ITMI20100208A1 - HANDLING DEVICE FLEXIBLE FOR BIMANUAL INTERACTION BY PRESSURE AXIAL ROTATION AND HANDLING OF HANDLEBARS - Google Patents
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Description
Descrizione Description
L’invenzione “dispositivo manipolabile afferrabile per l’interazione bimanuale mediante pressione, rotazione assiale e traslazione di manopole” a nome di Caporusso Nicholas, codice fiscale CPRNHL81C31A662T, residente in Bari al Vico Capurso 30, concerne un dispositivo elettromeccanico, costituito da un numero di manopole ruotabili con un grado di libertà e traslabili su assi estensibili contenuti in detti elementi, atto a comporre messaggi e comandi mediante l’uso di entrambe le mani e predisposto a inviare gli stessi a un elaboratore digitale 0 a un altro dispositivo elettronico. The invention "manipulable device that can be grasped for bimanual interaction by means of pressure, axial rotation and translation of knobs" in the name of Caporusso Nicholas, tax code CPRNHL81C31A662T, resident in Bari at Vico Capurso 30, concerns an electromechanical device, consisting of a number of knobs rotatable with a degree of freedom and translatable on extensible axes contained in said elements, adapted to compose messages and commands by using both hands and arranged to send them to a digital computer or to another electronic device.
Le applicazioni software e in particolare i videogiochi hanno modificato il modo in cui gli utenti possono interagire con gli elaboratori elettronici. Di conseguenza, i requisiti delle periferiche manipolabili, in termini di possibilità di articolazione delle mani e di mobilità degli arti, sono cambiati nel corso degli anni. Funzioni di controllo sempre più sofisticate nelle interfacce utente dei sistemi software hanno determinato la crescente domanda di dispositivi in grado di simulare le azioni di manipolazione tipiche della vita reale in maniera sempre più verosimile al modo con cui gli uomini interagiscono con oggetti di uso quotidiano. Esistono numerosi dispositivi di tipo noto che consentono di comporre messaggi e comandi e di inviarli a un elaboratore elettronico mediante sensori che riconoscono operazioni di manipolazione generiche, come pressione di tasti e lo spostamento su un piano o nello spazio. Software applications and in particular video games have changed the way users can interact with computers. As a result, the requirements of manipulatable peripherals, in terms of hand articulation and limb mobility, have changed over the years. More and more sophisticated control functions in the user interfaces of software systems have led to the growing demand for devices capable of simulating the manipulation actions typical of real life in an increasingly plausible way to the way humans interact with everyday objects. There are numerous known devices which allow messages and commands to be composed and sent to an electronic computer by means of sensors which recognize generic manipulation operations, such as pressing keys and moving them on a plane or in space.
1 sistemi manipolabili più utilizzati sono la tastiera e il mouse, che si rivelano inefficaci in contesti in cui si richiede all'utente di interagire in piedi o addirittura in movimento. A tale scopo, sono stati sviluppati dispositivi come il joypad, che consentono di essere afferrati con le mani, senza richiedere una superficie esterna su cui essere poggiati durante l’uso, e di utilizzare una mano o entrambi gli arti superiori per inviare i segnali di controllo. Rispetto alla manipolazione nello spazio, un'ulteriore evoluzione è rappresentata dall’apparato di controllo Wii remote. La maggior parte dei dispositivi di tipo noto riguarda periferiche in grado di inviare all’utente uno stimolo aptico, come ad esempio il dispositivo “TorqueBAR” presentato da Swindells et al. Inoltre, allo stato dell’arte vi sono strumenti musicali elettronici alternativi, oppure ausili per disabili e sistemi per la riabilitazione motoria che utilizzano dispositivi estensibili o manipolabili. Il dispositivo brevettato con US Patent numero 7233313 dal titolo “Control knob with multiple degrees of freedom and force feedback” fornisce un’interfaccia utilizzabile su una superficie di appoggio, basata su una sola manopola con un numero di gradi di libertà e dotata di ritorno di forza relativo alla manipolazione. Manopole motorizzate sono utilizzate dal dispositivo US Patent 6828957 dal titolo “Haptic-sensegeneration input device that is reduced in size by a gear mechanism”. Tuttavia, tali dispositivi prevedono l’uso di una sola manopola operante una rotazione con uno o più gradi di libertà. Allo stato dell'arte nessun brevetto prevede un dispositivo afferrabile (tale da non richiedere superfici esterne) che permetta di rilevare i movimenti simultanei quali la rotazione e la traslazione di un numero di manopole su un asse e che converta tali manipolazioni in segnali di controllo per un sistema elettronico. Inoltre, nessun dispositivo realizza una modalità di input espansibile in maniera modulare dall’utente, secondo le sue necessità. The most used manipulable systems are the keyboard and the mouse, which prove to be ineffective in contexts where the user is required to interact standing or even in motion. For this purpose, devices such as the joypad have been developed, which allow it to be grasped with the hands, without requiring an external surface on which to be rested during use, and to use one hand or both upper limbs to send the signals of check. Compared to manipulation in space, a further evolution is represented by the Wii remote control apparatus. Most known devices concern peripherals capable of sending the user a haptic stimulus, such as the "TorqueBAR" device presented by Swindells et al. In addition, in the state of the art there are alternative electronic musical instruments, or aids for the disabled and systems for motor rehabilitation that use extensible or manipulable devices. The device patented with US Patent number 7233313 entitled "Control knob with multiple degrees of freedom and force feedback" provides a usable interface on a support surface, based on a single knob with a number of degrees of freedom and equipped with force relative to manipulation. Motorized knobs are used by the US Patent 6828957 device entitled “Haptic-sensegeneration input device that is reduced in size by a gear mechanism”. However, these devices provide for the use of a single knob operating a rotation with one or more degrees of freedom. In the state of the art, no patent provides for a graspable device (such as not to require external surfaces) which allows to detect simultaneous movements such as the rotation and translation of a number of knobs on an axis and which converts these manipulations into control signals for an electronic system. Furthermore, no device creates an input mode that can be modularly expanded by the user, according to his needs.
La traslazione, utilizzata dai musicisti nel movimento della coulisse per variare rarmonico di base del trombone a tiro, può fornire un mezzo per modificare la frequenza di un segnale. La rotazione con un grado di libertà può essere utilizzata per effettuare ulteriori regolazioni del segnale di controllo (ad esempio la variazione del timbro o la modulazione delTampiezza o della frequenza del segnale ad una scala più fine), simulando l’apertura e la chiusura di un coperchio awitabile. Ricreare tali dinamiche di interazione in un dispositivo elettronico permetterebbe la realizzazione di nuove modalità di comunicazione mediata da computer con applicazioni e videogiochi, oppure strumenti alternativi per l’espressione musicale, oppure periferiche per l’interazione con oggetti virtuali tridimensionali. Inoltre, fornire a tali dinamiche un sistema che permette al dispositivo di avere un’estensione modulare permetterebbe all’utente di assemblare il proprio sistema di interazione a seconda dell’uso. Il dispositivo oggetto della presente invenzione ha lo scopo di fornire un mezzo afferrabile e portabile per l’interazione con un elaboratore digitale tramite movimenti di manipolazione, quali pressione, rotazione e traslazione, effettuati mediante l’uso di una mano o di entrambe le mani. Per tale scopo, il dispositivo oggetto della presente invenzione è costituito da un numero di elementi indipendenti, dotati di sensori e attuatori, che, impilati su un asse longitudinale e interconnessi, consentono la composizione di messaggi, la generazione di segnali di controllo e la modulazione degli stessi mediante azioni di pressione contestuali a movimenti di rotazione e traslazione. L’invenzione è descritta in dettaglio nel seguito con riferimento alle figure delle tavole di disegni allegate che illustrano rispettivamente: figura 1 - immagine di un dispositivo composto da tre manopole; Translation, used by musicians in the movement of the drawstring to vary the basic rharmonic of the firing trombone, can provide a means of changing the frequency of a signal. Rotation with a degree of freedom can be used to make further adjustments to the control signal (such as varying the timbre or modulating the amplitude or frequency of the signal to a finer scale), simulating the opening and closing of a screwable cover. Recreating these interaction dynamics in an electronic device would allow the creation of new ways of computer-mediated communication with applications and video games, or alternative tools for musical expression, or peripherals for interacting with three-dimensional virtual objects. Furthermore, providing these dynamics with a system that allows the device to have a modular extension would allow the user to assemble their own interaction system according to use. The device object of the present invention has the purpose of providing a graspable and portable means for interacting with a digital computer through manipulation movements, such as pressure, rotation and translation, carried out through the use of one hand or both hands. For this purpose, the device object of the present invention consists of a number of independent elements, equipped with sensors and actuators, which, stacked on a longitudinal axis and interconnected, allow the composition of messages, the generation of control signals and the modulation of the same by means of pressure actions contextual to rotation and translation movements. The invention is described in detail below with reference to the figures of the attached drawing tables which respectively illustrate: Figure 1 - image of a device consisting of three knobs;
figura 2 - particolare di due manopole e dell’asse estensibile; figure 2 - detail of two knobs and the extendable axis;
figura 3 - esempio di interazione con un’applicazione per calcolatore mediante azioni di pressione su una manopola; figure 3 - example of interaction with a computer application by pressing on a knob;
figura 4 - esempio di interazione con un’applicazione per calcolatore mediante azioni di rotazione di due manopole; Figure 4 - Example of interaction with a computer application by rotating two knobs;
figura 5 - esempio di interazione con un’applicazione per calcolatore mediante azioni di traslazione di due manopole; figure 5 - example of interaction with a computer application through translation actions of two knobs;
Il dispositivo oggetto della presente invenzione è costituito da un numero di elementi impilabili 1, in seguito manopole. Dette manopole 1, di materiale rigido o semirigido, aventi la forma di un prisma, sono composte da un numero di facce laterali 2 e da due basi 3. Ciascuna delle manopole 1 è attraversata longitudinalmente da un asse di tipo noto 4, non limitatamente al tipo telescopico, di lunghezza variabile, estensibile in uno o in entrambi i versi. Ciascuna delle manopole comprende un apparato di tipo noto 5, ad esempio un perno, che permete a dete manopole la rotazione infinita con un grado di libertà (il verso della rotazione) attorno al proprio asse estensibile 4. Detto asse 4 è equidistante dai vertici delle basi e dai lati delle manopole. Inoltre, l’apparato per la rotazione 5 è collocato in modo da non determinare rotazioni ellitiche. Ciascuna delle manopole comprende un sensore di rotazione di tipo noto 6 (ad esempio un sensore di orientamento, un sensore inerziale o un dispositivo per variare la resistenza elettrica), che permete di misurare o rappresentare il grado di rotazione di detta manopola e le caratteristiche del movimento non limitate alla velocità angolare. Ciascuna delle manopole comprende un sensore di tipo noto 7 (ad esempio, di tipo otico, o un dispositivo per variare la resistenza elettrica), che permete di misurare o rappresentare la lunghezza dell’asse 4 di detta manopola, la relativa estensione, e caratteristiche del movimento di traslazione non limitate alla velocità e alla forza. Ciascuna delle estremità 8 degli assi estensibili può essere dotata di un apparato di ancoraggio di tipo noto 9, ad esempio basato su perno. La superficie di ciascuna delle facce laterali 2 ospita un numero di sensori di pressione o tocco di tipo noto 10, ad esempio pulsanti, e un numero di attuatori di tipo noto 11, ad esempio diodi luminosi. I sensori di pressione 10 presenti nelle manopole possono essere utilizzati singolarmente o in combinazione, e possono essere premuti individualmente, simultaneamente o in sequenza. Ciascuno degli attuatori 11 può essere utilizzato per comunicare all’utente lo stato del sistema o per inviargli informazioni funzionali all’interazione. Ciascuna delle basi 3 può ospitare, analogamente alle facce laterali 2, un numero di sensori di pressione di tipo noto 10, ad esempio pulsanti, e un numero di attuatori di tipo noto 11, ad esempio diodi luminosi. Alternativamente, ciascuna delle basi 3 delle manopole può comprendere un’apertura che permeta la fuoriuscita dell’estremità 8 del proprio asse estensibile 4. Ciascuna delle parti terminali 8 di detti assi estensibili è dotata di un apparato di ancoraggio 9 che ha la funzione di impedire il distacco accidentale di due manopole, mediante un sistema di tipo noto 12. Le manopole vengono impilate connettendo a due a due le stesse tramite le basi 3 per mezzo degli apparati di ancoraggio 9 collocati nella parte terminale 8 degli assi estensibili 4 di dette manopole. L’apparato di ancoraggio 9 di ciascuno degli assi estensibili comprende ulteriore meccanismo di tipo noto che consente di subordinare la rotazione di una manopola a quella di un’altra manopola adiacente, o di rendere la rotazione di una manopola indipendente da quella delle altre manopole. Le manopole comprendono un sensore di tipo noto, ad esempio una serie di contatti elettrici, che permette di rilevare l’awenuta connessione o disconnessione di un’altra manopola. Un numero arbitrario di manopole possono essere impilate nel dispositivo, in modo da formare una pila. Gli assi estensibili 4, opportunamente collegati, consentono l'allungamento del dispositivo mediante la traslazione delle manopole operata tramite l’allungamento dei relativi estensibili. Gli assi estensibili sono tali da limitare l’escursione della traslazione di ciascuna delle manopole alla lunghezza massima di ciascuno di detti assi estensibili. Dette manopole comprendono un sistema di elaborazione e di memorizzazione dei segnali di tipo noto che include metodi che permettono di convertire le manipolazioni acquisite dai sensori di pressione, di rotazione e di traslazione, in segnali di controllo digitali. Un sistema di trasmissione dei dati di tipo noto permette ai sistemi di elaborazione di ciascuna delle manopole di inviare e ricevere dati in una codifica di tipo noto. Tramite il sistema di trasmissione dati, ciascuna delle manopole, una volta impilata, è interconnessa in una rete che consente l’invio e la ricezione di dati da e verso un elaboratore elettronico o le altre manopole. Nel dispositivo possono essere collegate manopole aventi un numero eterogeneo di facce laterali. L'alfabeto dei comandi elementari che il dispositivo è in grado di inviare è proporzionale al numero di manopole impilate e al numero di pulsanti presenti su ciascuna di dette manopole. La comunicazione tra il dispositivo e un elaboratore elettronico può avvenire via cavo o tramite mezzi di trasmissione dati senza filo. Il dispositivo può ospitare una batteria al suo interno, eventualmente ricaricabile mediante un apparato di tipo noto che consente di collegare il dispositivo a una fonte di alimentazione esterna o alla rete elettrica. L’utente, impugnando il dispositivo con una mano o con entrambe le mani, può comporre messaggi e generare segnali di controllo mediante la pressione delle dita sui sensori 10 e tramite movimenti di rotazione e di traslazione delle manopole riconosciuti dai relativi sensori 6 e 7. I movimenti di manipolazione, quali la rotazione, la traslazione e la pressione, costituiscono il linguaggio dell’interazione e possono essere realizzati singolarmente o in combinazione, individualmente, simultaneamente o in sequenza. Il sistema di elaborazione e memorizzazione dei segnali comprende un elenco di impostazioni che permettono di convertire le azioni di manipolazione in segnali di controllo digitali definiti. La pressione può essere utilizzata per attivare eventi discreti in un elaboratore elettronico, ad esempio per avviare un’applicazione per computer, mentre la rotazione e l’estensione possono essere utilizzate per effettuare operazioni che richiedono un controllo continuo, ad esempio lo spostamento del cursore sullo schermo o la navigazione in una sequenza di opzioni. Il dispositivo può essere associato a metodi che permettono di definire nuovi segnali di controllo generati con combinazioni di rotazioni, traslazioni e pressioni, ad esempio la pressione contestuale su due sensori di una manopola unita alla rotazione e alla traslazione di un’altra manopola. L'utente può modificare l’organizzazione logica dei comandi secondo le sue preferenze motorie, cognitive e percettive, o per esigenze specifiche. Durante l'uso, alle manopole può essere assegnata una funzionalità o una priorità operativa differente, definita dal montaggio delle stesse o dall’utente. The device object of the present invention consists of a number of stackable elements 1, hereinafter knobs. Said knobs 1, made of rigid or semi-rigid material, having the shape of a prism, are composed of a number of lateral faces 2 and two bases 3. Each of the knobs 1 is longitudinally traversed by an axis of a known type 4, not limited to the telescopic type, of variable length, extendable in one or both directions. Each of the knobs comprises a known type apparatus 5, for example a pin, which allows said knobs to rotate infinitely with a degree of freedom (the direction of rotation) around their own extendable axis 4. Said axis 4 is equidistant from the vertices of the bases and on the sides of the knobs. In addition, the rotation apparatus 5 is positioned so as not to cause elliptical rotations. Each of the knobs comprises a known type of rotation sensor 6 (for example an orientation sensor, an inertial sensor or a device for varying the electrical resistance), which allows to measure or represent the degree of rotation of said knob and the characteristics of the movement not limited to angular velocity. Each of the knobs comprises a known type sensor 7 (for example, of the optical type, or a device for varying the electrical resistance), which allows to measure or represent the length of the axis 4 of said knob, the relative extension, and characteristics translation movement not limited to speed and force. Each of the ends 8 of the extensible axes can be equipped with an anchoring apparatus of a known type 9, for example based on a pin. The surface of each of the side faces 2 houses a number of known type pressure or touch sensors 10, for example buttons, and a number of known type actuators 11, for example light diodes. The pressure sensors 10 present in the knobs can be used individually or in combination, and can be pressed individually, simultaneously or in sequence. Each of the actuators 11 can be used to communicate the status of the system to the user or to send him information functional to the interaction. Each of the bases 3 can house, similarly to the side faces 2, a number of known-type pressure sensors 10, for example pushbuttons, and a number of known-type actuators 11, for example light-emitting diodes. Alternatively, each of the bases 3 of the knobs can comprise an opening which allows the end 8 of its extensible axis 4 to come out. Each of the terminal parts 8 of said extensible axes is equipped with an anchoring apparatus 9 which has the function of preventing the accidental detachment of two knobs, by means of a known type system 12. The knobs are stacked by connecting them two by two through the bases 3 by means of the anchoring devices 9 located in the terminal part 8 of the extensible axes 4 of said knobs. The anchoring apparatus 9 of each of the extendable axes includes a further mechanism of a known type that allows the rotation of a knob to be subordinated to that of another adjacent knob, or to make the rotation of a knob independent from that of the other knobs. The knobs include a known type sensor, for example a series of electrical contacts, which allows you to detect the connection or disconnection of another knob. An arbitrary number of knobs can be stacked in the device to form a stack. The extensible axes 4, suitably connected, allow the elongation of the device by means of the translation of the knobs operated by the elongation of the relative extensible. The extensible axes are such as to limit the travel of the translation of each of the knobs to the maximum length of each of said extensible axes. Said knobs comprise a signal processing and storage system of a known type which includes methods which allow to convert the manipulations acquired by the pressure, rotation and translation sensors into digital control signals. A known type of data transmission system allows the processing systems of each of the knobs to send and receive data in a known type of coding. Through the data transmission system, each of the knobs, once stacked, is interconnected in a network that allows the sending and receiving of data to and from a computer or other knobs. Knobs with a heterogeneous number of side faces can be connected to the device. The alphabet of the elementary commands that the device is able to send is proportional to the number of knobs stacked and to the number of buttons present on each of said knobs. The communication between the device and an electronic processor can take place via cable or by means of wireless data transmission. The device can house a battery inside it, possibly rechargeable by means of a known type of apparatus which allows the device to be connected to an external power source or to the electrical network. The user, holding the device with one hand or with both hands, can compose messages and generate control signals by pressing his fingers on the sensors 10 and by rotating and translating the knobs recognized by the relative sensors 6 and 7. Manipulation movements, such as rotation, translation and pressure, constitute the language of interaction and can be performed individually or in combination, individually, simultaneously or in sequence. The signal processing and storage system includes a list of settings that allow you to convert manipulation actions into defined digital control signals. Press can be used to trigger discrete events in a computer, for example to start a computer application, while rotation and extension can be used to perform operations that require continuous control, such as moving the cursor over the screen or navigating through a sequence of options. The device can be associated with methods that allow you to define new control signals generated with combinations of rotations, translations and pressures, for example the contextual pressure on two sensors of a knob combined with the rotation and translation of another knob. The user can change the logical organization of the commands according to his motor, cognitive and perceptual preferences, or for specific needs. During use, the knobs can be assigned a different functionality or operational priority, defined by their assembly or by the user.
Sono possibili varianti realizzative all’esempio non limitativo descritto, senza per altro uscire dall’ambito di protezione della presente invenzione, comprendendo tutte le realizzazioni equivalenti per un tecnico del ramo. I comandi corrispondenti alla pressione, alla traslazione o alla rotazione possono essere definiti dall'utente in modo arbitrario. Il dispositivo può incorporare sensori inerziali di tipo noto, ad esempio un accelerometro, per convertire Γ inclinazione del dispositivo in ulteriori segnali di controllo. La rotazione e la traslazione delle manopole possono essere guidate dal sistema di elaborazione del dispositivo, mediante attuatoli di tipo noto, ad esempio servomotori. Il dispositivo può comprendere un numero di sensori di tipo noto che permettono ulteriori comandi funzionali alla generazione e all’invio dei segnali di controllo, oltre che alla modulazione degli stessi, e può comprendere ulteriori attuatoli di tipo noto che consentono di fornire stimoli all’utente attraverso il canale visivo, uditivo e tattile. Gli elementi del dispositivo possono funzionare anche se separati, mantenendo attiva la trasmissione dei dati con una connessione senza filo. Implementation variants of the non-limiting example described are possible, without however departing from the scope of protection of the present invention, including all the equivalent embodiments for a person skilled in the art. Commands corresponding to pressure, translation or rotation can be arbitrarily defined by the user. The device can incorporate inertial sensors of a known type, for example an accelerometer, to convert the inclination of the device into further control signals. The rotation and translation of the knobs can be guided by the processing system of the device, by means of actuators of known type, for example servomotors. The device can comprise a number of sensors of a known type which allow further commands functional to the generation and sending of the control signals, as well as their modulation, and can comprise further actuators of a known type which allow to provide stimuli to the user. through the visual, auditory and tactile channels. The elements of the device can operate even if separated, keeping data transmission active with a wireless connection.
Il dispositivo per l’interazione oggetto della presente invenzione presenta notevoli vantaggi: - coordinazione bimanuale, in quanto il dispositivo è progettato per sfruttare la divisione preferenziale del lavoro tra entrambe le mani, e consente di comporre messaggi e comandi utilizzando in maniera coordinata entrambe le mani, simmetricamente o in modo asimmetrico; The device for the interaction object of the present invention has considerable advantages: - bimanual coordination, as the device is designed to exploit the preferential division of work between both hands, and allows you to compose messages and commands using both hands in a coordinated manner , symmetrically or asymmetrically;
- modularità, in quanto è possibile collegare un numero arbitrario di manopole per estendere il numero di segnali di controllo che il dispositivo è in grado di generare; - modularity, as it is possible to connect an arbitrary number of knobs to extend the number of control signals that the device is able to generate;
- portabilità, grazie alle dimensioni limitate e alla possibilità di afferrare e di utilizzare il dispositivo in contesti mobili, sia da fermi che in movimento; - portability, thanks to its limited size and the possibility of grasping and using the device in mobile contexts, whether stationary or in motion;
- versatilità, grazie alla possibilità di utilizzare il dispositivo in differenti modalità di interazione, e di adattare detta modalità in relazione al compito da eseguire. - versatility, thanks to the possibility of using the device in different modes of interaction, and of adapting said mode in relation to the task to be performed.
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