessus de l'écran, mais peut également être monté à une certaine distance. Ceci est particulièrement avantageux pour les appareils à risque de vandalisme, tels que les distributeurs automatiques et les distributeurs automatiques de billets, car l'écran peut être protégé des chocs mécaniques par une vitre résistante. Pour les applications qui attendent une reproduction optique optimale, telles que l'imagerie médicale ou le prépresse, le panneau de verre peut être omis. En principe, l'écran tactile IR fonctionne également sans affichage sous-jacent, il pourrait donc également être monté devant une plaque imprimée. Sa compatibilité électromagnétique bénigne en fait un support d'entrée robuste.

L'inconvénient est la parallaxe causée par la distance entre le capteur et le plan image ; les écrans tactiles infrarouges standard ne prennent pas en charge le fonctionnement multipoint et la reconnaissance des gestes. Ils doivent être protégés de la lumière étrangère avec des filtres IR et sont faciles à saboter, par exemple avec un morceau de chewing-gum. Le remède est la nouvelle génération d'écrans tactiles IR, qui, au lieu d'interrompre une grille lumineuse, évalue la réflexion d'un objet dans le trajet du faisceau.

Grâce à une disposition astucieuse des diodes laser émettrices et réceptrices, deux événements tactiles et gestes peuvent être détectés simultanément dans le champ lumineux. Le principe de réflexion permet un montage sur un seul côté du boîtier, ce qui est très avantageux pour l'intégration. Un algorithme de balayage intelligent empêche tout sabotage simple, comme décrit ci-dessus. Une fréquence d'échantillonnage élevée de 200 Hz garantit une détection sans délai. Une optique optimisée avec une ouverture lumineuse étroite offre une résistance élevée à la lumière ambiante. Une large plage de températures de -40°C à +80°C garantit une utilisation dans toutes les applications. Les exemples incluent les installations industrielles, les machines agricoles et les véhicules spéciaux, les gros équipements médicaux et les applications de style de vie, telles que les meubles de cuisine et de maison modernes. La figure 1 montre une coupe transversale du principe de fonctionnement.

« Flying Touch » – Écran tactile détaché

Basé sur le principe de l'écran tactile IR, le Flying Touch est très similaire. La différence est que le capteur IR est monté comme un rideau (voir Figure 2) à distance de la surface. L'événement tactile est détecté chaque fois qu'un objet traverse le trajet lumineux. Il n'est pas nécessaire de toucher la surface sous-jacente. Il est à la discrétion de l'utilisateur d'arrêter le mouvement du doigt avant de toucher complètement la surface. La fonctionnalité est la même qu'avec l'écran tactile IR.

Écran tactile holographique

L'écran tactile infrarouge de nouvelle génération joue un rôle essentiel dans le fonctionnement sans contact. Le système se compose de deux parties : l'écran tactile, qui détecte les interactions tactiles et les gestes grâce à un rideau infrarouge invisible, et une image projetée de manière holographique dans l'air. Physiquement, l'affichage de l'image virtuelle n'est pas un hologramme, car il n'utilise pas de lumière monochromatique et cohérente, et l'image ne varie pas en fonction de l'angle de vue. En réalité, une propriété particulière du matériau est exploitée : les rayons lumineux diffus convergent au niveau de l'image virtuelle, créant ainsi l'impression d'une représentation flottante. C'est le terme « holographie » qui désigne ce phénomène.

Projection 3D

L'image holographique apparaît debout librement dans les airs. Ceci est causé par une plaque optique qui dévie l'image générée par the source L'image est projetée selon les lois de l'optique. À l'instar d'un affichage tête haute dans une voiture (voir figure 3), le conducteur voit à travers le pare-brise une image affichant des informations supplémentaires telles que la vitesse, la signalisation et les instructions de navigation en réalité augmentée. Son attention reste ainsi concentrée sur la route et l'image virtuelle. Cet affichage déporté soulage la fatigue oculaire du conducteur, qui n'a plus à faire d'ajustement entre la vision de près (tableau de bord) et la vision de loin (route). L'image est générée par un écran ou un projecteur situé au niveau des pieds et projetée sur le pare-brise, doté d'un revêtement partiellement réfléchissant à cet endroit, grâce à un système de lentilles.

Dans le système actuel, la configuration est très similaire. La plaque 3D génère une image virtuelle qui semble « tangiblement » proche de l'utilisateur. Cette image virtuelle est générée au point situé à la même distance du miroir que l'écran lui-même (voir figure 4). En remplaçant le plan image par un capteur infrarouge surplombant la surface de l'image, on peut détecter et analyser les interactions tactiles et les gestes effectués « dans l'air » sans avoir à toucher quoi que ce soit.

Puisqu'il existe une relation angulaire fixe entre l'affichage, la plaque de projection et l'image finale, la géométrie d'installation de l'affichage et de la plaque de projection détermine l'orientation de l'image virtuelle. La figure 5 montre deux situations d'installation courantes d'un système de projection. Une image verticale est créée par un écran monté horizontalement et une plaque à 45 degrés, tandis qu'une plaque de projection horizontale crée une image inclinée à 45 degrés.

Applications

Les lieux et les appareils utilisés par de nombreuses personnes sont prédestinés aux applications sans contact. La signalisation numérique dans le commerce de détail, par exemple la sélection de menus dans les restaurants fast-food, se gère sans contact direct, tout comme les panneaux d'orientation et d'information dans les centres commerciaux. Les commandes d'ascenseur, à la fois pour les boutons d'appel à l'étage et pour la sélection d'étage dans la cabine, sont évidentes.

Écran tactile HY-gienic

L'écran tactile HY-gienic est basé sur le fait que le rayonnement UV-C a un effet mortel sur les germes et les virus. C'est un pour et un contre : le rayonnement UV-C tue les cultures indésirables, mais il est également nocif pour les organismes. L'irradiation du corps humain ou de parties du corps doit être évitée à tout prix. Puisqu'il est invisible, une extrême prudence doit être exercée. L'efficacité dépend de la dose, qui est l'intensité multipliée par le temps d'exposition. Si une surface de l'écran tactile doit rester hygiéniquement propre pour chaque utilisateur, elle doit être nettoyée avant que l'utilisateur suivant ne s'approche du terminal. Le temps d'exposition étant considérable, un fonctionnement continu est difficile à obtenir. De plus, le fonctionnement continu ne doit pas utiliser de consommables et la technologie doit pouvoir résister à de nombreux contacts sans usure.

L'idée derrière la solution proposée est l'alternance des phases de fonctionnement et de désinfection, sans interruption de l'utilisation. Pour une solution « sans usure », il est souhaitable d'éviter tout contact entre l'opérateur et la surface de l'appareil. Cette exigence peut être satisfaite par l'utilisation d'un écran tactile infrarouge. Celui-ci doit être monté à distance de la vitre de protection afin d'éviter tout contact. En cas de contact accidentel, la vitre de protection doit être désinfectée. L'exigence de disponibilité permanente du terminal et de nettoyage avant chaque utilisation peut être satisfaite par une vitre de protection déplacée vers une station de nettoyage après chaque utilisation. Si la vitre de protection offre une surface d'affichage deux fois supérieure à la surface requise, une partie peut être recouverte et désinfectée pendant que l'utilisateur manipule la partie visible. Voir également la figure 6.

Comment fonctionne la désinfection

La vitre de protection est deux fois plus grande que la zone d'affichage active. Ainsi, alors qu'une partie est accessible pour le fonctionnement, la seconde partie est couverte et décontaminée dans la gamme UV. Étant donné que le capteur IR est monté dans un plan devant le verre de protection, aucun contact physique entre l'opérateur et le verre de protection n'est requis. Une fois que l'opérateur a terminé la procédure, la partie ouverte et potentiellement contaminée de la lamelle couvre-objet est déplacée vers la région UV du côté opposé. Un essai clinique est en cours et une demande de brevet a été déposée pour cette technologie.

Applications

Il existe un large éventail d'applications. Les marchés cibles sont les terminaux publics tels que les distributeurs automatiques, les points de vente, les guichets automatiques, les terminaux d'enregistrement/de départ dans les hôtels et les aéroports et les interfaces homme-machine dans les systèmes de santé.

Contrôle gestuel 3D

Contrairement au contrôle qualitatif d'un système de conception assistée par ordinateur, ou CAO, seul un contrôle qualitatif est possible lors du contrôle de l'interface homme-machine (IHM) via des gestes. Cela ne nécessite pas de coordonnées absolues, mais des positions relatives.

La commande permet de sortir l'appareil du mode veille lorsqu'on s'en approche, et des réglages quasi-analogiques, comme le volume, s'effectuent par rotation. Un balayage horizontal est interprété comme un défilement, et une position statique peut déclencher des actions programmées, à l'instar des écrans tactiles : le survol affiche des informations supplémentaires ou déclenche une action, par exemple en cliquant avec le bouton droit de la souris.

Principe de fonctionnement

Un champ est étiré entre deux électrodes d'un condensateur. Dans le cas du 3D Touch, celui-ci est aligné de sorte qu'il dépasse vers l'extérieur (c'est-à-dire vers l'opérateur/le spectateur). Lors de l'étalonnage, la capacité de ce condensateur est mesurée comme référence. Chaque objet qui entre dans le champ influence les lignes de champ, donc la capacité entre les deux électrodes (voir Figure 7). La procédure de mesure évalue le changement et le convertit en une distance de l'objet à la fois de chacune des deux électrodes et des deux ensemble. La première évaluation donne une position entre les deux électrodes, et la deuxième pointe dans la troisième dimension. Si une deuxième paire d'électrodes est disposée orthogonalement à la première, la position dans l'autre axe peut être déterminée de la même manière.

Aussi élégante et simple que puisse paraître la méthode décrite en théorie, sa mise en œuvre est complexe en pratique. Les intensités de champ mesurées varient en fonction d'influences externes, qu'il s'agisse de température, d'humidité ou de tolérances mécaniques, au sein d'une gamme d'appareils. Le contrôleur tactile utilise des méthodes AI pour déduire le signal d'origine en évaluant les valeurs mesurées. En conséquence, la reconnaissance des gestes fonctionne de manière très similaire à la parole et à l'écriture manuscrite. Le haut degré d'intégration du CI (circuit intégré ou micropuce) le rend facile à utiliser pour l'utilisateur, qui n'a pas à s'occuper du fond théorique. La figure 8 montre comment les électrodes d'un système tactile 3D sont construites.

Applications

La technologie 3D Touch peut être utilisée partout où la reconnaissance gestuelle devant un écran tactile est requise, sans que la résolution ni la précision soient des critères essentiels. Dans de nombreuses applications, l'écran tactile 3D repose sur un écran 2D sous-jacent qui détermine la position sur le plan x/y. Le principal avantage de cette technologie réside dans la possibilité d'effectuer des gestes « à l'aveugle », sans regarder l'écran tactile. Dans des situations comme la conduite automobile, cela contribue à la sécurité routière. Un glissement de doigt permet de sélectionner la piste CD ou la station de radio suivante, tandis qu'un mouvement circulaire ajuste le volume. Le retour haptique est fourni par l'oreille de l'utilisateur, et non par la vue.

Outre les produits grand public tels que les ordinateurs portables et les appareils audio (par exemple, les casques Bluetooth®), la maison connectée joue également un rôle. Pour les appareils électroménagers, les commandes de climatisation et de stores ou les interrupteurs, la troisième dimension permet d'activer des fonctions. Au lieu de viser précisément le capteur, un simple mouvement de la main devant celui-ci suffit à déclencher la fonction par défaut, qui, par exemple, éteint toutes les lumières lorsque l'utilisateur quitte la pièce.

Dans le domaine médical, la technologie 3D peut faciliter le fonctionnement des équipements médicaux car les actions peuvent être réalisées sans contact et l'opérateur reste stérile. Prenons l'exemple d'un éclairage opératoire dont la position, la luminosité et la couleur peuvent être ajustées sans toucher.

La technologie tactile 3D peut également être utilisée sans écran. Le champ est suffisamment puissant pour pénétrer les plateaux de table en bois ou les plans de travail de cuisine, ce qui ouvre des champs d'application intéressants.

Contrôle Vocal

En particulier lorsque les mains sont inutilisables ou impraticables pour manipuler une commande, ou lorsque le regard ne peut être détourné de l'objet observé (par exemple lors d'une opération ou sous un microscope ou une loupe), la commande vocale révèle tous ses avantages. Il est essentiel de souligner la possibilité de saisir simultanément commandes et paramètres en une seule phrase, plutôt que de parcourir les menus d'une interface graphique pour paramétrer chaque fonction individuellement. Toutes les commandes et tous les réglages d'une interface graphique traditionnelle sont accessibles simultanément depuis l'interface principale, ce qui représente un gain d'efficacité considérable.

En principe, on distingue la commande vocale en ligne et hors ligne. Les appareils qui sont généralement connectés en réseau avec d'autres appareils (par exemple les appareils électroniques grand public, la domotique et la commande multimédia) peuvent commander d'autres appareils via le réseau. D'autres appareils autonomes profitent du fonctionnement hors ligne : le fonctionnement est garanti même dans les zones sans couverture réseau, les données sont sécurisées grâce à l'approche « privacy by design » et l'installation fixe garantit une disponibilité à long terme indépendamment du fournisseur d'accès Internet.

La commande vocale suscite un intérêt croissant pour les biens d'équipement industriels, car elle offre davantage de possibilités de fonctionnement et une flexibilité accrue. Compte tenu de la longue durée de vie des machines et des exigences accrues en matière de sécurité de production, l'utilisateur potentiel a des besoins supplémentaires : la solution de saisie vocale doit être disponible sur le long terme et évolutive. Le mot d'activation, également appelé « mot de réveil », doit être librement sélectionnable. Plusieurs langues internationales doivent être disponibles, dont une sélectionnée lors de l'installation ou de la maintenance.

Applications

La commande vocale accélère les tâches de fonctionnement complexes en combinant des commandes et des paramètres en une seule étape. Le support peut être contextuel, ce qui est particulièrement important pour la réalité augmentée. La récupération des données dans les systèmes experts est simplifiée et les assistants numériques et les outils de collaboration optimisent les flux de travail.

Un aspect est également la journalisation en cours de processus. Certaines tâches de routine peuvent être effectuées sans la main d'un opérateur et la machine peut vérifier automatiquement l'intégralité du journal. Cela joue un rôle particulier dans la documentation d'assurance qualité lors de la maintenance des machines ou de l'inspection des aéronefs. Les résultats peuvent être saisis directement dans le système, qui saisit les données directement au bon endroit dans le journal, quelle que soit la séquence.

Concevoir avec la commande vocale

Grâce à un environnement de développement web, quelques étapes suffisent pour définir un système pour votre application. Le dialogue vocal, c'est-à-dire le mot d'activation qui invite le système à saisir les commandes autorisées et leurs paramètres, est compilé dans l'outil web sous forme de champ de saisie de texte (voir figure 9). La première étape de traitement a lieu dès la saisie : les graphèmes, c'est-à-dire les caractères saisis, sont convertis en phonèmes, c'est-à-dire les plus petites unités acoustiques de la parole.

Une fois tous les mots définis, l'apprentissage automatique et des algorithmes basés sur l'IA sont utilisés pour traduire les ressources linguistiques définies en un modèle statistique et sémantique à télécharger. Le résultat est téléchargé sur la plate-forme cible et lancé. Ensuite, la prise réseau peut être retirée ; le produit final fonctionne de manière autonome. Le flux dans l'application terminée est illustré à la Figure 10.

Les besoins en ressources d'exécution sont modérés. Par conséquent, le système est également adapté à l'intégration collaborative, où la commande vocale s'exécute en parallèle avec le logiciel d'application.

Applications

Les applications de commande vocale hors ligne incluent les appareils électroménagers et de cuisine, les machines de commande dans les restaurants fast-food, les colonnes d'information dans les centres commerciaux et de voyage, dans la technologie de test et de mesure et dans l'environnement stérile de la technologie médicale.

Autres technologies

En plus des technologies mentionnées ci-dessus, il existe d'autres technologies qui ne nécessitent pas de contact direct avec les surfaces.

Suivi de l'oeil

Le suivi oculaire évalue le mouvement des pupilles et des paupières pour contrôler le curseur et déclencher des actions en cliquant = clignotant. Pour l'utilisateur inexpérimenté, l'opération est plutôt difficile. La focalisation rigide des yeux entraîne de la fatigue, de sorte que cette méthode de saisie n'est réalisable que pendant un temps limité.

Micro-radar

Un radar peut être utilisé pour détecter et évaluer la position d'objets dans son champ de vision. Cette technologie n'a pas encore d'importance pour le fonctionnement des équipements et des machines.

LiDAR/ToF

La détection et la télémétrie de la lumière (LiDAR) sont basées sur un champ lumineux qui peut être utilisé pour détecter des objets et des gestes dans l'espace. La résolution est plus élevée qu'avec un radar. La méthode du temps de vol (ToF) mesure le temps nécessaire à la lumière émise par un émetteur pour atteindre le récepteur après avoir été réfléchie par un objet. Les applications pour cela incluent les téléphones portables (mesure de distance par caméra, reconnaissance faciale) et les véhicules (conduite autonome).

BCI

Connue sous le nom d'interface cerveau-ordinateur (ICO), cette interface directe « du cerveau à l'ordinateur » analyse les ondes cérébrales pour traduire les courants électriques des nerfs en mouvements d'un robot. Parmi ses applications, on trouve les exosquelettes qui assistent les personnes dans leurs activités physiques et les prothèses qui remplacent ou compensent les fonctions altérées. Cette technologie est encore en développement, car un logiciel d'intelligence artificielle est nécessaire pour interpréter correctement les tensions détectées.

Résumé

Pour utiliser un appareil sans contact direct, plusieurs options sont disponibles selon l'application, le lieu d'installation et le groupe d'utilisateurs. Les écrans tactiles infrarouges à distance de nouvelle génération, comme les écrans tactiles holographiques, permettent un positionnement précis de la saisie, tandis que les écrans tactiles 3D avec commande gestuelle sont plus adaptés à une saisie qualitative (« plus/moins »). En cas d'impossibilité d'utiliser l'appareil, la commande vocale hors ligne offre une alternative à l'interface graphique classique.

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Références
[1] hy-line-group.com
[2] neonode.com
[3] microchip.com
[4] voiceinterconnect.de