Sistema vestible para interacción con entornos remotos mediante información gestual y sensaciones táctiles y procedimiento de uso.

Sistema vestible para interacción con entornos remotos mediante información gestual y sensaciones táctiles y procedimiento de uso.

La presente invención consiste en un sistema vestible (1) que interactúa con un sistema remoto (2) intercambiando información gestual y sensaciones táctiles. El sistema vestible (1) envía información gestual que aporta un usuario humano (3) a través de un traje háptico de captura de movimiento (4) y guantes hápticos de datos (5). El sistema remoto (2) es estimulado por la información gestual recibida y envía al sistema vestible (1) sensaciones táctiles relacionadas a la reacción ante dichos estímulos. El sistema vestible (1) puede utilizarse para tareas de operación remota de máquinas (9) como manipuladores, vehículos autónomos o simuladores de realidad virtual (10). También puede aplicarse en el análisis de procedimientos de rehabilitación. Adicionalmente, dos o más sistemas vestibles (1) pueden utilizarse para complementar la interacción social a distancia entre dos o más usuarios humanos (3).

SISTEMA VESTIBLE PARA INTERACCIÓN CON ENTORNOS REMOTOS MEDIANTE INFORMACIÓN GESTUAL Y SENSACIONES TÃ?CTILES Y PROCEDIMIENTO DE USO

Sector técnico La presente invención puede utilizarse en toda aplicación que requiera la interacción con un sistema remoto, como puede ser un sistema de tele-operación con arquitectura maestro-esclavo, un simulador de realidad virtual o un sistema para interacción social a distancia. Los sistemas maestro-esclavo están formados por un usuario humano que utiliza un sistema 10 maestro para controlar un sistema esclavo real o virtual. El sistema esclavo puede ser un sistema físico, como un robot manipulador o cualquier otro dispositivo mecatrónico. El usuario humano y los dispositivos esclavos pueden presentar geometrías similares, como es el caso en robots industriales antropomórficos. O bien, tratarse de geometrías totalmente distintas desde un punto de vista cinemático, como es el caso de vehículos aéreos, 15 terrestres y submarinos.

También se puede aplicar en sistemas para interacción social a distancia, para complementar la comunicación entre dos o más personas mediante el intercambio de información gestual y sensaciones táctiles. Dicha interacción incluye la asistencia a 20 personas no videntes o con movilidad reducida. Por otro lado, la invención puede aplicarse dentro del sector de la medicina física y rehabilitación como sistema para monitorear los procedimientos de rehabilitación en pacientes que presenten déficit motor, con la finalidad de mejorar dichos procedimientos para mantener o devolver al paciente el mayor grado de capacidad funcional e independencia posible. 25

Antecedentes de la invención Las referencias WO2005/114556A2, WO2012/093147A1, US2013/0096575A1, emplean cámaras de vídeo y sensores láser de profundidad, para capturar imágenes en dos o tres dimensiones. Dichas imágenes son procesadas para realizar el seguimiento de marcas o 30 características distintivas de un usuario humano, como pueden ser su cabeza o extremidades y así obtener un modelo virtual con las posiciones de los segmentos del cuerpo del usuario. Los movimientos representados en el modelo virtual, se interpretan como gestos y se envían como señales de comando o disparo de eventos a dispositivos mecatrónicos o interfaces de realidad virtual. Estas referencias presentan sistemas en los 35 cuales el usuario humano envía información gestual a un sistema remoto, sin embargo presentan las siguientes diferencias en comparación con la presente invención:

â?¢ Volumen de visión limitado por los dispositivos de captura de imágenes.

â?¢ Pérdida de los marcadores cuando el usuario supera los límites de visión de la 5 cámara.

â?¢ La eficiencia de estos sistemas está restringida a ambientes interiores controlados debido a que los cambios de intensidad lumínica afectan las imágenes capturadas.

â?¢ La interacción entre dos o más usuarios dificulta el funcionamiento de estos sistemas, ya que el solapamiento entre el cuerpo y los marcadores de cada usuario produce la 10 pérdida de referencias, imposibilitando los cálculos del sistema.

Las referencias ES2351143B1, US8165844B2, presentan sistemas de captura de movimiento basados en sensores que registran la interacción del usuario con interfaces físicas y convierten dicha interacción en consignas de control para comandar dispositivos 15 mecatrónicos o modelos cinemáticos simulados. La referencia ES2351143B1 presenta un sistema para el control de manipuladores basado en el uso de guantes de datos que calculan la magnitud, dirección y sentido de la fuerza que ejerce un usuario humano sobre una carga sujeta por un manipulador industrial. Entre los inconvenientes que este sistema presenta, encontramos que el usuario debe ubicarse en el mismo entorno que la carga a 20 manipular. Por lo cual no es posible la interacción a distancia y aumenta el riesgo de accidentes cuando se trata de cargas peligrosas. Además, requiere contacto directo del usuario con la máquina, limitando así la capacidad del sistema al control de un único dispositivo a la vez.

Se considera de especial interés la referencia US8165844B2, que presenta un traje equipado con unidades de medición inercial acopladas a los segmentos del cuerpo de un usuario humano. Dicho traje calcula la localización de los segmentos del cuerpo y envía la información a simuladores de realidad virtual y otras aplicaciones informáticas. Este sistema es robusto porque utiliza unidades de medición inercial, sin embargo presenta las siguientes 30 diferencias en comparación con la presente invención:

â?¢ El traje no posee dispositivos que permitan la interacción del usuario humano con el simulador.

â?¢ Solo es posible la comunicación con el sistema de realidad virtual de forma 35 unidireccional.

â?¢ Solo es posible el envío de información con las extremidades del cuerpo.

â?¢ El traje no mide el movimiento de los dedos de las manos del usuario humano.

â?¢ No es posible el envío de información gestual al simulador a partir de las manos del usuario.

La presente invención trata de un sistema vestible para interacción con entornos remotos mediante información gestual y sensaciones táctiles, que resuelve los inconvenientes mencionados anteriormente y ofrece nuevas posibilidades de interacción a distancia.

Descripción de la invención 10

La presente invención se refiere a un sistema vestible para la interacción de un usuario humano con una o más máquinas o personas ubicadas en entornos remotos mediante el intercambio de información gestual y sensaciones táctiles. El sistema vestible comprende un traje háptico de captura de movimiento e información gestual, uno o dos guantes hápticos de datos y un ordenador que comunica el sistema vestible con uno o más sistemas remotos y 15 proporciona información visual al usuario humano. El sistema vestible envía la información gestual que aporta un usuario humano a través del traje háptico de captura de movimiento y de los guantes hápticos de datos. El sistema remoto es estimulado por la información gestual recibida y envía al usuario del sistema vestible, sensaciones táctiles relacionadas a la reacción del sistema remoto ante dichos estímulos. 20

El traje háptico de captura de movimiento está formado por una pluralidad de unidades de medición inercial y vibradores, distribuidos en los miembros superiores e inferiores, manos, torso y cabeza del usuario humano, de tal forma que las unidades de medición inercial calculan la orientación espacial de los segmentos del cuerpo del usuario respecto a un 25 sistema de referencia global, y los vibradores o arreglos de vibradores, reflejan sensaciones táctiles al usuario humano. Se entiende por unidad de medición inercial a todo dispositivo formado por componentes electrónicos y mecánicos alojados en una carcasa. Los componentes electrónicos comprenden de una tarjeta con un magnetómetro, un giróscopo y un acelerómetro e integra un procesador que fusiona las lecturas de estos sensores y las 30 convierte en vectores o matrices que representan la orientación espacial de la unidad de medición inercial respecto de un sistema de referencia global, que está definido por la dirección del campo magnético de la tierra y la dirección de la fuerza de gravedad. Además, posee elementos indicadores comprendidos por diodos emisores de luz que muestran el estado de funcionamiento de la unidad de medición inercial al usuario. Un primer diodo 35 indica el encendido de la unidad inercial. Un segundo diodo indica posibles estados de error en el funcionamiento de la unidad inercial. Y un tercer diodo muestra estados de conexión de la unidad inercial con el ordenador. Adicionalmente, una tarjeta electrónica auxiliar permite conectar la tarjeta con los sensores y el procesador al ordenador mediante conectores mecánicos y otras unidades de medición inercial en serie. Asimismo, la tarjeta auxiliar permite activar uno o varios motores vibradores, capaces de transmitir sensaciones 5 táctiles al usuario, suministrando la potencia eléctrica. Asimismo, las unidades de medición inercial poseen un vibrador o un arreglo de vibradores, que consiste en una pluralidad de vibradores, los cuales proporcionan sensaciones táctiles al usuario.

El guante háptico de datos utiliza una unidad de medición inercial, goniómetros resistivos 10 articulados, sensores de fuerza y vibradores. La unidad de medición inercial mide la orientación espacial de la región dorsal de la mano respecto del antebrazo del usuario humano en comparación con un sistema de referencia local. Los goniómetros resistivos articulados miden la posición de cada dedo a partir del movimiento de las falanges. Los sensores de fuerza...

1. Sistema vestible para interacción de un usuario humano (3) con una o más máquinas o personas ubicadas en entornos remotos caracterizado porque comprende los siguientes elementos: 5

a. Un traje háptico (4) para la captura de información gestual y el movimiento corporal de un usuario humano (3) que comprende a su vez de:

i. una pluralidad de unidades de medición inercial (25) que calculan la orientación espacial de los segmentos del cuerpo del usuario humano (3) respecto a un sistema de referencia global, 10

ii. uno o más vibradores (30) o arreglos de vibradores (79) que proporcionan sensaciones táctiles al usuario (3)

b. Uno a dos guantes hápticos de datos (5) para la captura del movimiento de las manos del usuario humano (3) que comprende a su vez de:

i. una unidad de medición inercial (25) que mide la orientación espacial 15 de la región dorsal de la mano respecto del antebrazo en comparación con un sistema de referencia local,

ii. goniómetros resistivos articulados (54, 55 y 56) que miden la posición de cada dedo a partir del movimiento de las falanges,

iii. uno o más sensores de fuerza (62) que detectan el contacto de las 20 yemas de los dedos con superficies u objetos,

iv. uno o más vibradores (76) , situados en las falanges distales de la mano que proporcionan sensaciones táctiles al usuario humano (3)

c. Un ordenador (6) que incluye:

i. medios de recepción de señales emitidas por el traje háptico (4) y por 25 los guantes hápticos (5) ,

ii. medios de control de los vibradores del traje (30) y (79) y de los vibradores de los guantes (76) que proporcionan al usuario información háptica que proviene del sistema remoto (2) ,

iii. medios de procesamiento para la localización de los segmentos y 30 manos del cuerpo del usuario con respecto a un sistema de referencia global y medios para comparar y descifrar mediante un modelo biomecánico los movimientos del usuario (3) con los existentes en una base de datos (15) de signos y gestos,

iv. medios de visualización (7) que proporcionan al usuario información 35 visual que proviene del sistema remoto (2) ,

v. medios de comunicación (8) que intercambian información mediante señales eléctricas con uno o más sistemas remotos (2) .

2. Sistema vestible según reivindicación 1 caracterizado porque el traje háptico de captura de movimiento (4) está formado por componentes modulares adaptados a una o 5 más extremidades y cuerpo del usuario (3) .

3. Sistema vestible según reivindicaciones 1 a 2 caracterizado porque las unidades de medición inercial (25) se fijan al cuerpo del usuario (3) mediante bases de sujeción universales adaptadas a las extremidades (26) , al calzado (31) , a los guantes (32) y al 10 pecho (35) .

4. Sistema vestible según reivindicaciones 1 a 3 caracterizado porque la base de sujeción de las extremidades (26) comprende de dos ranuras (28) para fijar el conjunto (21) con una cinta que rodea un segmento de las extremidades de usuario (3) . 15

5. Sistema vestible según reivindicaciones 1 a 4 caracterizado porque la base de sujeción del calzado (31) comprende de seis agujeros (32) para fijar el conjunto (22) al calzado del usuario (3) .

6. Sistema vestible según reivindicaciones 1 a 5 caracterizado porque la base de sujeción de los guantes (33) comprende de cuatro anclajes (34) para fijar el conjunto (23) a la región dorsal del guante háptico de datos (5) .

7. Sistema vestible según reivindicaciones 1 a 6 caracterizado porque la base de sujeción 25 del pecho (35) comprende de seis ranuras (36) distribuidas de forma circular para fijar el conjunto (24) mediante una o varias cintas a la región pectoral del usurario (3) .

8. Sistema vestible según reivindicaciones 1 a 7 caracterizado porque las unidades de medición inercial (25) comprenden los siguientes elementos: 30

a. Una carcasa (40) que aloja componentes electrónicos y mecánicos

b. Una tarjeta (44) que comprende a su vez un magnetómetro, un giróscopo y un acelerómetro e integra un procesador que fusiona sus lecturas y las convierte en matrices o vectores representativos de la orientación espacial de la unidad de medición inercial (25) respecto a un sistema de referencia global 35 asociado a la dirección del campo magnético de la tierra y la dirección de la fuerza de gravedad

c. Un diodo emisor de luz (43) para indicar el encendido de la unidad de medición inercial (25)

d. Un diodo emisor de luz (42) para indicar la existencia de errores de funcionamiento de la unidad de medición inercial (25)

e. Un diodo emisor de luz (41) para indicar la conexión de la unidad de medición 5 inercial (25) con el ordenador (6)

f. Una tarjeta auxiliar (46) que conecta la tarjeta (44) con el ordenador (6) y otras unidades de medición inercial (25) mediante tres conectores mecánicos (37) y (38) y que suministra potencia eléctrica a un motor vibrador (50) .

9. Sistema vestible según reivindicaciones 1 a 8 caracterizado porque las unidades de medición inercial (25) comprenden de un vibrador (30) o arreglo de vibradores (79) que proporcionan sensaciones táctiles al usuario (3) .

10. Sistema vestible según reivindicaciones 1 a 9 caracterizado porque los arreglos de 15 vibradores (79) comprenden de una pluralidad de vibradores (30) que proporcionan sensaciones táctiles al usuario (3) .

11. Sistema vestible según reivindicaciones 1 a 10 caracterizado porque los guantes hápticos de datos (5) pueden utilizarse en una o ambas manos del usuario y cada 20 guante puede estar equipado para uno o más dedos de la mano en función de la aplicación.

12. Sistema vestible según reivindicaciones 1 a 11 caracterizado porque los goniómetros resistivos articulados (54) para medir la abducción del dedo pulgar (57) , los goniómetros 25 resistivos articulados (55) para medir la flexión de los dedos índice (58) , medio (59) , anular (60) y meñique (61) , los goniómetros resistivos articulados (56) para medir la abducción de los dedos índice (58) y medio (59) de los guantes hápticos (5) se fijan a unas bases de sujeción (63, 64 y 65) , ubicadas en la región dorsal del guante (66) .

13. Sistema vestible según reivindicaciones 1 a 12 caracterizado porque los goniómetros resistivos articulados (54) para medir la abducción del dedo pulgar (57) comprende los siguientes elementos:

a. Un sensor resistivo flexible (67) que mide el movimiento de abducción del dedo pulgar (57) 35

b. Dos bases de sujeción (65) que fijan el sensor (67) a la región dorsal del guante háptico (5) entre el metacarpo del dedo pulgar y el metacarpo del dedo índice.

14. Sistema vestible según reivindicaciones 1 a 13 caracterizado porque los goniómetros resistivos articulados (55) para medir la flexión de los dedos índice (58) , medio (59) , 5 anular (60) y meñique (61) comprende los siguientes elementos:

a. Dos sensores resistivos flexibles (67) que miden el movimiento de flexión del dedo

b. Un grupo de elementos (68) para la sujeción sobre el metacarpo del dedo de la mano del usuario (3) de un sensor resistivo flexible (67) que desliza 10 libremente a través del grupo (69)

c. Un grupo de elementos (69) para la sujeción sobre la falange proximal de otro sensor resistivo flexible (67) que desliza libremente a través de una pieza guía (74)

d. Un grupo de elementos (70) que posee un vibrador (76) generador de 15 sensaciones táctiles sobre la falange media de la mano del usuario (3) .

15. Sistema vestible según reivindicaciones 1 a 14 caracterizado porque los goniómetros resistivos articulados (56) para medir la abducción de los dedos índice (58) y medio (59) comprende los siguientes elementos: 20

a. Un sensor resistivo flexible (67) que mide el movimiento de abducción del dedo índice (58) y dedo medio (59)

b. Dos bases de sujeción (75) que fijan el sensor (67) a la región dorsal del guante háptico (5) sobre la falange proximal del dedo índice y la falange proximal del dedo medio. 25

16. Procedimiento para la utilización del sistema vestible descrito en las reivindicaciones 1 a 15 caracterizado porque el usuario humano (3) calibra el modelo biomecánico del sistema de reconocimiento (14) mediante la realización de una rutina de movimientos preestablecidos que ajusta los límites mínimos y máximos de movimiento. 30

17. Procedimiento de acuerdo a la reivindicación 16 caracterizado porque el usuario (3) realiza movimientos con información gestual que es convertida en señales eléctricas por el traje háptico (4) y los guantes hápticos (5) .

18. Procedimiento de acuerdo a las reivindicaciones 16 a 17 caracterizado porque la información gestual que realiza el usuario (3) se codifica a partir de lenguajes de comunicación no verbales mediante el sistema de reconocimiento (14) .

19. Procedimiento de acuerdo a las reivindicaciones 16 a 18 caracterizado porque el 5 sistema vestible codifica las señales eléctricas del traje (4) y guantes (5) en comandos de control y mediante técnicas de aprendizaje supervisado las almacena en una base de datos (15) en el sistema de reconocimiento (14) .

20. Procedimiento de acuerdo a las reivindicaciones 16 a 19 caracterizado porque el 10 sistema de reconocimiento (14) compara las señales eléctricas del traje (4) y los guantes (5) con información almacenada previamente en la base de datos (15) y genera comandos de control.

21. Procedimiento de acuerdo a las reivindicaciones 16 a 20 caracterizado porque el 15 sistema vestible envía al sistema remoto (2) los comandos de control generados por el usuario (3) .

22. Procedimiento de acuerdo a las reivindicaciones 16 a 21 caracterizado porque el sistema remoto (2) puede ser otro usuario humano (11) permitiendo el intercambio de 20 información gestual a distancia.

23. Uso del sistema vestible, descrito en las reivindicaciones 1 a 22, en un sistema maestro comandado por un usuario humano (3) que controla un sistema esclavo real (9) o virtual (10) , como pueden ser un robot manipulador, un vehículo submarino, un simulador de 25 procedimientos de rehabilitación y un dispositivo mecatrónico.