Campo de la invención

La presente invención, consistente en un sistema de visión táctil portable, es aplicable en cualquier sector de la industria y del ocio, concretamente allí donde se desarrollen procesos de producción, prestación de servicio o, en general, cualquier actividad o disciplina donde se requiera contacto visual sin posibilidad de percepción ocular, bien sea por ausencia de luz o por imposibilidad de enfoque preciso al objetivo (objetivo situado a distancia excesiva o fuera de la línea visual del observador, discapacidád visual, etc.) o también donde se requiera un contacto visual adicional cuando la vista está ocupada, bien sea porque no puede desviarse !a vista de la actividad o imagen que se está realizando, o porque es necesaria la percepción de información compleja adicional representada como información visual. De forma explícita,, pueden citarse aplicaciones directas en el campo de la medicina, el ocio, los videojuegos, la navegación aérea y marítima, las comunicaciones, la televigilancia y la seguridad.

Antecedentes de la invención

Los estudios por conseguir reconocimiento instantáneo de imágenes o textos escritos sin percepción visual comenzaron allá por los años 70 (patente US3594823 de

Paul Bach-Y-Rita, Gardner y Palmer 1989, Vidal Verdú y col., 2007, Killebrew, 2007,

Kyung y col., 2008, Yoon y Yu, 2008).

El éxito en este cometido se ha alcanzado gracias al conocimiento que hoy se tiene de:

• La capacidad plástica neuronal del cerebro que permite generar conexiones neuronales entre áreas somatosensoriales primarias y áreas secundarias y terciarias de asociación visual de funciones cognitivas en base a la estimulación táctil, lo cual se denomina neuroplasticidad.

· La organización cerebral que facilita la representación del espacio personal, ta representación más compleja del espacio peripersonal y ía representación memorística de las neuronas táctiles (Harris y col., 2002) tanto del espacio personal como del peripersonal mediante las áreas sensoriales cerebrales (Kandel y col, 2001 ), por el alto grado de eficacia del tacto para determinar la posición y morfología de los objetos (Wheat y col., 1995)

• La capacidad de asociación de diferentes modalidades de estimulación (Amedi col., 2007, Swisher y col., 2007), modulación de la información táctil (Haggard y col., 2007) y la localización . exacta de los objetos , mediante reconocimiento táctil.

Todos estos estudios han demostrado la ^' factibilidad del reconocimiento espacial global de objetos, personas o lectura impresa a través del tacto.

Durante los últimos años han surgido algunos dispositivos, basados directa o indirectamente en estos principios, con los que de una u otra forma se ha intentado la ^' sustitución del sentido de la ^' vista por otra excitación sensorial. Citando los más relevantes, se pueden enumerar los siguientes:

• Reconocimiento espacial a través del oído.

• Reconocimiento de letras mediante estimulación del dedo índice.

• Pantalla gráfica Braille.

. · Electrodos en la lengua.

• Implantes quirúrgicos en el cerebro.

• Electroestimulación de la frente.

• Electroestimulación en el torso.

• Implante quirúrgico de estimuladores en la piel.

Todos estos dispositivos alcanzan sólo parcialmente los objetivos perseguidos, de ahí su escasa penetración tanto en el mercado como en la sociedad. Se incluye a continuación una breve descripción de sus principios básicos:

1. Reconocimiento espacial a través del oído.

Estos sistemas se basan en la transformación de imágenes en sonidos con diferentes tonos, intensidades, frecuencias y duraciones; es decir, la percepción visual es sustituida por una percepción acústica.

Se requiere disponer de cámara, auriculares, micrófono para control y un software de sonificación de imágenes con capacidad de refresco de uno a cuatro imágenes por segundo, lo que permite una resolución del orden de 100 por 100 píxeles.

El mayor inconveniente de estos sistemas es que anulan la capacidad de oír otra cosa que no sea la sonificación de las imágenes. Tampoco permiten la lectura. Í

2. Reconocimiento de letras por estimulación del dedo índice.

Existe un dispositivo industrial basado en este principio que se conoce comercialmente como Optacón. .

Esta tecnología sustituye al ojo humano por una cámara capaz de captar la imagen de un texto y transformarla en señales vibratorias que se aplican a un estimulador en contacto con el dedo índice. El color negro produce vibración y el blanco reposo. Se trata de un dispositivo concebido tan sólo para el reconocimiento de texto.

Basado en los mismos principios que el Optacón, la Universidad de Princeton ha desarrollado un estimulador de dedos (Exeter) con mayor resolución, lo que permite incluso el reconocimiento de objetos.

Los dispositivos basados en esta tecnología dificultan él empleo normal de las manos y son además de complicada industrialización por su gran tamaño. 3. Pantalla gráfica Braille.

La tecnología basada en pantallas gráficas Braille ha dado lugar a diversas realizaciones.

Como resultado del programa de investigación Itactl de la Comisión Europea, se ha desarrollado una pantalla interactiva basada en miles de actuadores móviles capaz de representar una matriz de caracteres Braille, así como gráficos táctiles simples (en modo vertical u horizontal). Esta tecnología es de aplicación en el desarrollo de interfaces interactivos gráficos de ordenadores para discapacitados visuales.

Basado en el mismo principio, existe un producto comercial construido por Meier, Maucher y Schemmel (Universidad de Heidelberg). Este dispositivo consta de 48 actuadores piezoeléctricos capaces de representar gráficos táctiles por elevación.

Como inconvenientes más relevantes de esta tecnología, cabe citar:

• Los pines sólo representan dos estados: activados (negro) o desactivados (blanco).

· El interfaz táctil es activo, es decir eí usuario debe pasar el dedo por encima de él continuamente para usarlo.

• Sólo es aplicable para reconocimiento de letras y gráficos sencillos.

• Dificulta el empleo normal de las manos. 4. Electrodos en la lengua. El denominado ojo eléctrico del Dr. Maurice Pitto (Universidad de Montreal), trata de aprovechar la conductividad de la saliva para transmitir impulsos eléctricos.

El dispositivo consta de un pequeño panel con 12 x 12 electrodos que se apoya sobre la lengua y transmiten mediante impulsos eléctricos sensoriales las señales visuales.

El documento de patente US6430450B1 de Paul Bach-Y-Rita describe otro estimulador táctil para la lengua.

Esta tecnología tienen como inconvenientes fundamentales la dificultad que experimenta el usuario para hablar; la necesidad de utilizar un dispositivo incómodo y molesto, que además produce cierto rechazo social por ser antiestético y, finalmente, su utilidad exclusiva para el reconocimiento de texto.

5. Implante quirúrgico de electrodos en el cerebro.

El doctor Dobelle, fallecido en el año 2.004, dedicó prácticamente toda su vida profesional a la puesta en marcha de un dispositivo que, mediante un implante de un estimulador en el córtex visual, permitiera recuperar parte al menos de la agudeza visual de un invidente.

Este sistema consta de una minicámara para captar las imágenes, un ordenador de bolsillo, que realiza el procesamiento de la información, y un estimulador.

El estimulador consta de 400 electrodos, alimentados con una velocidad de refresco de información de 4 a 8 imágenes por segundo y se implanta mediante cirugía en el córtex visual.

La visión tiene un efecto túnel, permitiendo reconocer sombras, formas y letras (no mide distancias).

Para aumentar la visión sería necesario incrementar el número de electrodos y, sobre todo, no quedarse en la superficie del córtex, lo que implicaría mayores riesgos en la intervención. Está implantado en la actualidad en 8 pacientes y apenas ha tenido aceptación dentro de la comunidad de discapacitados visuales.

Otros inconvenientes:

• Necesidad de cirugía (con los inconvenientes y riesgos que conlleva)

• No útil si el córtex visual está dañado o no se ha desarrollado.

• Permite tan solo tres horas de autonomía.

• Peso significativo (5 kg)

· No es capaz de medir distancias. 6. Elecíroestimulación en la frente: FSRS

Basándose en el concepto de la estimulación eléctrica por electrodos implantados en el cerebro, este producto, genera la estimulación mediante electrodos en la frente de los individuos, con un grado similar de resolución que el anterior ya que manejan aproximadamente el mismo número de electroestimuladores (unos 400).

Aunque no requiere cirugía, el principal inconveniente de este sistema es su baja resolución.

7. Implante quirúrgico de electrodos en la piel

El documento de patente EP1684850A2 describe .un estimulador táctil implantado bajo la epidermis. Sin embargo, aporta las siguientes desventajas:

• Requiere cirugía.

• Resolución pequeña.

• Baja frecuencia de refresco.

• No es capaz de medir distancias.

• Baja autonomía.

• Problemas en la alineación de los transmisores con los estimuladores

8. Electroestimulación en el torso

La página web "http://www.tactilevision.ru/engiish" divulga un dispositivo de visión artificial con cámara, procesador de la información visual (a modo de mochila) y estimulador táctil en el torso. La estimulación se realiza por medio de impulsos eléctricos, con un juego de 110x9 electrodos.

Esta invención tiene las siguientes desventajas:

- Utiliza impulsos eléctricos (electrodos) que deben ser diferentes entre hombres y mujeres;

- Elevado peso (en torno a 9kg) del dispositivo, lo cual lo convierte en no- portable;

- Pequeña resolución de la matriz de estimulación;

- Sensación desagradable (cosquilleo); , ^' '

- Alto consumo.

Aparte de las limitaciones ya reseñados, las tecnologías antes descritas presentan en general otros ' muchos inconvenientes: son sólo válidas para reconocimiento de escritura o figuras simples, retardo alto en reconocimiento, poco portables, baja resolución, etc. Por otro lado, ninguna de ellas tiene el enfoque y el alcance de la presente invención. Descripción de la invención

La invención se refiere a un sistema de visión táctil portable de acuerdo con la reivindicación 1 y a un dispositivo de visión táctil portable de acuerdo con ía reivindicación 17. Realizaciones preferidas del sistema y del dispositivo se definen en las reivindicaciones dependientes.

Desde un punto de vista estructural, existen diferencias y ventajas significativas respecto a los ^{^} dispositivos y tecnologías que preceden a esta invención:

• Los productos existentes se basan en la sustitución de la percepción visual por otro tipo de percepción sensorial (audición, tacto) mediante la utilización de dispositivos de distinta naturaleza. La invención, por el contrario, va más allá, sistematizando un procedimiento, apoyado en una tecnología, con el que se consigue el desarrollo de nuevas vías neuronales, mediante estimulaciones repetitivas, entre las áreas cerebrales de percepción táctil y las de percepción de imágenes. Los dispositivos físicos asociados a este procedimiento constituyen tan solo una parte del mismo.

· La presente invención puede proporcionar al usuario tanto la visión mediante una sola cámara y un solo estimulador, así como un efecto estereoscópico; utilizando dos cámaras y dos estimuladores:

La captación de imágenes se realiza mediante una, cámara en la aplicación básica o mediante una doble cámara (efecto estereoscópico) - La estimulación táctil se consigue a través de unos dispositivos físicos totalmente novedosos. Para ello, en una realización preferida se utilizan estimuladores que integran una matriz modular de 20x20 puntos, permitiendo llegar a los 100x100 puntos de estímulo, dotando a la imagen de una gran resolución. El concepto de matriz modular permite en cualquier caso poder crear matrices de mayor tamaño dependiendo de la necesidad de las aplicaciones implementadas.

Las matrices se pueden colocar de tal forma que actúen sobre un hemisferio cerebral distinto, o en la aplicación estereoscópica con dos matrices. La ubicación de las matrices (un grupo en la zona izquierda del cuerpo y otro n |a zona derecha del cuerpo) hace que las sensaciones táctiles alcancen separadamente los dos hemisferios cerebrales. El hemisferio cerebral derecho controla las sensaciones de la zona izquierda del cuerpo y el hemisferio izquierdo las de la zona derecha.

• El procedimiento de refresco, de los estimuladores, con una frecuencia de estimulación entre 100 y 300 ms., permite el desarrollo de las nuevas vías neuronales entre la- zona cerebral que percibe y procesa los estímulos táctiles y la zona cerebral encargada de procesar la información óptica.

• El proceso de aprendizaje que complementa a la tecnología es inherente a la invención y , parte importante de la misma.

Se pueden resaltar otras ventajas que marcan diferencias sobre lo ya existente: · . Las características de los dispositivos físicos hacen que sea perfectamente portable (poco peso), con gran autonomía, cómodo y estético.

• La estimulación táctil es agradable.

• No ocasiona efecto "cosquilleo" ni irritación de la piel. _v Desde un punto de vista funcional, los efectos ventajosos que la invención aporta son:

> · La interacción simultánea sobre los dos hemisferios cerebrales facilita al sujeto una sensación real de visión estereoscópica, percibiendo tonos blancos, ■ negros y grises (a diferencia de otros dispositivos que facilitan tan solo reconocimiento y lectura).

• Sensibilidad a la distancia.

. · La resolución de la imagen percibida es cien veces mayor que la que facilita cualquier otra tecnología conocida.

• Bajo coste de los materiales.

• En el caso de su implantación abdominal, se usará el ombligo como anclaje del estimulador para fijarlo siempre en la misma posición (a modo de nariz para las gafas)

El sistema de visión táctil portable comprende:

- medios de captura de imágenes;

- medios de procesamiento de datos encargados de efectuar un procesamiento de las imágenes captadas por !os medios de captura de imágenes para obtener unas señales procesadas; y

- medios de estimulación táctil (o dispositivo de estimulación táctil) fijabíes al cuerpo de un usuario, que comprenden al- menos un estimulador, cada uno comprendiendo a su vez una matriz de estimulación táctil que dispone de nxm puntos de estimulación, estando configurados dichos medios de estimulación táctil para recibir dichas señales procesadas y convertirlas en sensaciones táctiles perceptibles por el usuario y aplicarlas sobre su piel en los puntos de estimulación seleccionados de manera adecuada para obtener un reconocimiento táctil de las imágenes captadas. Los medios de estimulación táctil están configurados para proporcionar en los puntos de estimulación una estimulación táctil mecánica. La resolución - de la matriz de estimulación táctil es tal que se cumple que n≥20 y m≥20.

En una realización preferida los medios de captura de imágenes comprenden una cámara de video, aunque se podría extender a dos cámaras, los medios de procesamiento de datos están configurados para efectuar el procesamiento de las imágenes de cada cámara de vídeo de manera independiente, por lo que desde este punto de vista, no tiene mayor complejidad procesar una o dos cámaras ya que cada una va a un modulo de procesamiento, y es el cerebro el que integra las señales; y los medios dé estimulación táctil comprenden una o dos matrices de estimulación de 20x20, fijables en lados diferentes del cuerpo del usuario y configurados para recibir cada uno las señales procesadas provenientes de una/dos cámaras de vídeo {en una realización preferida se pone un estimulador en. la mano, aunque a conveniencia del usuario se puede poner en las dos). Su extensión a otras partes del cuerpo es función de un lento periodo de aprendizaje, aunque desde el punto de vista técnico, no hay mayor complejidad en aumentar el tamaño de las matrices ya que la matriz 20x20 es modular, será pues el usuario el que determine la configuración. Si el usuario quiere un periodo de aprendizaje corto y tener una mano libre, elegirá la aplicación básica de una cámara y Un estimulador; si quiere una visión estereoscópica, deberá utilizar los estimuladores en las dos manos; y si quiere mayor resolución, un periodo de aprendizaje largo para conseguir "ver" con otras partes del cuerpo (brazo, abdomen y espalda). En caso de emplear dos cámaras de vídeo, éstas están preferentemente soportadas cada una en un lado diferente de unas gafas portables por el usuario.

Los medios de estimulación táctil están preferiblemente encargados de aplicar la estimulación táctil en las manos , aunque pueden estar en otras partes del cuerpo.

El sistema comprende preferiblemente un dispositivo móvil que dispone de una aplicación de tratamiento de imágenes encargada de efectuar el procesamiento de las imágenes captadas por los medios de captura de imágenes para obtener las señales procesadas. El dispositivo móvil puede comprender al menos una cámara de vídeo configurada para efectuar las funciones de los medios de captura de imágenes. El dispositivo móvil puede estar configurado para, en caso de que el usuario lo requiera, enviar las imágenes captadas a un servidor remoto y éste, a su vez, reenviar las imágenes procesadas remotamente al dispositivo móvil. Una utilidad det conjunto de las gafas (es decir, microcámaras), drivers, dispositivos de comunicación (USB y Bluetooh), es la posibilidad de que cualquier persona, ciega o vidente, pueda enviar a través de su teléfono móvil un reportaje en video a un centro de retrasmisión, sin la utilización de sus manos y con un "trípode" perfecto (el cuello).

En una realización preferida los medios de estimulación táctil están configurados para efectuar un refresco de !a aplicación de las sensaciones táctiles sobre la piel del usuario según un período de refresco entre 100ms y 300ms.

Los medios de captura de imágenes pueden disponer de autoenfoque y medios de medición de distancia al punto de autoenfoque, estando configurados dichos medios de captura de imágenes para enviar a los medios de procesamiento de datos, junto con las imágenes captadas, la correspondiente distancia al punto de autoenfoque de dichas imágenes; y porque los medios de estimulación táctil están adicionalmente configurados para recibir, junto con las señales procesadas, la correspondiente distancia al punto de autoenfoque y convertir dicha distancia en sensaciones táctiles interpretables por el usuario para obtener la correspondiente distancia al punto de autoenfoque. Esta interpretación dé la distancia se basa en una hilera de puntos de estimulación situada en uno de los extremos de la matriz de estimulación táctil.

También se le puede dotar de un control de zoom, variable según demande el usuario, para lo cual se desarrolla un sistema que permite mediante movimientos faciales, su manejo. El zoom se puede controlar con movimientos leves de la cabeza detectados por un acelerómetro instalado en las gafas, de este modo por ejemplo, una leve inclinación de la cabeza a la derecha aumenta el zoom, y hacia la izquierda lo disminuye. Otros gestos detectados de este modo pueden activar otras funciones.

Los medios de estimulación táctil (o dispositivo de estimulación táctil) están preferentemente configurados para efectuar una estimulación táctil mecánica por vibración, aunque también podrían efectuarla por presión mecánica. El sistema puede comprender para ello, en cada punto de estimulación, un elastómero dieléctrico o iónico para efectuar la estimulación táctil mecánica por vibración, o puede comprender medios de inyección de aire a presión configurados para efectuar dicha estimulación táctil mecánica por presión,

En el caso de utilización del elastómero dieléctrico como estimulador se han realizado múltiples mejoras sin las cuales no sería posible, cumplir con los parámetros - i n necesarios para conseguir la estimulación neuronal necesaria para llegar al lóbulo occipital. Las innovaciones introducidas son las siguientes:

- Innovaciones relativas al sistema de control electrónico de matrices dieléctricas y a los algoritmos de supresión de los efectos de contaminación entre puntos de estimulación.

- El conexionado eléctrico interno de la matriz, mediante inserción automatizada de pines en las terminaciones de pasta conductora del elastomero, lo que facilita el proceso de fabricación.

- La introducción de una nueva capa que permite la amplificación mecánica, mediante unos pines que se colocan en los puntos de estimulación.

- La eliminación del ruido neuronal, que se produce con el contacto en la piel de los pines que no están, vibrando, mediante un tejido que permite su supresión, sin eliminar la vibración de los pines que están activos. En el caso de estimulación neumática el estimulador puede comprender, para efectuar la estimulación táctil por inyección de aire a presión;

- una pluralidad de nanoconductos, en número n ó m en función de si están asociados a las n filas o a las m columnas de la matriz de estimulación táctil;

- una pluralidad de placas, en número m en caso de que haya n conductos o en número n en caso de que haya m conductos, asociados en cada caso a las m columnas o a !as n filas de la matriz de estimulación táctil;

- una pluralidad de orificios, tantos como placas, en cada conducto;

- una pluralidad de aberturas, tantas como conductos, en cada placa;

- una nanoválvula acoplada a cada conducto y configurada para inyectar aire cuando se produce su activación; y

- un nanomotor por cada placa, cada nanomotor configurado para, cuando se produce su activación, accionar ía correspondiente placa para hacer coincidir las aberturas de dicha placa con los orificios de los diferentes conductos.

El al menos un estimulador está además configurado para, en caso de tener que efectuar una estimulación táctil mecánica en un punto de estimulación {i,j), correspondiente a la fila i y la columna j, activar la correspondiente nanoválvula y el correspondiente nanomotor para inyectar aire sobre la piel del usuario en dicho punto de estimulación (i,j).

El al menos un estimulador dispone preferentemente, para cada punto de estimulación, de más de dos niveles de estimulación táctil mecánica, cada nivel asociado a una intensidad y/o tonalidad de color diferente. Cada nivel de estimulación se puede obtener según al menos una cualquiera de las siguientes formas:

- en función de la amplitud de la presión ejercida en el punto de estimulación;

- en función de la frecuencia de vibración ejercida, por un actuador en el punto de estimulación;

- en función de la duración de los pulsos de la señal de excitación de un actuador en el punto de estimulación.

Es también objeto de la presente invención el dispositivo (o medios) de estimulación táctil portable descrito para el sistema de visión táctil.

El al menos un estimulador puede ser fijado en el abdomen o en la parte lumbar del usuario mediante un anclaje o fijación en el abdomen, en el caso de mayor definición 12x9 matrices de 20x20 o en los brazos 6x4 matrices de 20x20.

Es también objeto de la presente invención un dispositivo de estimulación táctil portable para sistemas de visión táctil.

Breve descripción de los dibujos

A continuación sé pasa a describir dé manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.

La Figura 1 muestra los componentes básicos de la invención.

La Figura 2 refleja cómo se percibe una conocida imagen con una estimulación equiparable a la de la invención.

La Figura 3 muestra de manera esquemática los medios de estimulación táctil y ^■ los puntos de estimulación.

La Figura 4 muestra la comunicación del dispositivo móvil con el servidor remoto de ayuda y apoyo.

La Figura 5 representa el funcionamiento de un actuador sobre la membrana flexible de la matriz de estimulación táctil.

Las Figuras 6A y 6B muestran el principio de funcionamiento de los elastomeros dieléctricos empleados como actuadores en la matriz de estimulación táctil.

La Figuras 7A y 7B representan el funcionamiento de la matriz de estimulación táctil donde los actuadores son estimuladores neumáticos.

Las Figuras 8A y 8B muestran los elementos de elastómero dieléctrico en una dispósición de la matriz {matriz de eiastómero). ,

La Figura 9 muestra un esquema de la aplicación de un voltaje de polarización a los elementos de una matriz de eiastómero, y las diferentes tensiones a una fila r y columna C en concreto.

La Figura 10 muestra, para el ejemplo representado en la figura 9, la gráfica de la tensión aplicada al elemento de ERC (R fila, columna C) de la matriz.

En la Figura 11 , para el ejemplo representado en la figura 9, la gráfica de la tensión aplicada al resto de los elementos de la fila R de la matriz.

En la Figura 12, para el ejemplo representado en la figura 9, la gráfica de la tensión aplicada al resto de los elementos de la columna C de la matriz.

La Figura 13 se muestra un ejemplo para activar simultáneamente diferentes elementos de una columna C de la matriz de eiastómero.

La Figura 14 muestra un esquema de conmutación básico para un dispositivo generador de tensión para la activación de la matriz de eiastómero.

Las Figuras 15A y 15B representan el esquemático para una activación taxel único.

La Figura 16 muestra un ejemplo de generador de voltaje de referencia utilizados en el dispositivo generador de tensión para la activación de la matriz de eiastómero.

Las Figuras 17A y 17B representan, como ejemplo, el circuito de activación de una matriz de 3x3 de eiastómero.

Las Figuras 18A y 18B muestran los elementos de eiastómero dieléctrico en una disposición de matriz (matriz de eiastómero).

Las Figuras 19A y 19B representan una sección lateral de la matriz de actuadores de elastómeros en 2D y en 3D, respectivamente.

La Figura 20 muestra con más detalle una sección lateral de la matriz de actuadores de elastómeros.

Descripción de una realización preferida de la invención

La base científica de la invención radica en un doble principio: por un lado la existencia de áreas del cerebro diseñadas genéticamente para desarrollar funciones concretas (como por ejemplo el lóbulo occipital para la visión) y por otra parte, la gran capacidad de "plasticidad neurona!" (creación de nuevas conexiones neuronales entre diferentes áreas del cerebro) y de "neurogénesis" (generación de nuevas neuronas) que tiene el cerebro humano. En lugar de utilizar los receptores visuales para acceder a las áreas donde se interpreta la visión y donde por tanto se generan las imágenes, en la invención se utilizan los receptores táctiles para alcanzar estas áreas. Los receptores son sometidos a estímulos que reproducen fielmente la información visual, de manera que, a través de la vía táctil, llegan de forma natural a la corteza cerebral y específicamente a las áreas de procesamiento de la información sensorial y de reconocimiento táctil. El sistema objeto de la invención permite al sujetó desarrollar una nueva conexión neuronal entre las áreas cerebrales de percepción táctil y las de percepción de imágenes, de manera que la sensación táctil se transforma en una sensación visual.

El desarrollo de esta vía neuronal se consigue tras un programa de aprendizaje y gracias a las especiales características del proceso de estimulación (resolución de !a matriz de estimulación y frecuencia de refresco).

El sistema consta de varios elementos, resultado del desarrollo de una nueva tecnología, cuyos componentes básicos (Figura 1 ) son:

- Medios de captura de imágenes 1.

Medios de procesamiento de datos (dispositivo móvil 2 u otro dispositivo).

- Medios de estimulación táctil 3.

Las imágenes son captadas por una o dos cámaras que componen, en una realización preferida, ios medios de captura de imágenes 1 y transferidas mediante conexión física o inalámbrica a los medios de procesamiento de datos. Los medios de procesamiento de datos transforman las señales tratadas en impulsos táctiles siguiendo un protocolo de estimulación. Estos impulsos, que contienen toda la información visual, se aplican a los medios de estimulación táctil 3.

Los medios de estimulación táctil 3 son, en una realización preferida, un estimulador táctil de 20x20 el cual se coloca como indica la Figura 1 en la mano. También son implementaciones preferidas, las que se corresponden con dos estimuladores uno en cada mano y para una mayor resolución las realizadas en los brazos, la espaldar abdomen, las cuales pueden llegar 108 módulos, 12x9 de 20x20, con 43.200 puntos. Esta información alcanza de forma natural el área de percepción táctil del cerebro y de allí es transferida a la zona cerebral de percepción de imágenes siguiendo la nueva conexión neuronal desarrollada. El desarrollo de esta conexión neuronal está íntimamente relacionada con el protocolo de estimulación y el proceso de aprendizaje, que se explicará más adelante Como resultado de este proceso, el sujeto o usuario 5 transforma su percepción táctil en una percepción óptica, consiguiendo ver, identificar y reconocer imágenes. La Figura 2 refleja cómo se percibe una conocida imagen, con una resolución de 96x64, con una estimulación equiparable a la de la invención, cori tres niveles de luminosidad.

El receptor visual o medios de captura de imágenes 1 consiste, en una realización preferida, en una o dos cámaras digitales integradas sobre gafas 4, tal como se muestra de manera esquemática en la Figura 1 , con autoenfoque, medidor de distancia, funciones de zoom y contraste controlado voluntariamente de forma remota. La cámara o cámaras envían a los medios de procesamiento de datos las imágenes captadas, para suministrar al usuario 5 una visión simple en el caso de una cámara o en la caso de dos una visión estereoscópica. La cámara de un teléfono móvil puede ser utilizada también como medios de captura de imágenes 1.

Cada cámara capta la imagen de su zona de enfoque y la transforma en señales ^' eléctricas. Estas señales son procesadas mediante la aplicación de tratamiento de imágenes (que resalta contornos, elimina fondos, etc.) y se transmiten separadamente a los dos estimuladores. Los estimuladores transforman las señales recibidas en impulsos víbrotáctiles, que son captadas por el sistema sensorial del individuo. La información captada por cada cámara actúa separadamente sobre cada uno de los estimuladores.

La ubicación de los estimuladores sobre el cuerpo del individuo (uno en el lado derecho y el otro en el izquierdo) hace que la recepción del estímulo se registre en los dos hemisferios cerebrales (izquierdo y derecho, respectivamente). El cerebro se encarga de la integración de esta doble información (exactamente igual que integra la información recibida por el ojo izquierdo y el derecho) y crea la sensación estereoscópica. Como se ha indicado con anterioridad, será el sujeto el que dependiendo del periodo de aprendizaje el que opte por la configuración que considere más adecuada.

Los medios de estimulación táctil 3 se muestran en la Figura 3 y pueden ir colocados en la mano o el brazo, los cuales incorporan un material, que permite eliminar el ruido neuronál provocado por los puntos de estimulación que no vibran, ya que estos siguen tocando la piel. Se fija al usuario mediante medios de fijación (tales como velero, hebilla, etc.) Independientemente de la velocidad de captura de imágenes, el sistema refresca la información de los estimuladores con un periodo entre 100 y 300 ms. La información transmitida en cada refresco es la que instantáneamente captan las cámaras. Esta información, convertida en señales eléctricas, se procesa para resaltar los elementos clave de la imagen y se transforman en el estimulador en señales de presión para producir las sensaciones táctiles.

La recepción de la imagen, convertida en señales eléctricas, se realiza directamente en el propio estimulador. El procesador intermedio (dispositivo móvil o procesador remoto) tan solo realiza un tratamiento de la señal captada por las cámaras para resaltar lo más relevante de las imágenes y eliminar lo secundario.

La invención en su configuración básica funciona con una única cámara y un único estimulador, aunque en este caso se perdería el efecto estereoscópico. Sin embargo, es suficiente para los sujetos que han sido objeto de experimentación y además es lógicamente más barato, por lo que será la configuración preferente.

Los medios de procesamiento de datos, o dispositivo procesador, trata las imágenes recibidas y las simplifica para enviar a los medios de estimulación táctil 3 la señal que necesita. Cualquier ordenador personal o incluso cualquier teléfono móvil comercial (con unas prestaciones mínimas de memoria, capacidad y velocidad de proceso) son válidos para desempeñar la función de los medios de procesamiento de datos. Preferentemente se hace uso de dispositivos de telefonía móvil o de configuraciones SoC (System On Chip)

En los medios de procesamiento de datos se reciben señales asociadas a imágenes y allí mismo son procesadas para su posterior envío a los medios de estimulación táctil 3.

Cuando el usuario lo requiera, las imágenes pueden ser enviadas a un servidor remoto 8 para ayudarle a reconocer lo que envían las cámaras en caso de que necesite ayuda o tenga problemas en el reconocimiento. En estas circunstancias, tal como se muestra en la Figura 4, el dispositivo móvil envía las imágenes al servidor remoto 8 utilizando alguno de los servicios de comunicación de datos propios del mismo (GPRS, UMTS, etc.). Esta transmisión también puede ser utilizada para asistir remotamente al individuo, por ejemplo mediante comunicación verba!. También podría utilizarse, en el caso de que el servidor estuviera cercano al sujeto, otros medios de comunicación, como WiFi.

Las comunicaciones entre los medios de captura de imágenes 1 (las cámaras), el medio de procesamiento de datos (el dispositivo móvil 2) y los medios de estimulación táctil 3 se realizan a través de cable y/o de tecnología inalámbrica (Bluetopth u otras). Las imágenes son tratadas por una aplicación de tratamiento de imágenes instalada en los medios de procesamiento de datos (el dispositivo móvil 2), si bien en el caso de que las imágenes sean enviadas al servidor remoto 8, llegarán al servidor para que un asistente ya sea humano o automatizado pueda ayudar y apoyar al usuario en el reconocimiento de las imágenes utilizando tanto la voz del teléfono como manipulando las imágenes que se envían al estimulador.

La aplicación de tratamiento de imágenes puede reconocer bordes y contornos y es capaz de optimizar contrastes. Este perfil funcional se consigue utilizando, programas desarrollados sobre teléfono móvil o en sistemas tipo SoC.

La aplicación de tratamiento de imágenes realiza las siguientes funciones:

• Procesamiento de las imágenes.

• Transmisión y recepción de imágenes y señal procesada.

• Proceso y envío de la señal de distancia al punto de autoenfoque a los medios de estimulación táctil 3.

El procesamiento de la imagen dispone de varias opciones configurables:

• Detección y resalte de bordes y contornos (algoritmos de Sobel/Canny)

• Gestión de comandos de la cámara (zoom, contraste, brillo)

• Cambio de la imagen a su negativo (cambio de blanco por negro)

En una realización preferida los medios ^' de estimulación táctil 3 es una matriz de estimulación táctil de 20x20 (aunque puede adoptar otras resoluciones) que aplican una estimulación vibrotáctil sobre la piel con una frecuencia alta para activar los diferentes receptores. Los puntos de excitación se crean sobre una membrana 10 flexible sobre la que interactúan 400 actuadores 11. Tal como se muestra en las Figuras 5A y 5B, cada actuador 11 , una vez activado, aplica una fuerza F sobre un punto de estimulación 12 creado por el actuador en fa superficie de la membrana 10. La Figura 5C representa en detalle la membrana 10 flexionada temporalmente en el punto de estimulación 12 por el actuador 11. Normalmente la anchura o diámetro D del punto de estimulación 12 será como máximo 1,5mm, mientras que la protuberancia ΔΗ alcanzará como mínimo 0,05mm para que el usuario pueda sentirlo.

La estimulación es vibrotáctil, por lo que para obtener diferentes estimulaciones los estimuladores 3 se alimentan con una señal en forma de tren de pulsos de frecuencia (frecuencia de vibración) y duración (de pulso) determinadas.

Existen por tanto varios niveles de estimulación dependiendo de la frecuencia de vibración. Se consideran en la implementación preferida dos niveles de vibración, ausencia de vibración o vibración. Por tanto, para conseguir más niveles se modificará la frecuencia de vibración de los taxel. Por tanto, el estimulador permite varios niveles o intensidades de actuación, asociados a varias tonalidades de color (blanco, negro y escalas de gris), pudiendo conseguirse esta sensación modulando la amplitud del desplazamiento del actuador, su frecuencia de vibración o la duración de los pulsos de la señal que lo alimenta.

Adicionalmente, la matriz de estimulación táctil tiene una hilera de pines en un lateral que reflejan la distancia a la que se encuentra lo que esté enfocando !a cámara en ese momento. Es una información táctil y es en el proceso de aprendizaje donde se debe enseñar al sujeto a interpretar la sensación de distancia.

La tecnología desarrollada para accionar la matriz de estimulación táctil se basa en dispositivos (drivers) capaces de manejar matrices complejas sin que existan interferencias entre puntos de estimulación 12 adyacentes.

Un resumen de las características técnicas de la matriz de estimulación táctil, en una realización preferida, se incluye a continuación en la Tabla 1:

Tabla 1. Especificaciones del estimulador

Los actuadores 11 del estimulador son dispositivos que pueden estar basados dos tecnologías distintas: - Elastómeros dieléctricos o iónicos: Se trata de dispositivos micromécánicps fabricados con un tipo de polímero electroactivo (elastómero dieléctrico o iónico), cuyos principios básicos de funcionamiento se muestran en las Figura 6Á y 6B. Cuando un alto voltaje continuo U se aplica entre ambas caras de una fina película de elastómero dieléctrico 21 , en un primer 22 y un segundo 22' electrodos, se expande en la dirección del plano debido a la presión p en la dirección del espesor inducida por un campo eléctrico. Cuando desaparece el voltaje aplicado, la película de elastómero recupera la forma original. Este efecto se puede crear, por ejemplo, las sensaciones táctiles en una pequeña área de la superficie de la piel (la zona de aplicación) cuándo la matriz de elastómero se aplica o fija a un cuerpo humano, preferentemente en una región sensible (por ejemplo, la mano, el brazo, el abdomen o la parte inferior de la espalda).

- Estimuladores neumáticos: el estimulador se construye con una matriz de nanomotores y nanoválvulas, tal como se muestra en las Figura 7A y 7B. Para conseguir la matriz de 100x100 puntos se utilizan 100 conductos 30 (columnas) con 100 orificios 31 equidistantes entre sí, a modo de flautas. En un extremo de cada conducto 30 se acopla una microválvula 32 que inyecta aire. Horizontalmente (en la figura) se disponen 100 placas 33 (filas), cada una de ellas con 100 aberturas 34 y accionada por un micromotor 35, que permite abrir o cerrar los orificios 31 de los conductos 30. En la posición de reposo del nanomotor 35 (cuando no está activado), tal como se muestra en la Figura 7A, las aberturas 34 de las placas 33 no coinciden con los orificios 31 de los conductos 30.

El esquema de funcionamiento es el siguiente: si se desea que el aire fluya por el elemento de la matriz de estimulación táctil que se encuentra en la primera fila y la primera columna, en primer lugar se acciona la placa 33 de la primera fila mediante el nanomotor 35 en el sentido de !a flecha, tal como se muestra en la Figura 7B, con lo cual todas las aberturas 34 de la placa 33 de la primera fila coincide con los orificios 31 de los diferentes conductos 30 situados en la primera fila. Simultáneamente se activa la nanoválvula 32 del conducto 30 de la primera columna para insuflar airé que, a! coincidir orifico 31 y abertura 34 de la primera fila y columna, escapa por el elemento de la matriz elegido (fila 1 , columna 1). La sensación táctil perseguida se consigue mediante la presión que ejerce sobre la piel la burbuja de aire generada en. el punto de estimulación correspondiente a ese elemento de la matriz.

El sistema se puede realizar con elementos discretos, tal como se ha contemplado para mayor claridad en esta descripción, o utilizando tecnología de microdispositivos MEMS (para la realización de las nanoválvulas y los nanomotores) sobre un soporte común de silicio.

Por supuesto para fa realización de la matriz de estimulación táctil se pueden elegir diferentes resoluciones (esto es, diferentes números de filas y columnas), eso sí, en número suficientemente elevado para obtener una resolución mínima necesaria para que el usuario pueda percibir la imagen en detalle, dicha resolución mínima normalmente dependiente de la escena a representar.

Para que el proceso de habilitación neuronal tenga éxito es muy importante tanto el protocolo de estimulación como el protocolo de aprendizaje.

La primera clave de la habilitación neuronal reside en el protocolo de refresco de la información táctil (protocolo de estimulación). Un periodo de refresco entre 100ms y 300ms es capaz de conseguir la excitación neuronal necesaria para establecer las conexiones cerebrales requeridas.

La segunda clave del proceso de habilitación neuronal es el aprendizaje asociativo (protocolo de aprendizaje): frecuencia, intensidad, duración, son factores que con patrones estimulares' sencillos y sincronizados temporalmente conducen al éxito habilitativo neuronal.

El método de aprendizaje se lleva a cabo preferentemente en sesiones de 30 , , minutos cada 8 horas, 3 veces al día, 7 días a la semana. Cada sesión consta del aprendizaje de un grupo de patrones estimulares, en las primeras sesiones sencillos y en las últimas más complejos.

La dinámica del procedimiento utilizado es la siguiente:

• Imágenes estáticas simples de nivel 1 : signos y letras.

• Imágenes estáticas simples de nivel 2: palabras.

· Imágenes estáticas complejas de nivel 1 : objeto aislado con fondo claro.

• Imágenes estáticas complejas de nivel 2: varios objetos con fondo claro y oscuro.

• Imágenes dinámicas complejas de nivel 3: escenas de la vida cotidiana En las Figuras 6A y 6B se muestran, tal como se ha indicado anteriormente, el principio de funcionamiento de un elastomero dieléctrico actuador 23. La presente invención permite controlar la matriz de elastómeros dieléctricos evitando interferencias. La matriz es direccionada por la selección de un elemento, en la intersección de una determinada fila y columna. Muítiplexado es el término aplicado a la división en el tiempo por el que cada elemento de la matriz se excita o se activa. Sin embargo, cuando la matriz es grande surgen interferencias de acoplamiento (ruido en forma de excitación no deseada de elementos adyacentes no seleccionados). La presente invención proporciona un sistema de activación para matriz pasiva que tiene una aita relación señal a ruido (S/N) para la activación de grandes matrices de elementos lineales.

Volviendo a las Figuras 6A y 6B, suponiendo que el volumen permanece constante, la presión efectiva es la siguiente:

p =E _Í E ₀ /G'

donde E _r caso es la permitividad relativa de los elastómeros, E ₀ = 8854 · 10 ² As/Vm es la permitividad en el vacío, U es el voltaje aplicado y d es el espesor de la película de elastómero en posición de reposo. La presión aumenta de forma cuadrática con el campo eléctrico y por lo tanto es la relación principal que regula la respuesta del actuador. Es importante señalar que el comportamiento de elastómero es el mismo independientemente de! signo positivo o negativo de la tensión aplicada U.

El modelo eléctrico equivalente para un elemento elastómero es una configuración de condensador y resistencia en paralelo, en la que la capacitancia es el resultado de dos electrodos aplicados sobre la película de elastómero, y la resistencia es la resistencia de pérdidas originada por la conductividad de la película de elastómero.

La técnica de modo grueso es una realización reciente de EPAM (Músculo Artificial de Polímero Electroactivo). En esta realización, se recubre la película de polímero "activo" con una capa pasiva más espesa, de modo que los cambios en el espesor del polímero durante la actuación de EPAM se transfieren, al menos parcialmente, a la capa pasiva. Esta capa pasiva puede considerarse como pasiva en relación la película de polímero en cuanto a que no responde a la aplicación de un campo eléctrico cambiando de área ni de espesor como hace la capa de EPAM. Sin embargo, la capa pasiva se acopla a la película de EPAM de modo que los cambios de área y de espesor de la película de EPAM inducen fuerzas de cisión en la capa pasiva que cambian el espesor de esta capa. Por lo tanto, este cambio de espesor de la capa pasiva puede utilizarse para ampliar _A en términos absolutos, el. desplazamiento producido por el cambio de espesor de la película de polímero EPAM.

En una matriz de elastómeros, un conjunto de elastómeros dieléctricos dispuestos en filas y columnas, se excita un único elemento (taxel) aplicando un voltaje entre la columna y la fila que cruzan en ese elemento. Cada taxei tiene dos electrodos, cada electrodo en un lado diferente del dieléctrico (un electrodo 22 se encuentra ubicado en las filas y otro electrodo 22' forma parte de las columnas, como se muestra esquemáticamente en la Figura 8A, que representa una matriz de elastómeros de 3x3). La intersección de columnas y filas define cada taxel. Debido a la equivalencia condensador/resistencia de cada elemento, la excitación de uno de ellos implica una excitación por diafonía (crosstalk) del resto de los elementos de la matriz. Para una matriz de MxN, M<=N, donde N y M son grandes (más de 10) esta excitación por diafo ía es cercana al 50% del voltaje aplicado en los elementos de la fila y la columna involucrados en la excitación del elemento, y 1/M para el resto de los elementos. Por eilo, si N o son grandes, la excitación por diafonía del resto de los elementos que no se encuentran ubicados en la misma fila ni en la misma columna se reduce grandemente. Sin embargo,, se incrementa a cerca del 50% en las filas y columnas involucradas.

La Figura 8B es una ilustración esquemática de elementos elastómeros dieléctricos en una matriz de M filas y N columnas. Las líneas en la Figura 8B representan hilos conductivos que conectan los electrodos de cada taxel elastómero, mientras que las cajas (R-i , R ₂ ¡ _M ; C-I , C ₂ , C _n ) representan terminales de conexión. El primer electrodo 22 y el segundo 22' se ubican donde las filas se cruzan con las columnas.

El voltaje aplicado (+U) a la fila R (R _R ) y columna C (C _c ) excitará al elemento que está en el punto de cruce de esa fila y columna. Si se aplica un voltaje (-U) se produce la misma excitación. Si el resto de las filas y columnas están flotando (en circuito abierto, sin voltaje aplicado) habrá un acoplamiento por diafonía al resto de los elementos.

Para evitar esta diafonía, se introduce a todos los elementos de la matriz un voltaje de polarización de forma que la interferencia coincida con esta tensión de polarización pero con signo cambiado. Este voltaje de polarización ayudará también a hacer trabajar al elastómero con menores cambios de voltaje que en el caso en que no se use tensión de polarización con casi ninguna respuesta a las pérdidas mecánicas.

Si cada fila se conecta a un voltaje común de fila V1 y cada columna a un voltaje común de columna V2, el voltaje de polarización de cada elemento será (V2 - V1 ). Para excitar a un elemento E _RC de la matriz 24, debe cambiarse el voltaje en la fila R (R _R ) y en la columna C (C _C ) En la fila R (R _R ) se aplica un voltaje de activación de fila V3 y en la columna C (C _C ) un voltaje de activación de columna V0, tal y como se representa en la Figura 9. Para la fila R (R _R ) y la columna C (C _c ),el voltaje de ese elemento E _RC será (V3- V0), como se muestra en la Figura 10. El voltaje en el resto de los elementos de la fila R (RR) será (V3-V2), como se ve en la Figura 11. El voltaje en el resto de los elementos de la columna C (C _c ) será (V1-V0), como se muestra en la Figura 12. La línea discontinua de los gráficos inferiores de las Figuras 10, 11 y 12 representan los voltajes aplicados a las columnas (V0 es el voltaje de activación de columnas), mientras que la línea continua en los gráficos inferiores es el voltaje aplicado a las filas (V3 es la tensión de activación de filas). En dichas Figuras 10, 11 y 12 la gráfica superior representa el voltaje resultante de la diferencia entre el voltaje aplicado en las filas (V _raw ), ^f en línea continua, y el voltaje aplicado a las columnas (V _C0 | _umr ,), en línea discontinua del gráfico inferior. El gráfico superior de la Figura 10 representa el voltaje resultante aplicado al taxel activado (elemento E _RC ), el gráfico superior en la Figura 11 es la tensión resultante aplicada al resto de los elementos en la misma fila R, y el gráfico superior en la Figura 12 es el voltaje resultante aplicado al resto de los elementos en la misma columna C. -

Eligiendo los voltajes (V1-V0) igual a (V2-V1 ) e igual a (V3-V2) se conseguirá una excitación de los elementos con cero diafonía, ya que el voltaje inducido en los elementos no-objetivo sólo cambiará de signo pero no de magnitud, lo que no producirá variación alguna en ia condición mecánica del elastómero. En las, Figuras 10, 1 1 y 12 los voltajes elegidos son, a modo de ejemplo: V0 = OkV; V1 = 1 kV; V2 = 2Kv; V3 = 3kV. .

Como se muestra en las Figuras 11 y 12, no hay cambio en la condición del elastómero cuando el voltaje aplicado va de +1kV a -1kV, que es el voltaje resultante aplicado al resto de los elementos de la columna C (Figura 12) y en el resto de los elementos de la fila R (Figura 1 ).

Como la respuesta mecánica es proporcional al cuadrado de la tensión aplicada, con una tensión de polarización de 1 kV y un voltaje aplicado de 3kV, el ratio de respuesta mecánica de polarizado a activo será de 9 a 1 , y por lo tanto, un usuario percibirá fácilmente la respuesta mecánica a una excitación de un elemento E _RC de matriz de elastómeros 24 (en el caso de estimulaciones táctiles).

Con está técnica, pueden activarse simultáneamente varios elementos de !a misma columna (o fila), lo que permite activar la matriz completa de M x N en M pasos (o pasos). Así pues, hay N columnas de las que sólo una trabaja a la vez y hay M filas de las que j (j ^<= M) trabajan simultáneamente. De la misma forma, la matriz podría rotarse 90 grados y trabajaría una fila a la vez con múltiples columnas. Para activar varios elementos en una columna concreta (E3c,E _6c> E _8C ), el procedimiento será el siguiente: Para activar (aplicar un voltaje V3 a) todas ias filas que contienen los elementos que van a estar activos (en el ejemplo representado en la Figura 13, las · filas de activación R ₃ , R _{6 y} R ₈ ), y activar a la vez (aplicar un voltaje V0) la columna seleccionada de activación común (C _c ). Como consecuencia de ello, los elementos E3C, EBC y Eec se activan a la vez. Después de activar los elementos seleccionados ubicados en la columna de activación común (C _c ), se activarán los elementos seleccionados en otras columnas elegidas C _c+ i (o en cualquier otra columna elegida, no es necesario que las columnas se activen consecutivamente en orden creciente), y así hasta que todas las columnas de la matriz hayan sido activadas, con lo que toda la matriz completa queda activada. E! tiempo que transcurre entre activaciones consecutivas de columnas depende del tamaño y tiempo de respuesta de los taxeles; la electrónica permitiría normalmente tiempos de activación de 15 a 20/ s. La anchura del pulso de activación depende de la respuesta del taxel. Típicamente el ancho del pulso aplicado puede ser 1000//S, puesto que produce un mayor efecto de vibración que los pulsos más largos. El ancho del pulso puede elegirse en consonancia con la aplicación, normalrpente menos de 2Ó//s. ,

Como se ha comentado anteriormente, la utilización de voltajes |V1 - V0| igual a ¡V2-V1 | e igual a |V3-V2| permitirá excitación de elementos con cero diafonía. Sin embargo, si se desea alguna activación de fondo de ios taxeles no-objetivo (por ejemplo , en un sistema visual táctil puede ser útil una vibración constante residual cerca del umbral de percepción humana para incrementar la sensibilidad táctil), la selección de V1 y V2 offset de la condición de ho-diafonía (V1-V0) igual a (V2-V1 ) e igual a (V3-V2) conllevará una activación residual del resto de los taxeles. Por ejemplo, seleccionando V1 =1/3*V3*(1 +x) y V2=2/3*V3*(1-x) con 0<x<0.5, creará una ^' activación residual con 10% del voltaje V3 cuando x=0.1.

Como V0 puede considerarse siempre como referencia de tierra, V0=0. Y en el caso en que x=0, la condición para que se cumpla será 1 ^~~ 3 ^~ ' ° ^0Π

V3>V2>V1>V0.

V 2V ■

Si x≠0, la condición resultante sería = ^- · (1 + χ) ₎ ν ₂ = -~ · (1~ ^χ ) con

V3>V2>V1>V0.

Aplicando pulsos cortos (de alrededor de 1000us) a los taxels (varía dependiendo de la respuesta mecánica del taxel) se puede reforzar la sensación de golpeo que se percibe en la piel. En base a la respuesta mecánica del taxel, se puede elegir una anchura de pulso que sume los golpeos de activación y desactivación del taxel y refuerce de esta forma la percepción táctil.

Como un aspecto adicional de la presente invención, se ha provisto de un aparato generador de voltajes para hacer trabajar la matriz de acuerdo con el método comentado. Se necesitan los voltajes de referencia y switches de conexión a esos voltajes. El aparato generado de voltaje consta de dos circuitos, el circuito de conmutación de alto voltaje y el generador de voltajes de referencia usado por el circuito de conmutación.

Uno de los problemas de trabajar con voltajes altos es que aún con corrientes de activación de circuitos con muy baja polarización, las pérdidas son considerables. Para evitar esto, se usan optoacopladores, que mantienen de esta forma separados el circuito de conmutación de alto voltaje del circuito de activación de bajo voltaje.

Ei circuito de la Figura 14 representa el esquema básico de conmutación donde uno de los terminales de una carga (por ejemplo un taxel) puede conectarse eléctricamente tanto a V _A como a V _B (V _A y V _B pueden ser cualquiera de los voltajes V0, V1 , V2, V3), en base a las señales de control V _C i y V _C 2- Los optoacopladores 70, pueden usarse en esta aplicación particular. Los resistores R1 y R2 descargan rápidamente la base del transistor de salida para permitir una conmutación rápida. A través de un circuito de conmutación de alta tensión 27 y de circuito de activación de tensión 26 se aplica las tensiones a los electrodos (22,22') de los elastómeros dieléctricos actuadores 23.

Los optoacopladores 70 soportan unos voltajes máximos de salida en el rango de 400V, mientras que en nuestra aplicación se precisan voltajes del orden de 2000V (ver Figura 10). Pero las señales para activar los taxeles de la matriz de elastómeros son de baja intensidad, ya que sólo se necesita la corriente para cargar el condensador equivalente 71 del taxel, que es de alrededor de 1 pF.

Así pues, estas características permiten utilizar varios optoacopladores 70 en serie para conseguir el alto voltaje deseado de 2000V, con cada transistor a la salida de los optoacopladores 70 actuando como un dispositivo zener cuando los voltajes se aproximan a valores de ruptura, mientras que la corriente a través de ellos sea suficientemente pequeña como para permitir que el dispositivo se mantenga dentro de los valores de disipación de potencia aprobados.

En el caso del dispositivo utilizado en esta aplicación, el MOC8204, la máxima potencia disipada es de 300mW lo que nos lleva a valores del orden de 600uA para la corriente media que el dispositivo soportará én condiciones de limitación en voltaje (aquí se considera 500V).

En las Figuras 15A y 15B se representa el diagrama esquemático para la activación de un solo táxel (ambas figuras separadas en la línea I, por motivos de tamaño), donde los voltajes V3 y V1 se pueden aplicar al terminal A del elastómero y los voltajes V2 y V0 se pueden aplicar al terminal B del elastómero (los terminales A y B de la carga del táxel corresponden a los electrodos (22,22') del elastómero representado en la Figura 6A; los voltajes en las filas se aplican al correspondiente primer electrodo 22, y voltajes en las columnas se aplican al correspondiente segundo electrodo 22', o viceversa), representado por el condensador 71 en el esquemático. Las señales de control de borrado (V _C i,V _C 2) están a cargo del borrado de los terminales A y B del elastómero, mientras que las señales de control de grabado ( co>Vc3) están a cargo del grabado de los terminales A y B.

En el terminal A, las resistencias de polarización R30 y R49 fijan el estado inactivo para los opto-acopladores 70 cuando no están activados. La resistencia R49 está ajustando por defecto el terminal A a V1. El diodo D19 mantiene el bloque de borrado del terminal A aislado del resto del circuito a no ser que sea activado. El diodo D20 evita que el voltaje del terminal A sea menor de V1. Las resistencias R50 y R51 limitan la corriente máxima a través de los opto-acopladores 70. De manera similar en el terminal B (la resistencia R36 ajusta por defecto el terminal B a V2, etc.).

Las resistencias entre los terminales emisor y base de los transistores de salida de los opto-acopíadores aceleran el tiempo de descarga de la base, permitiendo un rápido apagado del transistor.

Se consiguen unos tiempos de conmutación de 15us para voltajes de -1 kV a +3kV (una variación de 4kV). La pérdida de potencia se reduce a las pérdidas en las resistencias de polarización sólo cuando los opto-acopladores están activos.

V0, V1 , V2 y V3 son los voltajes de referencia, donde (V1 -V0) = (V2-V1 ) = (V3- V2) e igual a Ί/3 del total del voltaje V3 (cuando V0=0). Para conseguir estos voltajes de referencia de una fuente de alimentación Vcc, un circuito divisor de bajas pérdidas se ha introducido como parte de la invención.

El generador de voltaje de referencia 28 está formado por un divisor de voltaje resistivo 93 de poca intensidad y un gran valor resistivo para proporcionar un voltaje de referencia a una cadena de transistores de baja impedancia de etapa de salida, como se muestra en la Figura 16. El divisor de voltaje resistivo 94, compuesto de distintas resistencias 93 (de 10ΜΩ en el ejemplo), fijan ia referencia a dos transistores, un transistor PNP 90 y un transistor NPN 91 , en una configuración de emisor seguidor, con ambos emisores juntos como voltaje saliente. Como se están usando transistores con un voltaje V _ceo máximo en el rango de 400V, una serie de este bloque básico se repite para conseguir éi alto voltaje deseado. La resistencia R4 en paralelo con el condensador C17 se utiliza para muestrear y filtrar paso bajo el voltaje total.

Si el voltaje de salida del emisor tiende a ir por encima dei voltaje de referencia de entrada, el transistor PNP 90 se polariza y una corriente a través del colector mantendrá el voltaje de salida siguiendo la referencia de entrada. De manera similar, si el voltaje de salida del emisor tiende a distanciarse por debajo del voltaje de referencia de entrada, el transistor NPN se polariza y una corriente a través del colector mantendrá el voltaje de salida siguiendo la referencia de entrada.

Esta corriente de colector producirá una reacción en cadena con respuesta similar en el resto de los bloques. Los condensadores 92 a la salida se utilizan para almacenar energía entre los pulsos de activación de taxeles, absorbiendo la demanda de picos de corriente de los pulsos de voltaje en los taxeles. Los voltajes de salida V0, V1 , V2 y V3 son los voltajes de referencia mostrados desde la Figuras 9 a 15.

Como el circuito se escala para activar una matriz más grande, el bloque de borrado puede ser común a todos los bloques grabadores por terminal, reduciendo el tamaño del circuito completo. Un circuito de control de nueve taxeles para una matriz 3x3 se representa en las Figuras 17A y 17B (ambas figuras separadas en las líneas I, II y III, por motivos de tamaño). Aquí el bloque de borrado en cada terminal se comparte con todos los bloques de grabado, como el bloque de borrado esta aislado del circuito por un diodo, y todos los bloques grabadores estarán activos al mismo tiempo, este bloque borrador común llevará la señal del terminal X al valor inicial a través dei diodo una vez que los bloques grabadores están desactivados.

Para poder activar o grabar determinadas columnas, se proporcionan varias señales de control grabadoras por columna (V _S ci ,Vsc2.Vsc3) _> tantas como el número de columnas. De manera similar, para activar las filas, hay varias señales de control grabadoras por filas (VSRI ,VSR2,VSR ₃ ), tantas como el número de filas.

Por lo tanto, para activar la fila i, R¡ y la columna j, C _j , las señales de control grabadoras V _SR ¡ y V _SCj deben activarse. Además, y como se ha descrito en la Figura 13, varias filas pueden ser activadas a un tiempo mientras se activa una determinada columna. Se proporciona una señal de control de borrado para cada terminal: Una seña! de control de borrado de columnas (V _RC ) para el borrado de las columnas (aplicando el voltaje de columna común V2) y una señal de control de borrado de las filas (V _RR ) para el borrado de ias filas (aplicando el voltaje de fila común V1 ). Las señales borradoras y grabadoras no pueden ocurrir al tiempo, además, para reducir el consumo de potencia se debe introducir un pequeño tiempo de descarga para los transistores de salida en el opto-acoplador entre la desactivación de la señal grabadora y la activación de la señal de borrado.

En una realización deseable, una matriz de 100x100 taxeles podrá ser activada de manera que el tiempo para activar columnas consecutivas estará comprendido entre 200 /s-1000 vs, por lo que el tiempo necesario para activar la matriz completa estaría entorno a 20ms-100ms (una frecuencia de 10Hz-50Hz).

A continuación se presenta una técnica para !a fabricación de una matriz táctil optimizada para la transferencia táctil de información sin interferencias entre taxeles (taxel es un píxel táctil, un elemento táctil), de pequeño tamaño, fácilmente escaiable en resolución (número de filas y columnas), flexible y baja complejidad de producción.

Dicha matriz táctil optimizada resuelve el problema de las interferencias tanto mecánicas como eléctricas entre taxeles.

Para aplicaciones de transmisión táctil el esquema de la Figura 6A presenta varios problemas, como acoplamiento entre taxeles a través de la misma piel, transmisión débil de energía. Estos problemas-se resuelven con al presente invención, al tiempo que se potencia la transmisión mecánica de las deformaciones ejecutadas en el elastómero.

La Figura 18A muestra la disposición de los electrodos (22,22') en el elastómero dieléctrico 21 , en una disposición de la matriz (matriz de elastómero). La Figura 18B representa un detalle de la matriz de elastómero, en el cual se aprecian cómo los electrodos superiores 22 están conectados eléctricamente por filas 40 y los electrodos inferiores 2' están conectados eléctricamente por columnas 41. En la figura se aprecia que las filas 40 y las columnas 41 son perpendiculares; sin embargo, esto no es esencial, ya que podrían estar dispuestas formando cualquier ángulo (incluso paralelas), aunque para una mayor facilidad para la excitación de los electrodos es recomendable que sean perpendiculares. Los electrodos son preferentemente circulares, tal como se muestra en la Figura 18B, pero podrían adoptar otras formas (por ejemplo, cuadrada, romboidal, rectangular, etc.) La estructura de la matriz de actuadores de elastómeros está, representada en ⁽ as Figuras 19A y 19B, donde se aprecian los distintos componentes en varias capas. La Figura 19A muestra una sección lateral en 2D, mientras que la Figura Ί9Β representa una sección lateral en 3D. Cada uno de los elementos aquí descritos contribuye a una mejor actuación del taxel. Básicamente los elementos incorporados son: ^'

Soporte inferior 44 con funciones de concentrador de actuación y elemento de pre-tensado de las capas pasivas superior 48 e inferior 48'. El soporte inferior 44 es preferentemente semiesférico para que la tensión se reparta - de forma uniforme y no produzca rupturas del material

Pines actuadores 45 embebidos en una capa de soporte de pines 46 para captura directa de la energía generada en el taxe! por la base del pin 45a, la cual está en contacto con la capa pasiva superior 48, y para concentración de la presión ejercida en el extremo opuesto del pin (cabeza del pin 45b) con un diámetro mucho menor que la base, por lo que la presión es aumentada en relación cuadrática respecto al ratio de diámetro base/cabeza pin. En una realización preferente se emplea una relación 1.8/0.6, siendo 0.6 mm el diámetro del pin en contacto con la piel y 1.8 mm el tamaño de la base del pin, menor que el diámetro del actuador que es de 2.5 mm. Todos estos parámetros se pueden modificar y optimizar, basado' en resultados experimentales y simulaciones.

- Placa de circuito impreso 47 con funciones de soporte y de conexionado eléctrico.

- Pre-tensado de las capas pasivas del elastómero dieléctrico en modo grueso. Se puede conseguir por varias técnicas, como realización a escala inferior o tensado por presión del soporte inferior 44 en la placa.

Empezando por la parte inferior tenemos una PCB, placa de circuito impreso 47, que sirve de soporte y sujeción del resto elementos, así como soporte para las conexiones eléctricas (terminales eléctricos 49) necesarias para la actuación de la matriz. Este PCB 47 puede ser muy fino, ofreciendo así flexibilidad al dispositivo final, lo cual es conveniente para una mejor adaptación a la parte del cuerpo con la que estará en contacto. Como se aprecia en la Figura 19B en los extremos de las filas y columnas de electrodos existe un pequeño volumen de pasta conductora (terminación de conexión 50), la misma usada para los electrodos, que sirve para conexionar la matriz de elastomero con el terminal eléctrico 49 en el PCB 47, mediante unos elementos de conexión 52. De esta manera las conexiones se pueden realizar una vez terminado el proceso de fabricación de la matriz, lo cual es muy conveniente para simplificar dicho proceso.

Sobre este PCB y localizados justo debajo de cada taxel tenemos un soporte inferior semiesférico 44 cuya función es concentrar la actuación del taxel en el centro de éste. Este apoyo en forma semiesférica cumple una segunda función, la de pre- tensar las capas pasivas (48,48') de silicona del elastomero en modo grueso, consiguiendo con este pre-estiramiento una respuesta de actuación más intensa, ya que esta actuación no solo depende de la fuerza que sea capaz de generar el taxel en sí, sino de parte de esta fuerza que la capa pasiva es capaz de transmitir. Como se aprecia en la Figura 19A, si partimos de una elastomero con una capa pasiva inferior 48' uniforme, al colocarlo contra la placa base 47 con las semiesferás debajo de los taxeles, se produce una compresión de la capa pasiva en unos puntos o zonas de compresión 51 centrados debajo del taxel, lo que equivale a un estiramiento de la silicona sobre la semiesfera produciendo una tensión en estado de reposo que ayuda a mejorar la intensidad y rapidez de la respuesta mecánica del taxel. Otros métodos de pre-estiramiento pueden ser la elaboración de la matriz a una escala inferior para mediante un estirado adherirla a la placa base en escala original. Las semiesferás inferiores 4 ayudan a canalizar y concentrar la energía en el punto central del pin.

En la parte superior del elastomero se encuentran la otra parte de! dispositivo potenciador, formado por un pin embebido 45. La cabeza del pin debe estar lo suficientemente cerca del foco de actuación para que capture la mayor parte de la energía generada. Este pin 45 captura y canaliza ia energía del actuador para llevarla al extremo exterior en contacto con la piel. Con la idea de minimizar los componentes mecánicos y simplificar el proceso de fabricación de lá matriz, estos pines quedan sujetos por una capa adicional de' silicona, capa de soporte de pines 46, que los mantiene en contacto con la capa pasiva superior 48 del elastómero en todo momento. Las proporciones entre el diámetro de los electrodos (22,22') del actuador, el grosor de las capas pasivas superior 48 (distancia del pin 45 al actuador) e inferior 48' y la altura del soporte inferior semiesférico 44 determinarán los parámetros del comportamiento' de la respuesta dei taxel, habiendo de buscar un compromiso en función del parámetro a optimizar, como desplazamiento vertical, fuerza de actuación, tiempo de respuesta, etc.

Si bien en un actuador en modo grueso la deformación en la capa pasiva de silicona es mayor a mayor grosor de esta capa para aproximaciones donde el diámetro del actuador es mucho mayor que el grosor de la capa, también es cierto que la energía se expande en forma esférica dentro del núcleo de silicona (conjunto de elastómero en modo grueso) de modo que la energía por" unidad de superficie es menor a medida que nos alejamos del foco de actuación (en proporción cubica), de aquí el compromiso entre grosor de la capa pasiva sobre la que descansa la cabeza del pin para obtener resultado óptimos de actuación en el pin por la energía captada por éste.

Al quedar ei actuador taxel comprendido entre el soporte inferior 44, sujeto a la placa 47 de soporte común y el propio pin 45, toda la actuación mecánica queda trasladada al pin actuador 45.

La relación entre los grosores de las capas pasivas (48,48') repercute en las propiedades de actuación del pin y del aislamiento entre pines 45 adyacentes. Por un lado a mayor grosor mayor desplazamiento vertical en un modelo donde el diámetro del pin 45 es mucho mayor que el grosor de la capa pasiva 48. A medida que el diámetro es comparable al grosor de la capa pasiva este desplazamiento vertical disminuye debido a la deformación del volumen total de la capa pasiva.

En una realización preferida se emplean diámetros de actuadores de unos 2,5mm para permitir una distancia de 3mm entre actuadores, la capa pasiva inferior 48' es de 1mm de grosor, la capa pasiva superior 8 sobre la que descansa el pin 45 es de 0,5mm de grosor y la capa de soporte de pines 46 es de otros 0,5 a 0,7mm de grosor. El diámetro de la cabeza del pin es de 1 ,8mm y la punta de 0,6mm. Sin embargo, distintas medidas se podrían emplear, así como otras formas, por ejemplo pequeños elementos actuadores esféricos 45' (según se muestra en la Figura 21 ).

El proceso de fabricación del dispositivo empieza con el estiramiento del elastómero hasta dejarlo en 20um de grosor, aplicación de los electrodos (22,22') mediante máscara y deposición de pasta conductora. Posteriormente se deposita la silicona para formar las dos capas pasivas, la inferior 48' de 1mm de grosor y la superior 48 de 0,5mm de grosor. En este punto se realiza la conexión del PCB a cada una de las terminaciones en el elastómero mediante la inserción de un hilo conductor fino, el elemento de conexión 52, (del orden de 0,1 mm de diámetro) (que atraviesa en perpendicular las capas pasivas y el elastómero en el punto de conexión preparado para ello (terminación de conexión 50), atravesando también el orificio en el PCB que existe en cada terminal eléctrico 49. El hilo será soldado en la parte posterior del PCB y cortado justo por encima de la capa pasiva 48 de modo que al añadir la capa de soporte de pinés 46 las conexiones quedan cubiertas y eléctricamente aisladas.

A continuación de colocan los pines 45 sobre cada uno de los electrodos superiores 22 y se cubren con la última capa de silicona de 0,5 a 0,7mm de espesor, la capa de soporte de pines 46.

Este último paso también se puede realizar por separado, fabricando una alfombrilla de 0,5 a 0,7mm de espesor con los pines embebidos, para posterior adhesión de esta alfombrilla sobre el resto de la matriz-actuador, simplificando el proceso de fabricación.

Aunque están descritas como dos capas en el proceso de fabricación, la capa de soporte de pines 46 y la capa pasiva superior 48 una vez terminadas están fundidas y forman una sola con ios pines 45 embebidos.

En el proceso de fabricación la capa de elastómero dieléctrico 21 siempre esta estirada. Además, y de manera opcional, se pueden estirar las capas pasivas (48,48') para mejorar la transmisión de ia presión.