IT202000011221A1

IT202000011221A1 - Sistema e metodo di rilevamento del sollevamento e dell'abbassamento di un piede di un utilizzatore con la finalita' di abilitare una funzionalita' di un dispositivo dell'utilizzatore, e dispositivo dell'utilizzatore

Info

Publication number: IT202000011221A1
Application number: IT102020000011221A
Authority: IT
Inventors: Fabio Passaniti; Enrico Rosario Alessi
Original assignee: St Microelectronics Srl
Priority date: 2020-05-15
Filing date: 2020-05-15
Publication date: 2021-11-15
Also published as: US11747908B2; CN113672079A; EP3910923A1; US20210357035A1

Description

DESCRIZIONE

del brevetto per invenzione industriale dal titolo:

?SISTEMA E METODO DI RILEVAMENTO DEL SOLLEVAMENTO E DELL'ABBASSAMENTO DI UN PIEDE DI UN UTILIZZATORE CON LA FINALITA' DI ABILITARE UNA FUNZIONALITA' DI UN DISPOSITIVO DELL'UTILIZZATORE, E DISPOSITIVO DELL'UTILIZZATORE?

La presente invenzione ? relativa ad un sistema e ad un metodo per controllare almeno una funzionalit? di un dispositivo elettronico sulla base di un gesto di un utilizzatore del dispositivo elettronico. La presente invenzione ? altres? relativa al dispositivo elettronico che comprende il sistema. In particolare, il gesto include alzare e, successivamente, abbassare almeno un piede da parte dell?utilizzatore, rilevando in conseguenza di tale gesto una variazione di carica elettrostatica del corpo dell?utilizzatore.

Sono noti dispositivi utilizzati per il monitoraggio continuo del corpo di un utilizzatore nell'ambiente e durante condizioni di vita libera. Svariati sensori, ad esempio atti a rilevare l'accelerazione, la resistenza elettrica della pelle, la temperatura della pelle, il flusso di calore irradiato e la frequenza cardiaca, sono utilizzati in varie combinazioni per determinare o derivare parametri quali velocit? di combustione calorica, tipo e livello di attivit? e stato del sonno. Tali dispositivi impiegano sofisticati algoritmi per integrare vari flussi di dati acquisiti, al fine di determinare parametri di uscita con la miglior precisione possibile (es., calorie bruciate, tipo di attivit? fisica, ecc.). Sensori aggiuntivi, per rilevare parametri addizionali, forniscono ulteriori dati agli algoritmi, per migliorarne la precisione.

In particolare, per quanto riguarda il conteggio dei passi, ? noto utilizzare accelerometri triassiali (spesso integrati in dispositivi portatili) atti a fornire un segnale di accelerazione lungo tre assi ortogonali, ed elaborare il segnale di accelerazione mediante algoritmi di riconoscimento passi al fine di identificare specifiche variazioni (o ?pattern?) di segnale correlabili all?esecuzione di un passo da parte dell?utilizzatore. Tuttavia, l?elaborazione del segnale di accelerazione ? calibrata su un utilizzatore ?medio? o ?standard?, e non tiene conto di specifiche condizioni fisiche o necessit? (anche solo temporanee) che possono venire a crearsi. Ad esempio, a causa di problemi fisici, l?utilizzatore potrebbe effettuare passi molto brevi, o con un?andatura diversa da quella dell?utilizzatore medio preso a riferimento nella calibrazione dell?algoritmo di riconoscimento. Oppure, il movimento delle braccia, utilizzato dai software installati a bordo di dispositivi indossabili (es., smartwatch), potrebbe non essere indicativo di un passo nel caso in cui l?utilizzatore avesse problemi nel movimento delle stesse. Altre condizioni imprevedibili potrebbero inoltre impedire un corretto conteggio dei passi.

Sensori di campo elettrico sono utilizzati in alternativa o in aggiunta ai sensori accelerometrici per la determinazione dell'attivit? di un utente, o per aiutare a interpretare i segnali generati da altri dispositivi sensori.

La carica elettrica ? una componente fondamentale della natura. Gli elettroni di un elemento vengono facilmente trasferiti ad un altro elemento in condizioni di contatto diretto tra gli elementi o a distanza. Quando la carica viene trasferita tra due oggetti isolati elettricamente, si genera una carica statica per cui l'oggetto con un eccesso di elettroni viene caricato negativamente e l'oggetto con un deficit di elettroni viene caricato positivamente.

Gli elettroni si muovono all'interno di un oggetto in modi diversi a seconda che l'oggetto sia un oggetto conduttore o isolante. In un conduttore, gli elettroni sono pi? o meno uniformemente distribuiti in tutto il materiale e possono muoversi facilmente in base all'influenza dei campi elettrici esterni. In un isolante, la carica esiste principalmente in superficie. La carica pu? comunque essere mobile, a seconda delle propriet? del materiale e di altri fattori ambientali.

Sono noti dispositivi che rilevano la variazione del campo elettrico generato da un uomo durante i movimenti dello stesso, o che sfruttano un rilevamento di tipo capacitivo. Tecnologie che utilizzano questo ultimo tipo di rilevamento includono ad esempio schermi tattili, sistemi di rilevamento della posizione degli occupanti in automobili, e dispositivi per determinare la posizione, l'orientamento e la massa di un oggetto, come ad esempio descritto nel documento brevettuale US5,844,415, che riguarda un dispositivo di rilevamento di campo elettrico per determinare la posizione, la distribuzione di massa e l'orientamento di un oggetto all'interno di uno spazio definito, disponendo una pluralit? di elettrodi all'interno dello spazio definito. Tale soluzione tecnica poteva inoltre essere utilizzata per riconoscere i gesti di un utente, la posizione della mano e l'orientamento, ad esempio ad uso interattivo con un sistema di elaborazione, in sostituzione un mouse o un joystick.

Il documento brevettuale US2014/232516 propone l?utilizzo di un sensore di carica elettrostatica per derivare da un campo o un sensore di capacit? un parametro fisiologico o l'attivit? di un utente, come camminare, andare in bicicletta o dispendio di energia.

Il documento scientifico di K. Kurita, ?Development of Non-Contact Measurement System of Human Stepping?, SICE Annual Conference 2008, Japan, illustra un Sistema ed un metodo per contare i passi effettuati da un soggetto sfruttando una tecnica senza contatto. Tale tecnica prevede il rilevamento della corrente di induzione elettrostatica, generata come conseguenza diretta del movimento del soggetto nell?ambiente, attraverso un elettrodo posto a una distanza di 1,5 m dal soggetto. Tuttavia, l?esperimento illustrato in questo documento ? eseguito in condizioni ideali, ed ? una mera dimostrazione dell?applicabilit? della tecnologia al conteggio dei passi. Questo documento non insegna una tecnica applicabile in condizioni di vita reale, in cui il soggetto esegue, oltre ai passi, una pluralit? di altre attivit?, ciascuna delle quali causa una variazione della carica elettrostatica rilevata dal sensore. In tali condizioni, il rilevamento delle componenti di segnale dovute esclusivamente ai passi del soggetto ? complesso e non garantisce elevata affidabilit? sulla correttezza del rilevamento e conseguente conteggio.

? pertanto sentita la necessit? di sopperire alle mancanze della tecnica nota, fornendo un sistema ed un metodo per controllare almeno una funzionalit? di un dispositivo elettronico sulla base di un gesto di un utilizzatore del dispositivo elettronico che sia economico ma affidabile, e che richieda un ridotto carico computazionale.

Secondo la presente invenzione vengono realizzati un sistema ed un metodo per controllare almeno una funzionalit? di un dispositivo elettronico sulla base di un gesto di un utilizzatore del dispositivo elettronico, ed un dispositivo elettronico che include il sistema, come definiti nelle rivendicazioni allegate.

Per una migliore comprensione dell?invenzione, ne vengono ora descritte forme di realizzazione, a puro titolo di esempio non limitativo e con riferimento ai disegni allegati, nei quali:

- la figura 1 illustra schematicamente un sistema per controllare almeno una funzionalit? di un dispositivo elettronico includente un sensore di variazione di carica elettrica elettrostatica, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;

- la figura 2 illustra, mediante diagramma a blocchi, un metodo per controllare almeno una funzionalit? di un dispositivo elettronico, secondo la presente invenzione;

- la figura 3 illustra una forma di realizzazione del sensore di variazione di carica elettrica di figura 1;

- la figura 4A illustra un segnale di variazione di carica elettrica generato in uscita dal sensore di figura 3 in seguito ad una sequenza di gesti di alzata e abbassamento di un piede da parte dell?utilizzatore del dispositivo elettronico di figura 1;

- la figura 4B illustra la funzione derivata del segnale di variazione di carica elettrica di figura 4A;

- la figura 5 illustra, mediante diagramma di flusso, sottofasi del metodo di figura 2;

- la figura 6A illustra esemplificativamente l?andamento del segnale di variazione di carica elettrica e della sua derivata nel caso di un movimento rapido di alzata e abbassamento di un piede da parte dell?utilizzatore; e - la figura 6B illustra esemplificativamente l?andamento del segnale di variazione di carica elettrica e della sua derivata nel caso di un movimento lento di alzata e abbassamento di un piede da parte dell?utilizzatore.

La figura 1 illustra, schematicamente, un sistema di rilevamento movimenti 1 secondo un aspetto della presente invenzione. Il sistema di rilevamento movimenti 1 comprende una unit? di elaborazione 2 di un dispositivo, o sistema, elettronico 4 ed un sensore di variazione di carica elettrostatica 6 accoppiato all?unit? di elaborazione 2. In una forma di realizzazione, il sensore di variazione di carica elettrostatica 6 ? integrato nel dispositivo 4. L?unit? di elaborazione 2 riceve un segnale di variazione di carica SQ dal sensore di variazione di carica elettrostatica 6 e genera, in funzione del segnale di variazione di carica SQ, un segnale di comando o controllo SC.

L?unit? di elaborazione 2 implementa, in uso, un metodo di riconoscimento di una gestualit? da parte di utilizzatore del dispositivo 4. Il riconoscimento di tale gestualit? causa la generazione del segnale di comando o controllo SC, che ? atto a controllare o comandare almeno una funzionalit? del dispositivo 4 (ad esempio, attivare o disattivare una funzionalit?).

Tale metodo ? rappresentato mediante diagramma a blocchi in figura 2.

Con riferimento alla figura 2, blocco B1, la funzionalit? da controllare ? considerata spenta o disattivata, in attesa del segnale di comando SC.

Quindi, blocco B2, si acquisisce un segnale di variazione di carica SQ generato dal sensore di variazione di carica elettrostatica 6.

Si procede quindi, blocco B3, ad una fase di elaborazione del segnale di variazione di carica SQ per estrarre parametri significativi ed identificativi della gestualit? da rilevare.

Nel caso in cui tale gestualit? venisse rilevata, blocco B4, la summenzionata funzionalit? del dispositivo 4 viene attivata (blocco B5); altrimenti si ritorna al blocco B2 continuando l?acquisizione del segnale di variazione di carica SQ.

In una forma di realizzazione della presente invenzione, la gestualit? da rilevare ? l?alzata da terra ed il successivo abbassamento verso terra di almeno un piede, o gamba, dell?utilizzatore.

Ciascun movimento di alzata e abbassamento genera una variazione di carica elettrostatica attraverso il corpo dell?utilizzatore, dovuta ad uno scambio di cariche con il terreno/pavimento, che viene rilevata dal sensore di variazione di carica elettrostatica 6. La sequenza, entro un tempo predefinito, di alzata e abbassamento del piede o gamba dell?utilizzatore identifica l?intenzione dell?utilizzatore di attivare la summenzionata funzionalit? del dispositivo 4 e comporta, dunque, la generazione del segnale di comando SC che attiva tale funzionalit?. Queste fasi sono una implementazione del blocco B4, che include quindi una sottofase di riconoscimento dell?alzata del piede o della gamba e, solo in caso positivo, il passaggio ad una sotto-fase di riconoscimento dell?abbassamento del piede o della gamba entro un primo intervallo temporale. Se l?abbassamento della gamba avviene entro tale intervallo di tempo, allora si passa al blocco B5; viceversa se si torna al blocco B2.

A titolo di esempio non limitativo, il dispositivo 4 ? un dispositivo elettronico portatile, quale uno smartphone, e la funzionalit? da controllare ? lo scatto di una foto (ad esempio, in modalit? autoscatto, o ?selfie?) mediante un foto- o video-camera del dispositivo 4.

L?unit? di elaborazione 2 ?, in una forma di realizzazione, un microcontrollore integrato nel dispositivo 4.

Il sistema di rilevamento movimenti 1 presenta almeno un elemento sensibile, o elettrodo (identificato con il numero di riferimento 5 solo in figura 3), con cui una parte del corpo dell?utilizzatore (es., la mano o un dito) pu? essere posta in contatto elettrico diretto. L?elettrodo 5 pu? essere integrato nell?involucro (?case?) del dispositivo 4, oppure collegato al dispositivo 4 in altro modo, ad esempio mediante un collegamento via cavo o wireless esterno (ad esempio, integrato in uno smartwatch collegato al dispositivo 4). Altre forme di realizzazione sono possibili, come evidente al tecnico del ramo, in modo che l?elettrodo 5 sia in contatto elettrico con una regione del corpo dell?utilizzatore durante la fase di controllo o comando della summenzionata funzionalit?.

L'elemento sensibile (elettrodo) 5 che raccoglie la carica esterna pu? essere una superficie metallica o un elettrodo rivestito da materiale dielettrico o ancora una superficie metallica posta sotto l'involucro del dispositivo che lo integra. In ogni caso, durante l?uso, all?utilizzatore ? richiesto di appoggiare un dito (o la mano, o altra porzione del corpo) a contatto con tale elemento sensibile 5.

Il dispositivo di rilevamento movimenti 1 risente della variazione di carica elettrostatica dovuta a movimenti dell?utilizzatore. Il segnale derivante da specifici movimenti (in particolare, dovuta all?alzata o abbassamento di un piede o di una gamba) pu? essere isolato ed identificato rispetto ad altri movimenti non di interesse e rispetto al rumore di fondo presente in caso di inattivit? dell?utilizzatore. Secondo la presente invenzione, tuttavia, si presuppone che la funzionalit? venga attivata a partire da una condizione di sostanziale stazionariet? dell?utilizzatore e pertanto non ? necessario effettuare un riconoscimento di forme del segnale SQ per identificare la forma derivante dall?alzata/abbassamento del piede o della gamba rispetto, ad esempio, a quella derivante da un movimento complesso delle braccia.

La figura 3 illustra una forma di realizzazione esemplificativa e non limitativa di un sensore di variazione di carica elettrostatica 6. Il sensore di variazione di carica elettrostatica 6 comprende un ingresso 8a, elettricamente accoppiato all?elettrodo 5 che, a sua volta, ? contattabile da una porzione del corpo di un utilizzatore; il sensore di variazione di carica elettrostatica 6 comprende inoltre un ingresso 8b, elettricamente accoppiato all?ingresso 8a per mezzo di un resistore R0 ed un condensatore C0 in parallelo tra loro. La coppia R0, C0, connessa all'elettrodo 5 e posta tra i due ingressi non invertenti dei due amplificatori operazionali OP1 e OP2, ha la funzione ? di accumulare le cariche raccolte dall'elettrodo 5 e di gestire la banda del segnale di ingresso (per filtrare segnali e rumori a frequenza indesiderata).

I valori della capacit? di C0 e della resistenza di R0 possono essere scelti in funzione del tipo di filtro che si desidera formare, ad esempio un filtro passabasso, con frequenza di raglio di alcune decine di Hz, ad esempio 20 Hz. Ad esempio, la capacit? di C0 ? scelta nell?intervallo 5pF-5nF. Ad esempio, la resistenza di R0 ? scelta nell?intervallo 500MOhm?50GOhm. I valori della capacit? di C0 e della resistenza di R0 possono altres? essere scelti in funzione dell?impedenza dello stadio a cui sono connessi, della frequenza utile del segnale Vd e di quella delle interferenze da filtrare (es. frequenza della rete elettrica, rumori elettrici ad alta frequenza dei circuiti di alimentazione, ecc).

La tensione (o potenziale elettrico) Vd che si stabilisce, in uso, tra gli ingressi 8a e 8b rappresenta l?ingresso differenziale di un amplificatore per strumentazione (?instrumentation amplifier?) 12.

L?amplificatore per strumentazione 12 include due amplificatori operazionali OP1 e OP2. Uno stadio di polarizzazione (buffer) OP3 ? utilizzato per polarizzare l?amplificatore per strumentazione 12 ad una tensione di modo comune VCM.

I terminali invertenti degli amplificatori operazionali OP1 e OP2 sono collegati fra loro mediante un resistore R2. Poich? i due ingressi di ciascun amplificatore operazionale OP1, OP2 devono essere al medesimo potenziale, la tensione di ingresso Vd ? applicata anche ai capi di R2 e provoca, attraverso tale resistore R2, una corrente pari a I2=Vd/R2. Questa corrente I2 non proviene dai terminali di ingresso degli amplificatori operazionali OP1, OP2 e perci? percorre i due resistori R1 collegati fra le uscite degli amplificatori operazionali OP1, OP2, in serie al resistore R2; la corrente I2, dunque percorrendo la serie dei tre resistori R1-R2-R1, produce una tensione di uscita Vd? data da Vd?=I2?(2R1+R2)=Vd?(1+2R1/R2). Pertanto, il guadagno complessivo del circuito di figura 3 risulta Ad=(1+2R1/R2). Il guadagno differenziale dipende dal valore del resistore R2 e pu? quindi essere modificato agendo sul resistore R2.

L?uscita differenziale Vd?, che ? dunque proporzionale al potenziale Vd tra gli ingressi 8a, 8b, viene fornito in ingresso ad un convertitore analogico-digitale 14, che fornisce in uscita il segnale di variazione di carica SQ per l?unit? di elaborazione 2. Il segnale di variazione di carica SQ ?, ad esempio, un flusso digitale ad elevata risoluzione (16 bits o 24 bits). Il convertitore analogico-digitale 14 ? opzionale, in quanto l?unit? di elaborazione 2 pu? essere configurata per lavorare direttamente sul segnale analogico, o pu? comprendere essa stessa un convertitore analogicodigitale atto a convertire il segnale Vd?.

La figura 4A illustra un esempio del segnale di variazione di carica SQ. Sull?asse delle ordinate del segnale di variazione di carica SQ sono rappresentati i valori della differenza di potenziale Vd, indotta dalla variazione di carica, tra gli ingressi 8a, 8b. Tale valore ? qui espresso in LSB (?Least Significant Bit?), ovvero il minimo valore digitale in uscita dal convertitore analogico/digitale, che ? proporzionale alla differenza di potenziale Vd presente agli ingressi 8a, 8b. Tipicamente 1 LSB corrisponde ad un valore compreso tra alcuni ?V ad alcune decine di ?V. La costante di proporzionalit? (o sensitivity) dipende dal guadagno dell'amplificatore, dalla risoluzione del convertitore analogico-digitale e da eventuali processamenti digitali (es., oversampling, decimation ecc.). La rappresentazione in LSB ? comune nella tecnica e prescinde da una quantificazione in unit? fisiche, in quanto lo scopo ? tipicamente quello di rilevare variazioni relative, rispetto ad uno stato stazionario o basale.

Sull?asse delle ascisse del segnale di variazione di carica SQ sono rappresentati i numeri progressivi del campione acquisito. Le misurazioni riportate sono state effettuate con frequenza di campionamento pari a 50Hz, quindi ogni campione ? temporalmente distanziato dal successivo e dal precedente di 20ms.

Come si pu? osservare dalla figura 4A, il segnale di variazione di carica SQ presenta una pluralit? di picchi p1-p10 che si susseguono nel tempo con ampiezza molto maggiore rispetto al rumore di fondo.

Ciascun picco p1-p10 ? causato da un rispettivo movimento di alzata verso l?alto del piede dell?utilizzatore o di abbassamento del piede dell?utilizzatore. I picchi p1-p10 sono identificati nel segnale Vd? (poi campionato generando il segnale SQ), ma quanto qui descritto si applica in modo equivalente al segnale Vd. Infatti lo stadio di amplificazione (amplificatore per strumentazione di figura 2) ? utile, ma non necessario. Se il segnale di variazione di carica da acquisire (causato dal movimento dell?utilizzatore) ? sufficientemente ampio o se le caratteristiche elettriche del convertitore analogico/digitale lo consentono (es., alta impedenza di ingresso, alta risoluzione, fondo scala adatto al segnale da convertire, ecc.), allora tale stadio di amplificazione pu? essere omesso, e gli ingressi 8a e 8b sono gli ingressi del convertitore analogico/digitale.

I picchi negativi p1, p3, p5, p7, p9 sono generati quando l?utilizzatore esegue un movimento di alzata del piede, mentre i picchi positivi p2, p4, p6, p8, p10 sono generati quando l?utilizzatore esegue un movimento di abbassamento del piede precedentemente alzato. A titolo esemplificativo quando, partendo dal tempo 0, l?utilizzatore alza per la prima volta il piede, si genera il picco negativo p1 del segnale SQ e, quando lo stesso piede viene successivamente abbassato, si genera il picco positivo p2 nel segnale SQ. La stessa situazione si ha per la generazione delle altre coppie di picchi negativi e positivi (piede che viene alzato: generazione di p3, piede che viene abbassato: generazione di p4, ecc. ).

Secondo un aspetto della presente invenzione, ? previsto un campionamento della tensione Vd? ad un rate di campionamento di 50 Hz, generando il segnale SQ. Il rate di campionamento ? ad esempio pari a 50 Hz, ma pu? essere diverso, ad esempio scelto nell?intervallo 25 Hz ? 1 kHz.

Opzionalmente, ? altres? previsto un filtraggio del segnale SQ, per rimuovere o attenuare eventuali componenti spettrali non correlate al movimento da rilevare. Ad esempio, ? possibile eseguire un filtraggio passa-basso per attenuare le componenti del segnale SQ superiori a 30 Hz, allo scopo di abbattere il pi? possibile il rumore indotto dal campo elettrico della rete elettrica (solitamente a 50Hz o 60Hz). Secondo la presente invenzione, vengono altres? estratti parametri di interesse dal segnale SQ (nel seguito, ci si riferisce al ?segnale SQ? per identificare indifferentemente tale segnale SQ con o senza filtraggio) che vengono utilizzati per rilevare la gestualit? dell?utilizzatore (come detto, sollevamento e/o abbassamento da/verso terra del piede). Questa operazione prevede di calcolare la derivata rispetto al tempo del segnale SQ (nel seguito, identificato come SQ?); il segnale SQ? ? illustrato in figura 4B.

Nella forma di realizzazione precedentemente illustrata, la tensione Vd? viene, come detto, campionata a 50 Hz. Questo significa rappresentare 2 secondi del segnale Vd? con N=100 campioni SQ(1), ?, SQ(N) del segnale SQ. Per ciascun campione SQ(1), ?, SQ(N) del segnale SQ viene calcolato (o stimato) un valore di derivata secondo una metodologia nota, ad esempio secondo il metodo ?forward difference method? che prevede di calcolare la differenza tra due campioni consecutivi diviso per l?unit? di tempo.

Altri metodi permettono di stimare la derivata con maggiore accuratezza e minore sensibilit? al rumore, impegando un maggior numero di punti. Nel metodo noto come ?second order central difference? si ha che yi=(xi+1-xi-1)/2dt, ovvero per stimare il valore yi della derivata y(n) di una funzione, al passo di campionamento i-esimo e di durata dt, ? necessario conoscere i valori xi+1 e xi-1 della funzione x(n), rispettivente al passo di campionamento successivo e precedente. Nel metodo noto come ?fourth order central difference? si ha che yi=(-xi+2+8xi+1-8xi-1+xi-2)/12dt: in questo caso si ha una stima migliore della derivata, a scapito di una maggiore complessit? di calcolo e di impiego di memoria, in quanto bisogna conoscere i valori della funzione x(n) a 4 passi di campionamento.

Si procede quindi all?estrazione delle componenti della derivata SQ? del segnale di variazione di carica SQ che sono identificative dell?esecuzione, da parte dell?utilizzatore, del gesto da rilevare.

A questo fine, si utilizza un confronto mediante doppia soglia ?ThQ per identificare le componenti del segnale SQ? identificative del gesto atteso.

In particolare, la variazione del segnale SQ di figura 4A dovuta all?alzata del piede genera il picco negativo p1, la cui derivata nel tempo ? rappresentata in figura 4B da una sequenza di due picchi, di cui un primo picco negativo p1? e poi un picco positivo p1?; analogamente, la variazione del segnale SQ di figura 4A dovuta al successivo abbassamento del piede genera il picco positivo p2 la cui derivata nel tempo ? rappresentata, in figura 4B, da una sequenza di due picchi, di cui un primo picco positivo p2? e poi un picco negativo p2?.

Nella figura 4B, sull?asse delle ordinate sono rappresentati i valori della derivata calcolata sulla base del segnale SQ utilizzando la stessa rappresentazione in LSB di figura 4A. La derivata fornisce una misura della "rapidit?", della velocit? con cui varia il segnale SQ. Sull?asse delle ascisse di figura 4B ? rappresentata la progressione dei campioni acquisiti, analogamente alla figura 4B.

Il superamento (verso valori negativi) della soglia -ThQ da parte del segnale SQ? (picco p1?) seguito dal successivo superamento (verso valori positivi) della soglia ThQ da parte dello stesso segnale SQ? (picco p1?) ? associato all?esecuzione di un movimento di alzata del piede da parte dell?utilizzatore. Il superamento (verso valori positivi) della soglia ThQ da parte del segnale SQ? (picco p2?) seguito dal superamento (verso valori negativi) della soglia -ThQ da parte dello stesso segnale SQ? (picco p2?) ? associato all?esecuzione di un movimento di abbassamento del piede da parte dell?utilizzatore. Riconoscendo dunque tale sequenza di eventi nel segnale SQ? ? possibile identificare il movimento atteso di alzata e successivo abbassamento del piede da parte dell?utilizzatore.

Analoghe considerazioni valgono per le coppie di picchi (p3?, p3?) e (p4?, p4?), identificativi dell?alzata del piede identificata dal picco p3 e, rispettivamente, dell?abbassamento del piede identificato dal picco p4, e cos? via.

Come si nota dalla figura 4B, laddove non sono presenti movimenti dell?utilizzatore, il segnale SQ varia debolmente, ed ? sostanzialmente costante (a meno di una variazione dovuta a fenomeni di rumore elettrostatico). La derivata SQ? del segnale SQ ?, in questo contesto, sostanzialmente pari a zero (o con valor medio pari a zero). Al contrario, in presenza del gesto atteso, la derivata SQ? mostra una variazione evidente, con picchi positivi p1?, p2?, e picchi negativi p1?, p2? rispetto al valore zero. Con ?picchi negativi? si intendono dunque variazioni del segnale SQ? verso valori negativi (minori del valore medio che assume il segnale SQ? nella condizione di assenza di movimento) raggiungendo valori inferiori alla soglia -ThQ (superamento della soglia ?ThQ verso valori negativi); con ?picchi positivi? si intendono variazioni del segnale SQ? verso valori positivi (maggiori del valore medio che assume il segnale SQ? nella condizione di assenza di movimento) raggiungendo valori superiori alla soglia ThQ (superamento della soglia ThQ verso valori positivi).

La Richiedente ha anche verificato che altri movimenti, quali l?oscillazione del braccio dell?utilizzatore che sostiene il dispositivo 4 durante l?attivazione della funzionalit? secondo la presente invenzione, non generano una variazione di carica elettrostatica avente un andamento, nei segnali SQ e SQ?, sovrapponibile a quello dell?alzata / abbassamento del piede. Infatti, la variazione di carica elettrostatica dovuta al movimento del braccio ? di entit? molto pi? bassa e di natura diversa rispetto a quella causata dall'alzata di un piede; essa infatti non nasce da uno scambio di cariche con il terreno/pavimento, ma da una variazione del campo elettrostatico, indotta dal movimento del corpo (prevale questo effetto rispetto alla generazione o cessione di cariche per effetto di frizione del braccio con l'aria).

Le soglie ?ThQ sono, in una forma di realizzazione, di tipo fisso e preimpostato. In particolare, la Richiedente ha verificato che il segnale prodotto dal movimento della gamba ? cos? forte rispetto al rumore di fondo del segnale SQ? (e, in modo corrispondente, SQ) che ciascuna soglia ?ThQ pu? essere pre-impostata ad un valore (in modulo) pari a 20-50 volte il massimo valore raggiunto dal rumore di fondo del segnale SQ?, senza rischio di acquisire falsi positivi.

In una forma di realizzazione, le soglie ?ThQ possono essere definite come livelli fissi, sulla base del fondo scala del sensore (1/4, 1/2, 3/4, ecc.), o possono essere programmate dall'utilizzatore (ad esempio creando una routine di calibrazione del gesto "alza piede" e "abbassa piede", con una interfaccia utente che chiede all'utente di effettuare un certo numero di azioni ripetute per stimare i livelli di soglia ottimale, nonch?, eventualmente, del tempo massimo tra i due eventi).

Le soglie ?ThQ possono essere definite ad esempio calcolando una media e una deviazione standard dei massimi (nel caso di picchi positivi) e dei minimi( nel caso di picchi negativi) e scegliendo la soglia come la media decurtata o aumentata (rispettivamente per massimi o minimi) di 3 volte la deviazione standard.

A titolo esemplificativo, considerando che il rumore di fondo del segnale SQ?, quando l?utilizzatore ? sostanzialmente stazionario, oscilla tra valori ?5 LSB, una scelta della soglia ThQ di valore 100 LSB e della soglia -ThQ di valore -100 LSB consente di discriminare tra picchi dovuti effettivamente ai movimenti attesi dall?utilizzatore rispetto al rumore di fondo.

In una ulteriore forma di realizzazione, la soglia ?ThQ ? di tipo adattativo, ovvero varia in funzione dell?andamento del segnale SQ?. Il calcolo della soglia ?ThQ di tipo adattativo pu? essere eseguito sfruttando tecniche note nello stato della tecnica. Ad esempio, ? possibile utilizzare finestre temporali mobili (?sliding windows?) o finestre temporali sovrapposte (?overlapping windows?). Altre tecniche per il calcolo in tempo reale di soglia adattativa possono essere utilizzate.

Come anticipato con riferimento alla figura 2, al fine di discriminare tra comandi effettivamente impartiti dall?utilizzatore e alzate / abbassamenti del piede per altre ragioni ? possibile, opzionalmente, rilevare un tempo tOFF intercorrente tra il rilevamento del picco positivo p1? e il rilevamento del successivo picco positivo p2?. Il tempo tOFF ?, ad esempio, il tempo di permanenza del segnale SQ? sotto la soglia ThQ.

Se il tempo tOFF che intercorre tra questi due picchi p1?, p2? ? superiore ad un intervallo temporale di riferimento ?TOFF, allora il comando (o trigger) per attivare la summenzionata funzionalit? del dispositivo 4 non viene generato; viceversa, il comando per attivare la summenzionata funzionalit? del dispositivo 4 viene generato.

La scelta del valore di tale intervallo temporale ?TOFF dovrebbe tenere in considerazione la velocit? di alzata / abbassamento del piede, in quanto i fronti di salita e discesa dei picchi p1-p10 segnale SQ (e, di conseguenza, della relativa derivata) variano in funzione della velocit? di alzata / abbassamento del piede.

La figura 5 illustra, mediante diagramma di flusso, un metodo di calcolo e valutazione del tempo tOFF che intercorre tra l?alzata del piede e il successivo abbassamento del piede. Queste fasi sono parte della fase B4 di figura 2.

Con riferimento al diagramma di flusso di figura 5, quando alla fase B4a viene rilevata l'alzata del piede (secondo le modalit? gi? descritte), si passa alla fase B4b in cui viene attivato un timer TQ che conteggia il tempo trascorso dall?alzata del piede al successivo appoggio del piede a terra.

Ad ogni iterazione di acquisizione viene valutata, fase B4c, la condizione di ?piede in appoggio a terra?: se il piede ? stato abbassato, si interrompe l'acquisizione del segnale SQ della fase B2 e si passa alla fase B5 di figura 2 (attivazione funzionalit?).

Se alla fase B4c non viene rilevato l?appoggio del piede a terra, si verifica alla fase B4d se il timer TQ ha superato l?intervallo di riferimento ?TOFF predefinita (ad esempio 1 secondo, eventualmente impostabile o modificabile dall?utilizzatore).

In caso negativo (TQ<?TOFF), il timer TQ viene incrementato (fase B4e),e si ritorna alla fase B4a, per rilevare l?alzata del piede in base a nuovi campioni del segnale SQ acquisiti.

In caso di superamento della soglia di ?TOFF (uscita SI dal blocco B4d) si torna alla fase B4a.

Dunque, sulla base delle fasi di figura 5, si ha che il toff ? il tempo che intercorre tra l?istante di rilevamento del piede alzato all?istante di rilevamento del piede abbassato.

La figura 6A illustra esemplificativamente l?andamento dei segnali SQ e SQ? nel caso di movimento rapido, mentre la figura 6B illustra esemplificativamente l?andamento dei segnali SQ e SQ? nel caso di movimento lento. Come si nota, nel caso di figura 6A il tempo tOFF ? sostanzialmente inferiore rispetto al corrispondente tempo tOFF della situazione di figura 6B. La richiedente ha comunque verificato che la scelta di un intervallo di riferimento ?TOFF di valore pari a 1-2 secondi, con soglia ThQ pari o maggiore di 100, copre la maggior parte delle situazioni che si verificano nella pratica, riuscendo ad identificare comandi sia lenti che veloci.

Risulta infine evidente che a quanto sopra discusso possono essere apportate modifiche e varianti, senza uscire dall?ambito della presente invenzione.

Ad esempio, la fase di rilevare i picchi p1-p10 mediante soglia pu? essere sostituita da una fase di riconoscimento di forma del segnale SQ o del segnale SQ?. Ad esempio, ? possibile utilizzare tecniche di machine learning e/o intelligenza artificiale per il riconoscimento automatico di specifici pattern del segnale SQ o SQ? associati al gesto che deve essere rilevato (alzata/abbassamento gamba), cos? da discriminare tra diverse tipologie di gestualit?, tra cui un passo in salita (?step-up?), un passo in discesa (?step down?), un battito del piede a terra, ecc.

Inoltre, si nota che ? possibile utilizzare un sensore di variazione di carica di tipo non indossabile dall?utilizzatore, ma configurato per rilevare a distanza variazioni elettrostatiche generate in seguito all?esecuzione di un passo da parte dell?utilizzatore. Un sistema di questo tipo ? un sistema distribuito ed ? utilizzabile ad esempio in applicazioni di gaming o realt? aumentata, in cui l?utilizzatore esegue i suoi movimenti in un ambiente circoscritto, ad esempio una stanza.

I vantaggi conseguiti dalla presente invenzione sono evidenti dalla precedente descrizione.

Ad esempio, la presente invenzione offre una possibilit? di comandare un dispositivo senza l'uso delle mani, che potrebbero essere impegnate in altri scopi (ad esempio a sostenere il dispositivo stesso). Inoltre, la presente invenzione non risente della luminosit? ambientale (parametro critico in applicazione di riconoscimento facciale o riconoscimento di gesti secondo la tecnica nota) e non ? influenzata dal rumore acustico (interferente nel caso di comandi vocali). Anche nel caso di mani libere, il comando tramite movimento del piede permette di non esercitare pressioni o movimenti (taluni indesiderati) direttamente sul dispositivo da comandare (pressione di tasti, tocco di uno schermo ecc.) col vantaggio di non alterarne il posizionamento, il target o la messa a fuoco (nel caso di una fotocamera).

Claims

RIVENDICAZIONI

1. Sistema per controllare almeno una funzionalit? di un dispositivo elettronico (4) sulla base di un gesto di un utilizzatore di detto dispositivo elettronico (4), comprendente:

- una unit? di elaborazione (2); e

- un sensore di variazione di carica elettrostatica (6), accoppiato all?unit? di elaborazione (2), configurato per rilevare una variazione di carica elettrostatica dell?utilizzatore durante l?esecuzione di detto gesto da parte dell?utilizzatore e generare un segnale di variazione di carica (SQ),

in cui detto gesto include alzare e, successivamente, abbassare almeno un piede,

e in cui l?unit? di elaborazione (2) ? configurata per: ? acquisire il segnale di variazione di carica (SQ), ? rilevare, nel segnale di variazione di carica (SQ), una prima caratteristica identificativa di detto gesto di alzare il piede,

? rilevare, nel segnale di variazione di carica (SQ), una seconda caratteristica identificativa di detto gesto di abbassare il piede, e

? controllare detta funzionalit? del dispositivo elettronico (4) solo nel caso in cui entrambe la prima e la seconda caratteristica siano state rilevate.

2. Sistema secondo la rivendicazione 1, in cui l?operazione di rilevare la prima caratteristica include:

- calcolare la funzione derivata (SQ?) di detto segnale di variazione di carica (SQ);

- definire una soglia di confronto negativa (-ThQ) ed una soglia di confronto positiva (+ThQ) per detta funzione derivata (SQ?);

- identificare, in detta funzione derivata (SQ?), un primo picco negativo (p1?) avente ampiezza che eccede detta soglia di confronto negativa (-ThQ); e

- identificare, in detta funzione derivata (SQ?), un primo picco positivo (p1?), temporalmente successivo al primo picco negativo (p1?), avente ampiezza che eccede detta soglia di confronto positiva (+ThQ).

3. Sistema secondo la rivendicazione 2, in cui l?operazione di rilevare la seconda caratteristica include:

- identificare, in detta funzione derivata (SQ?), un secondo picco positivo (p2?), temporalmente successivo al primo picco positivo (p1?), avente ampiezza che eccede detta soglia di confronto positiva (+ThQ); e

- identificare, in detta funzione derivata (SQ?), un secondo picco negativo (p2?), temporalmente successivo al secondo picco positivo (p2?), avente ampiezza che eccede detta soglia di confronto negativa (-ThQ).

4. Sistema secondo la rivendicazione 3, in cui detti primo picco negativo (p1?), primo picco positivo (p1?), secondo picco positivo (p2?), secondo picco negativo (p2?) si susseguono temporalmente tra loro in assenza di ulteriori picchi positivi e negativi eccedenti detti soglie positiva e negativa

5. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2-4, in cui dette soglie positiva e negativa sono soglie fisse preimpostate o definibili dall?utilizzatore.

6. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 2-4, in cui dette soglie positiva e negativa sono soglie adattative.

7. Sistema secondo la rivendicazione 1, comprendente inoltre l?operazione di elaborare il segnale di variazione di carica (SQ) mediante algoritmi di machine learning e/o intelligenza artificiale per rilevare pattern specifici del segnale di variazione di carica (SQ) identificativi di detti gesti di alzare e abbassare il piede.

8. Sistema secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto sensore di carica elettrostatica (6) ? un amplificatore per strumentazione e comprende un primo elettrodo configurato per essere posto in contatto diretto con una porzione del corpo dell?utilizzatore ed un secondo elettrodo accoppiato ad un terminale di riferimento di tensione, detto segnale di variazione di carica essendo funzione di una differenza di potenziale che, in uso, ? presente tra detti primo e secondo elettrodo.

9. Dispositivo elettronico portatile (4), comprendente un sistema (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-8.

10. Metodo per controllare almeno una funzionalit? di un dispositivo elettronico (4) sulla base di un gesto di un utilizzatore di detto dispositivo elettronico (4), comprendente le fasi di:

? rilevare una variazione di carica elettrostatica dell?utilizzatore durante l?esecuzione di detto gesto da parte dell?utilizzatore e generare un segnale di variazione di carica (SQ), detto gesto includendo alzare e, successivamente, abbassare almeno un piede;

? rilevare, nel segnale di variazione di carica (SQ), una prima caratteristica identificativa di detto gesto di alzare il piede;

? rilevare, nel segnale di variazione di carica (SQ), una seconda caratteristica identificativa di detto gesto di abbassare il piede; e

11. Metodo secondo la rivendicazione 10, in cui la fase di rilevare la prima caratteristica include:

12. Metodo secondo la rivendicazione 11, in cui la fase di rilevare la seconda caratteristica include:

13. Metodo secondo la rivendicazione 12, in cui detti primo picco negativo (p1?), primo picco positivo (p1?), secondo picco positivo (p2?), secondo picco negativo (p2?) si susseguono temporalmente tra loro in assenza di ulteriori picchi positivi e negativi eccedenti detti soglie positiva e negativa

14. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 11-13, in cui dette soglie positiva e negativa sono soglie fisse preimpostate o definibili dall?utilizzatore.

15. Metodo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 11-13, in cui dette soglie positiva e negativa sono soglie adattative.

16. Metodo secondo la rivendicazione 10, comprendente inoltre la fase di elaborare il segnale di variazione di carica (SQ) mediante algoritmi di machine learning e/o intelligenza artificiale per rilevare pattern specifici del segnale di variazione di carica (SQ) identificativi di detti gesti di alzare e abbassare il piede.