Campo:

[001] A presente invenção se refere a um mecanismo e método para controle automatizado de matrizes de pinos verticais, doravante denominadas “superfícies reconfiguráveis”, onde as posições verticais dos pinos podem ser controladas por pequenas quantidades de atuadores. Dentre as principais aplicações da invenção está a possibilidade de representação tangível de informações digitais. A invenção contrasta com as tecnologias existentes pois, ao reduzir a quantidade de atuadores, favorece a construção de superfícies reconfiguráveis de baixo custo.

Antecedentes:

[002] Os recentes avanços nas tecnologias digitais tem proporcionado à população mundial acesso a uma grande quantidade de conteúdos. Esses conteúdos, porém, são predominantemente veiculados no forma de som e imagem. Essas modalidades são insuficientes para transmitir dados em diversas situações, e isso limita possibilidades de teletrabalho, impede que cegos tenham acesso a informações gráficas dentre outras importantes limitações para atividades humanas. Por esse motivo, novas modalidades de representação da informação tem sido constantemente buscadas pela academia e pela indústria, dentre as quais está a modalidade tátil proporcionada pelas superfícies reconfiguráveis.

[003] Um dos principais exemplos de superfície reconfigurável atualmente são os chamados monitores táteis. Nesses monitores, os pixels são pinos que se movem verticalmente para apresentar informações gráficas de maneira tátil. Os métodos convencionais para construção desses monitores, ou estruturas similares, tendem a resultar em dispositivos muito caros. Em grande medida, o alto custo dessas superfícies advém do fato de que, tipicamente, cada pino possui um atuador que o controla, de modo que a quantidade de atuadores cresce quadraticamente em função da resolução do monitor. O interesse mundial por superfícies reconfiguráveis de baixo custo tem crescido ao longo dos anos. No ano de 2017 a união Europeia ofereceu o prémio de €3 milhões para uma possível solução de baixo custo para construção de monitores táteis em um prémio chamado Tactile display horizon prize. O edital argumentou sobre o papel desse tipo de solução para educação de cegos e para ampliação das possibilidades de trabalho para esses mesmos indivíduos. Nenhum proponente, contudo, apresentou uma solução considerada apta a receber o prémio. Sumário:

[004] A invenção descrita na presente patente permite que uma quantidade muito pequena de atuadores (motores de passo, servomotores ou similares) seja suficiente para controlar eficientemente a posição vertical de todos os pinos de uma matriz de pinos verticais. Desse modo, a invenção favorece a construção de superfícies reconfiguráveis de baixo custo. As superfícies criadas com a solução proposta podem ser monitores táteis, pisos que se reconfiguram sob comando de um computador, painéis táteis para comunicação não visual com motoristas de veículos, além de diversas outras aplicações. A implementação da invenção pode variar muito dada sua ampla gama de aplicações.

[005] O mecanismo fundamental desta invenção é uma matriz de virabrequins que giram em eixos ortogonais a um plano, sendo que um conjunto de atuadores determina o seno dos ângulos de rotação desses virabrequins enquanto outro conjunto de atuadores simultaneamente determina o cosseno desses mesmos ângulos. A rotação desses virabrequins promove a translação vertical dos pinos da matriz, que constitui assim uma superfície reconfigurável.

[006] O método de atuação consiste em utilizar um conjunto de atuadores para promover a variação dos senos e cossenos dos virabrequins de modo a promover a alteração da posição vertical dos pinos para uma posição final desejada. Tipicamente, mas não necessariamente, o planejamento da sequência de movimentos realizados pelos atuadores poderá ser feito por um programa de computador.

[007] Na modalidade ilustrativa da presente descrição é apresentada uma superfície reconfigurável controlada por computador. Nesse caso, uma estrutura de dados contendo uma geometria, mais especificamente: um mapa de altura, é fornecida como entrada para um programa de computador. O programa retorna como saída uma sequencia de movimentos que os atuadores deverão realizar a fim de que a superfície reconfigurável represente a geometria fornecida como entrada para o programa.

Breve descrição dos desenhos:

[008] A figura 1 é uma imagem tridimensional que exibe um dispositivo que possui uma superfície reconfigurável na forma de uma matriz 3x3. [009] A figura 2 é uma imagem tridimensional que exibe uma chapa que fica na base do dispositivo ilustrado na figura 1, e que possui um furo para cada posição da matriz.

[010] A figura 3 é uma imagem tridimensional que mostra que cada um dos furos da chapa ilustrada pela figura 2 é atravessado pelo eixo de um virabrequim, devendo, portanto, esses furos possuírem buchas, rolamentos ou qualquer outra estrutura que permita aos virabrequins girarem livremente.

[011] A figura 4 é uma imagem tridimensional que mostra um conjunto de estruturas deslizantes que se movem apenas linearmente em eixos paralelos entre si. Ao se moverem, essas estruturas tendem a afetar a rotação do virabrequim.

[012] A figura 5 é uma imagem tridimensional que mostra dois conjuntos de estruturas deslizantes que se movem linearmente dois planos paralelos. Em um plano as estruturas deslizam em direção perpendicular à direção em que deslizam as estruturas que se encontram no outro plano.

[013] A figura 6 é uma imagem tridimensional que mostra em destaque um conjunto de atuadores que promovem o deslocamento linear das estruturas deslizantes das figuras 4 e 5.

[014] A figura 7 é uma imagem tridimensional que ilustra uma possível utilização de alumínio estrutural para sustentação dos mecanismos internos que compõem o dispositivo ilustrado na figura 1. Nessa figura é possível ver todas as estruturas destacadas nas figuras anteriores.

[015] A figura 8 é uma imagem tridimensional que mostra um virabrequim. A figura evidencia que um dos eixos do virabrequim é roscado. Uma porca acoplada a cada pino vertical permite que a rotação desse eixo roscado promova a translação vertical do pino.

[016] A figura 9 é uma imagem tridimensional que ilustra uma superfície reconfigurável com resolução 30x30.

Descrição detalhada:

[017] A modalidade ilustrativa reconhece e leva em consideração que esta patente pode ser útil para construção de dispositivos em diferentes escalas e com matrizes de diferentes tamanhos. Em um monitor tátil, por exemplo, o tamanho da matriz é tipicamente superior a 30x30. A figura 9 ilustra, a título de exemplo, o aspecto visual de um monitor tátil cuja matriz é de dimensão 30x30. Para a presente descrição detalhada, contudo, a maior parte dos detalhes internos do mecanismo são ilustrados na forma de uma matriz de 3x3, o que simplifica sua representação gráfica.

[018] A figura 1 mostra o exterior de uma superfície reconfigurável no formato de matriz 3x3. Os pinos da superfície são capazes de subir e descer. O mecanismo interno que promove a movimentação vertical desses pinos utiliza um conjunto de virabrequins cujos eixos de rotação são ortogonais a um mesmo plano. A figura 2 ilustra uma chapa com furos. A chapa deve possuir rolamentos ou buchas de modo a possa ser atravessada pelos eixos dos virabrequins, permitindo que girem livremente em torno de seus próprios eixos. A figura 3 ilustra a maneira como esses virabrequins são distribuídos sobre a chapa que fica na base da superfície reconfigurável.

[019] Cada virabrequim tem sua rotação influenciada por duas estruturas que deslizam em direções ortogonais entre si. Uma das estruturas deslizantes afeta tanto o virabrequim quanto todos os virabrequins que estão na mesma coluna da matriz em que ele se encontra. A outra estrutura deslizante afeta tanto o virabrequim quanto todos os outros virabrequins que estão na mesma linha da matriz em que ele se encontra. As estruturas deslizantes se deslocam apenas linearmente. A figura 4 mostra, para efeito de ilustração, uma solução de movimentação linear construída com soluções da empresa Openbuilds®, amplamente utilizados para construção de impressoras 3D, fresadoras, etc. Mais especificamente, trata-se de um conjunto de rolamentos acoplados às extremidades de cada estrutura deslizante, capazes de deslizar linearmente dentro de um perfil de alumínio estrutural do tipo C.

[020] O par de estruturas deslizantes que afeta um virabrequim induz sua rotação de maneira análoga a um par de pistões de um motor a combustão. Na figura 4 a transmissão de movimento das estruturas deslizantes para os virabrequins é ilustrada com a utilização de frisos nas estruturas, dentro dos quais passam os moentes dos virabrequins. Desse modo, a movimentação linear das chapas induz a rotação do virabrequim em um mecanismo de jugo escocês. Alternativamente ao mecanismo de jugo escocês, outras soluções podem ser adotadas. Uma possível solução alternativa ao mecanismo de jugo escocês é a utilização de bielas em substituição aos frisos das estruturas deslizantes, o que também possibilita que a movimentação dessas estruturas induza a rotação dos virabrequins. [021] A similaridade entre os mecanismos dessa invenção e a estrutura de um motor a combustão é evidenciada quando a solução é contrastada com a estrutura interna de um motor V8 com ângulo de 90 graus entre os cilindros. Nesses motores, conjuntos de pistões se movem em direções perpendiculares entre si para promover a rotação do virabrequim. Na invenção a rotação do virabrequim também é induzida por estruturas que se movimentam em direções perpendiculares entre si, como ilustrado na figura 5. Contudo, ao invés de cada estrutura deslizante atuar sobre um único virabrequim, como fazem os pistões de um motor a combustão, múltiplos virabrequins são simultaneamente atuados por cada estrutura deslizante.

[022] Do ponto de vista mecânico, os virabrequins da invenção tem seus ângulos de rotação determinados por um par de valores de seno e cosseno determinados pela posição das estruturas deslizantes que afetam sua linha e sua coluna. Sendo assim, o movimento controlado das estruturas deslizantes pode ser utilizado para promover uma rotação igualmente controlada dos virabrequins. Utilizar variações de seno e cosseno para controlar a rotação dos virabrequins contribui para a minimizar o tempo demandado pelo processo de representação das geometrias com a superfície reconfigurável pois, do ponto de vista trigonométrico, uma mesma variação de seno ao longo do tempo pode satisfazer simultaneamente a rotação de estruturas que giram em sentidos opostos. A mesma condição é válida para o cosseno, que também pode satisfazer simultaneamente a rotação de estruturas que giram em sentidos opostos. Sendo assim, o movimento das estruturas deslizantes pode selecionar e atuar simultaneamente conjuntos de virabrequins mesmo que alguns desses virabrequins precisem se girar em sentido horário enquanto outros precisam se mover em sentido anti-horário. Essa atuação simultânea contribui para reduzir a quantidade de etapas necessárias para construção de qualquer geometria com a invenção.

[023] A rotação dos virabrequins é convertida em translação vertical dos pinos da superfície reconfigurável. Essa conversão pode ser obtida com a adoção de estratégias convencionalmente utilizadas na área de engenharia mecânica. Por exemplo: a figura 8 mostra que uma barra roscada que gira com o virabrequim pode se associar a uma porca. Se a porca for engastada em um pino vertical da superfície reconfigurável e estiver impedida de girar, a rotação do virabrequim em sentido horário ou anti-horário fará com que o pino se mova para cima ou para baixo.

[024] A figura 6 ilustra a adição de atuadores ao sistema, que podem promover o deslocamento das estruturas deslizantes de maneira controlada. Tipicamente, mas não necessariamente, a movimentação dos atuadores pode ser planejada por um programa de computador. O uso de programa de computador pode contribuir para que a sequência de movimentos realizados pelos atuadores seja determinada de modo a minimizar o tempo demandado para construção de geometrias com a superfície reconfigurável. O planejamento da movimentação dos atuadores visando minimização de tempo tende a incorrer em um problema de otimização combinatorial. Felizmente, contudo, para qualquer geometria que possa ser representada com essa invenção é possível atualizar as posições verticais dos pinos em um processo de atualização linha por linha, ou coluna por coluna. Apesar do problema genérico se configurar como um problema de otimização combinatorial, um algoritmo trivial é capaz de determinar, de modo determinístico, a sequência de movimentos que os atuadores deverão executar para atualizar a superfície reconfigurável linha por linha. O tempo necessário para completa construção de uma geometria com essa estratégia de atualização é, na pior das hipóteses, proporcional à raiz quadrada do volume da geometria a ser representada.

[025] A figura 7 ilustra o interior do dispositivo tendo, agora, uma estrutura de alumínio que sustenta todo o sistema proposto. Os perfis adotados, também para efeito de ilustração, são compatíveis com padrões Openbuilds®, de modo que as estruturas deslizantes se movem linearmente dentro de perfis de alumínio estrutural do tipo C.

[026] A modalidade ilustrativa tem fins de ilustração e não é exaustiva, pois a invenção proposta é aplicável para matrizes de tamanhos arbitrários, em escalas diversas.