TRANSDUCTOR ELECTROGESTUAL PARA INTERACCION CINEMATICA HOMBRE-MÁQUINA.

1. Transductor electrogestual para interacción cinemática hombre-máquina (6) caracterizado porque comprende un sensor de campos eléctricos (3),

una electrónica de procesado y generación de señales (4) y una unidad de control de máquina (5) opcional, para convertir movimientos generados por la mano u objetos, en señales eléctricas adecuadas a la máquina (7) a controlar.

2. Transductor electrogestual para interacción cinemática hombre-máquina (6) según reivindicación 1, caracterizado porque el sensor (3) comprende uno o varios electrodos emisores (3a) y uno o varios electrodos receptores (3c), más una capa de tierra aislados entre sí, de forma y tamaño adecuado a la máquina (7) a controlar, pudiendo ser el número y las formas de los electrodos emisores y receptores diferentes.

3. Transductor electrogestual para interacción cinemática hombre-máquina (6) según reivindicación 1, caracterizado porque el sensor (3) comprende una matriz (n filas por m columnas) de electrodos emisores (3an.m) y por una matriz (y filas por z columnas) de electrodos receptores (3cy.z), donde 1

TRANSDUCTOR ELECTROGESTUAL PARA INTERACCIÓN CINEMÁTICA HOMBRE-

MÁQUINA

SECTOR DE LA TÉCNICA

La siguiente invención pertenece al campo de la electrónica y control de dispositivos, y más concretamente al tipo de interacción hombre-máquina, mediante un nuevo transductor electrogestual para interacción de forma cinemática (mediante movimientos de la mano), cuyo principio físico de detección cinemática son campos eléctricos.

El objeto de la presente invención es proteger un nuevo transductor electrogestual cuya definición es "dispositivo capaz de convertir patrones de movimientos previamente definidos en señales eléctricas", emplea los campos eléctricos como medio de detección cinemático y su aplicabilidad industrial, cuya principal función es controlar cualquier tipo de máquina (electrodomésticos, electrónica de consumo, lámparas, ordenadores, entre otros dispositivos que permitan ser controlados por el usuario) con movimientos definidos y estándar de la mano u otro objeto sin necesidad de tocar la máquina, dentro de un rango de actuación acotado por el sensor del transductor electrogestual.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Interacción, es un término que se refiere a una relación dada entre el ser humano o la persona y la máquina a través de una interface, en esta nueva invención será del tipo cinemático (mediante patrones de movimiento definidos). La definición está configurada en la comprensión que lleva al ser humano a realizar una extensión de sus capacidades. Por la extensión de capacidades por medio de las máquinas, se entiende las ventajas que dan al ser humano para realizar otras tareas concomitantes, dejando las rutinarias o de tipo autómata a las máquinas. Además por extensión se comprende la posibilidad de realizar tareas que comprendan las máquinas como interface para la comunicación directa o indirecta con otros seres humanos. En esta relación de hombres o personas y máquinas, se comprende que las interacciones en sí, se relacionan con los procesos internos automáticos del ser humano, que son rutinas de procesamientos de la información, así las máquinas llevan en sí algoritmos que procuran mejorar el desempeño de la persona, y aumentar su inteligencia y capacidad.

El primer dispositivo de control de una máquina desde el punto de vista de la interacción hombre-máquina fue el interruptor y pulsadores, como por ejemplo para apagar/encender la máquina, activar una luz, un movimiento o una determinada función. La tecnología evolucionó y esas mismas funciones fueron reemplazadas por la tecnología táctil, en la cual tocando una superficie en una determinada posición, se realizaban entre otras, las mismas funciones anteriormente descritas.

Las anteriores enumeradas tienen diversos inconvenientes y el principal es que tienes que tocar el interruptor/pulsador y/o la placa táctil para poder interactuar con la máquina, con el riesgo que ello conlleva para el ser humano, el tocarla, ya que puede estar a altas temperaturas, cargada eléctricamente y/o existir la posibilidad de no poder interactuar con la máquina, que está en una zona aislada y el ser humano en otra no aislada, entre otras contingencias.

Actualmente, existe una técnica de reconocimiento gestual que emplea una cámara de video y un software específico de reconocimiento de imágenes y seguimiento, básicamente. Esta tecnología resuelve los problemas anteriores, pero genera otros, como son por ejemplo, la necesidad de unas condiciones de iluminación adecuada, coste en material hardware y software, visión directa entre hombre y máquina, entre otros.

Es conocido un tipo de diseño de sensor (3) definido en la patente "Electrode design for electric field measurement system", de número de solicitud PCT/EP2013/071905.

También existe en el mercado una solución integrada en el chip MGC 3130, para el procesamiento de señales (4) y detección de este tipo de sensores.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

El inventor de la presente solicitud ha desarrollado un nuevo transductor electrogestual que resuelve los problemas anteriores y que emplea sólo campos eléctricos (sin usar cámaras con un procesamiento software de reconocimiento de imágenes) como variable física de detección, para determinar movimientos específicos de la mano, así como la ubicación espacial en 3D (tridimensional) de ésta en un determinado volumen dentro del área del alcance del sensor de campos eléctricos, que contiene el transductor electrogestual.

La teoría de operación del sensor de campos eléctricos y cómo a raíz de la variación de éstos de manera localizada, se es capaz de realizar la detección determinando y siguiendo el movimiento de la mano o cualquier otro objeto conductor o no conductor es la siguiente. El sensor se compone de una superficie aislante que sirve de soporte y de electrodos, que son cargados mediante la aplicación de un determinado voltaje. Estos electrodos por poseer una carga, debida al estar sometidos a un potencial, generan un campo eléctrico, que se propaga por toda la superficie del sensor.

Aplicando corriente continua (DC) a un electrodo tenemos un campo eléctrico constante. Aplicando corriente alterna (AC), la carga varía con el tiempo y con ello el campo eléctrico. Cuando la carga varía sinusoidalmente con la frecuencia f, la resultante de la onda electromagnética está caracterizada por la longitud de onda A=c/f, donde c es la velocidad de la luz en el vacío. En los casos en los que la longitud de la onda es mucho mayor que la geometría del electrodo, la componente magnética es prácticamente nula y ninguna propagación electromagnética tiene lugar, teniendo como resultado un casi estático campo eléctrico que se puede aplicar para detectar objetos conductores como el cuerpo humano.

Este sensor usa un transmisor (Electrodo TX) de frecuencias variables de hasta 150KHz (la frecuencia f y su forma de onda no es excluyente de la presente invención), la cual refleja una longitud de onda mínima de 2kms. Para sensores rectangulares grandes de por ejemplo de 40 cm x 40cm vemos que el electrodo es relativamente pequeño respecto a los 2kms, obteniendo así sólo un campo eléctrico de la componente electromagnética.

En el caso de que la mano de una persona invada el volumen de actuación del sensor, que viene representado por el área física del sensor y por la altura de alcance de los campos eléctricos; el campo eléctrico será distorsionado, ya que las líneas de campo al atravesar la mano serán canalizadas a tierra debido al carácter conductor del cuerpo humano disminuyendo tridimensionalmente el campo eléctrico en esa zona de irrupción de la mano.

En el caso de que un objeto inerte invada el volumen de actuación del sensor, también se produciría la detección de éste de la misma manera anteriormente explicada, a diferencia de que éste objeto dependiendo de su naturaleza puede poseer carga eléctrica, interrumpir las

líneas de campo, canalizarlas y/o amplificarlas, etc. produciendo así una variación del campo eléctrico y así su detección.

Este sensor usa un mínimo número de receptores (Electrodos RX) de uno, para sólo detección de mano/objeto, de dos para detección de mano y dirección del movimiento de ésta, para aplicaciones de pulsador e interruptor respectivamente. Con estos electrodos en función de su localización en el sensor y su atenuación de campo, se detecta con precisión la localización de la mano. El transductor electrogestual computa la información recibida por los electrodos RX, en tiempo real para calcular posición. Con variaciones de posición se computan movimientos, sus velocidades y en función de estos, generar una salida para llevar el control de la máquina.

El número de electrodos RX y TX, así como el tamaño y forma del transductor, dependen de la aplicación final y no son excluyentes de la presente invención. Para ilustración de la invención se emplearan cinco electrodos RX y un TX, como ejemplo, obteniendo así un total de seis movimientos de control, como se describirá más adelante.

La interface de control de un dispositivo mediante transductor electrogestual de campos eléctricos se compondría de los siguientes bloques de elementos:

a) Sensor. Compuesto de un medio soporte y aislante de área y forma definidas en función del tipo de aplicación final, en el cual se pintarán, pegarán, depositarán, o cualquier otro medio los electrodos de material metálico (preferentemente de cobre, plata u oro)

b) Procesador y generador de señales digital. Para generar la señal que produce el campo eléctrico en el electrodo TX y recibir, procesar y computar las señales de los receptores (electrodos RX), e indicar en forma de patrones...

1. Transductor electrogestual para interacción cinemática hombre-máquina (6) caracterizado porque comprende un sensor de campos eléctricos (3), una electrónica de procesado y generación de señales (4) y una unidad de control de máquina (5) opcional, para convertir movimientos generados por la mano u objetos, en señales eléctricas adecuadas a la máquina (7) a controlar.

2. Transductor electrogestual para interacción cinemática hombre-máquina (6) según reivindicación 1, caracterizado porque el sensor (3) comprende uno o varios electrodos emisores (3a) y uno o varios electrodos receptores (3c), más una capa de tierra aislados entre sí, de forma y tamaño adecuado a la máquina (7) a controlar, pudiendo ser el número y las formas de los electrodos emisores y receptores diferentes.

3. Transductor electrogestual para interacción cinemática hombre-máquina (6) según reivindicación 1, caracterizado porque el sensor (3) comprende una matriz (n filas por m columnas) de electrodos emisores (3a_n.m) y por una matriz (y filas por z columnas) de electrodos receptores (3c_y.z), donde 1<=n<={inf}, 1<=m<={inf}, 1<=y<={inf} y 1<=z<={inf}), más una capa de tierra aislados entre sí, de forma y tamaño adecuado a la máquina (7).

4. Transductor electrogestual para interacción cinemática hombre-máquina (6) según la reivindicación 2 ó 3, caracterizado porque el sensor (3) está fabricado usando un PCB (placa de circuito impreso) rígido de n capas (3a, 3c, 3e, 3g) de fibra de vidrio o baquelita, donde se grabarán los electrodos y la capa de tierra.

5. Transductor electrogestual para interacción cinemática hombre-máquina (6) según la reivindicación 2 ó 3, caracterizado porque el sensor (3) está fabricado usando un PCB (placa de circuito impreso) flexible de n capas (3a, 3c, 3e, 3g), donde se grabarán los electrodos y la capa de tierra.

6. Transductor electrogestual para interacción cinemática hombre-máquina (6) según la reivindicación 2 ó 3, caracterizado porque el sensor (3) está fabricado usando un material distinto al PCB, rígido no conductor de n por m capas intercaladas, donde en las capas n (3a, 3c, 3e, 3g) se pintarán con una pintura conductora los electrodos y la capa de tierra, siendo las capas m (3b, 3d, 3f) aislantes, de forma y tamaño, en función de la máquina (7), estando todas las capas adheridas entre si y paralelas.

7. Transductor electrogestual para interacción cinemática hombre-máquina (6) según la reivindicación 2 ó 3, caracterizado porque el sensor (3) está fabricado usando un material distinto al PCB, de tejido flexible no conductor de n por m capas intercaladas, donde en las capas n (3a, 3c, 3e, 3g) se pintarán con una pintura conductora los electrodos y la capa de tierra, siendo las capas m (3b, 3d, 3f) aislantes, de forma y tamaño dependiendo de la máquina (7) a controlar, estando todas las capas adheridas unas a las otras y paralelas.

8. Transductor electrogestual para interacción cinemática hombre-máquina (6) según reivindicación 1, caracterizado porque la electrónica de procesado y generación de señales (4) comprende un buffer (44), por cada uno de los electrodos de recepción del sensor (3), así como un filtro pasa bajos anti-aliasing (50), que se amplifica con un amplificador de ganancia programable (51), para convertirse de analógica a digital con un convertidor A/D (52), volcando los datos al bus de datos (43) del SPU (54) que es una unidad de procesado de señal digital. También comprende un generador de funciones (48) de una frecuencia variable de 1Hz a 150KHz, por cada electrodo de transmisión del sensor (3), unas fuentes de tensión de referencia (40), un controlador de ahorro energético y detector de salida de este modo LPWU (41), que pilotará la unidad de manejo de energía (PMU) (42) del SPU (54). También comprende un sistema WD (watch dog) (47) del SPU, para llevar a cabo un reset (46), así como unidades de memoria RAM y ROM. También comprende una electrónica (44), para entregar una señal de salida del tipo permanentemente alto, permanentemente bajo, pulso o negación del estado anterior NOT, para cada patrón de reconocimiento y una salida de bus de datos digital (45), tal y como se ha descrito en la memoria que antecede.

9. Transductor electrogestual para interacción cinemática hombre-máquina (6) según reivindicación 8, caracterizado porque la electrónica de procesado y generación de señales (4) está toda integrada en un único circuito integrado o en una mezcla de varios, empleando o no componentes externos.

10. Transductor electrogestual para interacción cinemática hombre-máquina (6) según reivindicación 8, caracterizado porque la electrónica de procesado y generación de señales (4), está parte integrada en un microcontrolador y parte en circuitos integrados, adicionalmente a los componentes electrónicos discretos, que se necesiten.

11. Transductor electrogestual para interacción cinemática hombre-máquina (6) según reivindicación 1, caracterizado porque la unidad de control de máquina (5) comprende un convertidor de protocolo y bus de datos (55), de bus de datos digital serie (45) a otros protocolos y/o buses de comunicaciones, RS-232, I2C, SPI, USB, SENT J2716, LIN, Ethernet, u otro más conveniente para la máquina (7) a controlar. También comprende de los elementos de pilotaje/aislamiento (56) de la máquina (7), como relés, transistores, tiristores, triacs, u otro componente o asociaciones de componentes más adecuados, que requiera la máquina a controlar (7).

12. Transductor electrogestual para interacción cinemática hombre-máquina (6) según reivindicación 1, caracterizado porque el sensor (3), la electrónica de procesado y generación de señales (4) y una unidad de control de máquina (5), están realizados en circuitos diferentes y (4a), (5a) y (7a) son los cableados con conectores adecuados a los circuitos y máquina (7) a controlar, respectivamente.

13. Transductor electrogestual para interacción cinemática hombre-máquina (6) según reivindicación 1, caracterizado porque el sensor (3) y la electrónica de procesado y generación de señales (4) están implementados en el mismo circuito y la unidad de control de máquina (5) está realizada en un circuito diferente, donde (4a) son interconexiones internas y (5a) y (7a) son los cableados con conectores adecuados al circuito del control de máquina (5) y máquina (7), respectivamente.

14. Transductor electrogestual para interacción cinemática hombre-máquina (6) según reivindicación 1, caracterizado porque el sensor (3), la electrónica de procesado y generación de señales (4) y la unidad de control de máquina (5) están implementadas en el mismo circuito, donde (4a) y (5a) son interconexiones internas y (7a) es el cableado con conectores adecuados a la máquina (7).

15. Transductor electrogestual para interacción cinemática hombre-máquina (6) según reivindicación 1, caracterizado porque estará aislado mediante un material no conductor (2d) de la zona de interacción con el hombre (la persona), en el lado del sensor (3), destinada a la interacción.