IT201800007012A1

IT201800007012A1 - Guanto Sensoriale con Sistema di recupero dell’energia

Info

Publication number: IT201800007012A1
Application number: IT102018000007012A
Authority: IT
Inventors: Vincenzo Stornelli; Giuseppe Ferri; Franco Giannini; Giovanni Saggio; Alfiero Leoni
Original assignee: Vincenzo Stornelli; Franco Giannini; Giovanni Saggio; Giuseppe Ferri; Alfiero Leoni
Priority date: 2018-07-13
Filing date: 2018-07-13
Publication date: 2020-01-13

Description

Guanto Sensoriale con Sistema di recupero dell’energia

DESCRIZIONE

Le mani dell'uomo sono fondamentali per interagire con l'ambiente circostante e per comunicare. Pertanto, la possibilità di misurare i movimenti delle mani e dita, può essere utile per una serie di applicazioni, come il riconoscimento del linguaggio dei segni, la riabilitazione motoria, per la valutazione del gesto chirurgico, ecc. La misura dei movimenti delle mani e dita può essere vantaggiosamente eseguita per mezzo di un guanto sensoriale. Tipicamente, il guanto sensoriale è costituito da un guanto leggero ed elastico con sensori flessibili incorporati, che consente di fornire segnali elettrici analogici a seconda dei movimenti delle mani e dita. In generale, le capacità del movimento manuale possono essere modellate da 27 gradi di libertà (DOFs), in modo da tenere conto sia della flessione che dell’estensione delle articolazioni delle dita sia della rotazione e della flessione del polso.

La presente invenzione riguarda un guanto sensoriale in grado di percepire i movimenti delle dita che implementa un apparato ed un metodo finalizzato a potenziare la durata della carica della batteria del guanto stesso. In particolare, l’apparato proposto è basato su sensori resistivi e trasduttori a radiofrequenza, piezoelettrici e termoelettrici. Il guanto è dotato di sensori flessibili, un microcontrollore e un trasmettitore.

Al giorno d'oggi il recupero di energia da fonti ambientali (harvesting=raccolta) è un modo innovativo per catturare e immagazzinare energia per dispositivi detti autonomi, come quelli utilizzati nell'elettronica indossabile e nei sistemi di reti di sensori, anche wireless. In questo contesto, l’energia libera disponibile, soprattutto a radiofrequenza, aumenta di giorno in giorno grazie all'enorme numero di canali TV trasmessi, accessi hotspot Wi-Fi, infrastrutture di telefonia mobile, ecc. Tuttavia, tutti questi segnali hanno valori di potenza assolutamente non costanti, che dipendono dalla scelta dei luoghi o dall’ambiente che li circonda quindi è bene dotare i cosiddetti sistemi autonomi o ad autonomia prolungata di altre fonti di energia recuperate ad esempio dalle differenze termiche tra il dispositivo e l’ambiente o dalle vibrazioni.

In questo contesto le batterie rappresentano la fonte di alimentazione principale per i sistemi elettronici portatili a bassa potenza presenti nel mercato. Sfortunatamente, il punto debole della batteria rimane la sua durata della carica. Questo problema rappresenta anche un limite per un'ulteriore espansione di un mercato, altamente potenziale, a causa delle loro esigenze di sostituzione e ingombro.

Attualmente, sistemi dotati di Harvesting energetico per i sistemi indossabili stanno acquisendo sempre più interesse. Nello specifico, la fonte di energia richiesta da un guanto sensoriale può essere raccolta per mezzo di diverse fonti di energia, a seconda dell'applicazione e dell'ambiente, come ad esempio elettromagnetica, solare, termica, acustica, ecc. L'approccio attuale si basa su batterie di grandi dimensioni o sistemi cablati, che sono poco pratici e poco confortevoli.

L’apparato ed il metodo oggetto del presente trovato permettono di estendere la durata della batteria di un guanto sensoriale integrando tre diverse soluzioni di energy harvesting. Le tre soluzioni possono essere disponibili simultaneamente. L’apparato oggetto dell’invenzione integra: 1) guanto sensoriale; 2) rete di sensori per rilevazione movimenti, 3) array di generatori termoelettrici (TEG) applicati sull'avambraccio e sul braccio umano, 4) dischi piezoelettrici impilati in numero dipendente dallo spazio disponibile (PZT), posizionati nel tacco di una scarpa, in modo da raccogliere energia dalla pressione generata dai piedi durante una camminata o una sessione di corsa, 5) circuiti a doppia banda RF per catturare energia dalla potenza RF circostante.

Con riferimento alla figura 1 l’apparato si compone di:

- unguantosensoriale (101) indossatodalla mano realizzato mediante materiale di qualunque genere che si estende fino al braccio per ospitare tutta la parte di sensori (102) e di trasduttori (103);

- un alloggio posto nella scarpa (104) sia del piede destro che del piede sinistro per ospitare trasduttori piezoelettrici;

- i sistemi di collegamento tra i vari blocchi ed una batteria posta sull'avambraccio o in alternativa sul braccio sempre sostenuta dal materiale di cui è compostoil guantosensoriale; - sistemi di collegamento filare tra i vari oggetti tra cui un sistema di trasmissione dati a radiofrequenza posto nelle vicinanze della batteria.

Per quanto riguarda i sensori (102) del guanto sensoriale questi possono essere tipo resistivo capacitivo o anche inerziale. Tutti i trasduttori del sistema di Energy harvesting possono avere forme e dimensioni differenti tra di loro e differenti in generale; la parte di trasduzione Termoelettrica (TEG) è posizionata sul braccio e sull'avambraccio tramite l'utilizzo di Celle o quadrate o rettangolari o di qualunque altra forma anche flessibile.

In una sua possibile realizzazione il guanto sensoriale può essere realizzato come in figura 2, realizzato con tessuto costituito di materiale elastico anche misto, come Lycra® e combinazioni di Lycra® (105) con altri materiali, in modo da allungarsi col piegamento delle dita. Il tessuto ospita dei sensori, inglobati direttamente in esso oppure alloggiati in tasche cucite sul dorso del guanto stesso. In una possibile realizzazione il sistema di harvesting può essere realizzato come in figura 3 dove i tre blocchi di trasduzione RF (106), TEG (107) e piezoelettrico (108) sono collegati attraverso dei sistemi rettificatori (109) che evitano che uno dei tre trasduttori carichi l'altro ed alimentano il blocco di power managment (110). Questo ovviamente comporta una perdita di efficienza ma garantisce il funzionamento operativo del circuito.

L'architettura è stata testata come integrazione di schede di elementi discreti, composte principalmente da un microcontrollore esterno e da una scheda di trasmissione RF commerciale. I risultati delle misurazioni hanno dimostrato una durata prolungata della carica della batteria a parità di condizioni di utilizzo, considerando diversi scenari operativi.

Ad oggi non sono presenti in letteratura o in altri depositi brevettuali sistemi o apparati aventi tali sistemi sensoriali posti nelle posizioni e con le modalità descritte.

Claims

Guanto Sensoriale con Sistema di recupero dell’energia RIVENDICAZIONI 1) Apparato che comprende: - guantosensoriale conintegrata rete di sensori per rilevazione movimenti delle dita e del polso; - array di generatori termoelettrici (TEG) applicati sull'avambraccio e sul braccio umano; - dischi piezoelettrici (PZT) impilati in numero dipendente dallo spazio disponibile e separati da un isolante di qualunque genere, posizionati nel tacco di una scarpa; - circuiti a RF per catturare energia dalla potenza RF circostante.
2) Apparato secondo la rivendicazione precedente comprendente sistemi di collegamento tra i vari blocchi ed una batteria posta sull'avambraccio o in alternativa sul braccio sempre sostenuta dal materiale di cui è compostoil guantosensoriale; 3) Apparato secondo le rivendicazioni precedenti comprendente un sistema di trasmissione dati a radiofrequenza sostenuto dallo stesso materiale del guanto posto indipendentemente sul braccio o sull’avambraccio. 4) Metodo che acquisisce dati di movimento delle dita della mano mediante sensori di tipo resistivo e trasmette il valore digitalizzato mediante connessione a radiofrequenza ad un server remoto.