ITMI20091066A1 - Apparato di illuminazione robotizzato e metodo di comando - Google Patents

Description

“Apparato di illuminazione robotizzato e metodo di comandoâ€

La presente invenzione si riferisce a un innovativo apparato di illuminazione robotizzato, il quale permette un innovativo controllo interattivo da parte dell’utilizzatore.

Nella tecnica sono conosciuti apparati di illuminazione dotati di sensori per reagire a stimoli esterni.

Ad esempio, sono attualmente in commercio lampade dotate di sensori di accensione e spegnimento che sono sensibili al movimento, al rumore o alla voce.

Queste lampade hanno un limitato grado di interazione con l’utilizzatore, limitandosi a eliminare la necessità per l’utente di manovrare manualmente l’interruttore di accensione.

Sono anche state proposte lampade motorizzate e controllate elettronicamente per seguire il movimento di appositi dispositivi emettitori o markers. I dispositivi emettitori possono essere, ad esempio, indossati al polso, così che la lampada apparentemente segue con il fascio luminoso il movimento della mano. Ciò à ̈ però un sistema scomodo (rende necessario indossare un apposito dispositivo di comando) e poco flessibile. L’interazione con l’utilizzatore resta comunque scarsa. Ad esempio, la lampada in realtà interagisce con il dispositivo che à ̈ programmata a seguire e non realmente con l’utente.

Scopo generale della presente invenzione à ̈ ovviare agli inconvenienti sopra menzionati fornendo un metodo di controllo e un apparecchio di illuminazione robotizzato con un innovativo controllo gestuale che permette una reale interazione fra l’utente e la luce.

In vista di tale scopo si à ̈ pensato di realizzare, secondo l'invenzione, un apparecchio di illuminazione comprendente una testa con una sorgente di luce diretta in un fascio luminoso, una struttura cinematica motorizzata per l’orientamento spaziale della testa, sensori di rilevazione di stimoli di controllo e un sistema di controllo elettronico che riceve segnali dai detti sensori e comanda il movimento della testa in base agli stimoli rilevati, caratterizzato dal fatto di comprendere un sensore di immagine disposto nella testa e diretto nella direzione del fascio luminoso, e mezzi elettronici di elaborazione atti ad elaborare le immagini riprese dal sensore di immagine per riconoscere almeno una mano di un utilizzatore inserita nel fascio, distinguere in essa un gesto fra una serie prestabilita di gesti preimpostati nel sistema di controllo e comandare un corrispondente comportamento interattivo della sorgente di luce selezionandolo fra una serie di comportamenti che sono memorizzati nel sistema di controllo associati ai gesti della serie prestabilita di gesti.

Sempre secondo i principi dell’invenzione si à ̈ pensato anche ad un metodo per il comando di un apparecchio di illuminazione comprendente una testa con una sorgente di luce diretta in un fascio luminoso e una struttura cinematica motorizzata per l’orientamento spaziale della testa, nel quale una immagine, rilevata da un sensore di immagine disposto nella testa e diretto nella direzione del fascio luminoso, viene elettronicamente elaborata per: riconoscere almeno una mano di un utilizzatore inserita nel fascio; distinguere un gesto fra una serie prestabilita di gesti della mano; comandare un corrispondente comportamento interattivo della sorgente di luce selezionandolo fra una serie di associati gesti della serie prestabilita di gesti.

Per rendere più chiara la spiegazione dei principi innovativi della presente invenzione e i suoi vantaggi rispetto alla tecnica nota si descriverà di seguito, con l'aiuto dei disegni allegati, una possibile realizzazione esemplificativa applicante tali principi. Nei disegni:

-figura 1 rappresenta una vista schematica, parzialmente in sezione, di un apparecchio di illuminazione secondo l’invenzione;

-figura 2 rappresenta una vista ingrandita della testa illuminante dell’apparecchio di figura 1;

-figura 3 rappresenta schematicamente mezzi per la variazione del fascio luminoso nell’apparecchio di figura 1;

-figura 4 rappresenta una vista schematica dell’apparecchio in funzione;

-figure da 5 a 8 rappresentano schematicamente fasi di interazione dell’utente con l’apparecchio;

-figura 9 rappresenta un diagramma che descrive zone di rilevazione per un possibile controllo a distanza dell’apparecchio secondo logica “fuzzy†;

-figura 10 rappresenta schematicamente l’interazione dell’utente con sensori sonori dell’apparecchio.

Con riferimento alle figure, in figura 1 à ̈ mostrato, schematicamente e in prospettiva, un apparecchio di illuminazione, indicato genericamente con 10, realizzato secondo i principi dell’invenzione, dotato di una testa 14 di illuminazione a fascio e una struttura cinematica motorizzata 35 per l’orientamento spaziale della testa.

Vantaggiosamente, l’apparecchio di illuminazione à ̈ stato realizzato in forma di lampada da scrivania. Altre forme possono comunque essere pensate a seconda di specifiche esigenze. Ad esempio, i principi dell’invenzione possono essere facilmente applicati a lampade da soffitto o con base a terra, faretti sospesi, strutture illuminanti quali quelle di un “riunito†per dentisti, ecc.)

Nell’esempio qui mostrato di lampada robot si à ̈ cercato di mantenere il più possibile la forma generale di una tradizionale lampada da scrivania, così da non distrarre l’utilizzatore e rendergli più naturale l’uso della lampada.

L’apparecchio 10 comprende perciò una base di appoggio 11 e una catena cinematica snodata, comprendente a sua volta due bracci articolati 12, 13 che terminano con una testa di illuminazione 14 che emette un fascio luminoso direttivo.

Fra base e primo braccio, fra i due bracci e fra secondo braccio e testa sono presenti rispettivi giunti che sono motorizzati per ruotare a comando secondo assi paralleli orizzontali 15, 16, 17. Un ulteriore asse motorizzato 18, di rotazione verticale, à ̈ presente fra base e primo braccio. La testa 14 può inoltre ruotare attorno ad un secondo asse motorizzato 19 che à ̈ trasversale all’asse 17. La lampada ha perciò sei gradi di libertà che garantiscono una buona flessibilità.

Con la struttura descritta, la lampada assomiglia esternamente alla maggior parte delle tradizionali lampade da scrivania manuali presenti sul mercato e le elevate complessità che la rendono differente da qualsiasi altra lampada sono ben mascherate al suo interno.

La struttura di una innovativa lampada secondo l’invenzione può essere assimilata a un braccio robotico. Da un punto di vista geometrico, il braccio può essere visto come una catena cinematica, composta dai collegamenti e dai giunti. Ogni giunto aggiunge un grado di movimento al robot. Il concetto del grado di movimento à ̈ differente da quello dei gradi di libertà che rappresenta il numero delle coordinate che univocamente identifica la posa di un solido nello spazio. Il numero dei gradi di movimento à ̈ collegato alla destrezza del robot. Si à ̈ trovato vantaggioso mantenere il numero dei gradi di movimento della lampada 10 uguale a quello delle comuni lampade da scrivania.

Vantaggiosamente, la struttura della lampada 10 Ã ̈ fatta basicamente di due strati: la struttura meccatronica interna e la copertura estetica esterna.

La struttura interna costituisce il vero robot ed à ̈ composta da una struttura (ad esempio, metallica) che supporta i motori, gli encoder, gli ingranaggi e i sensori.

La copertura estetica può essere invece formata da leggeri gusci, come facilmente immaginabile dal tecnico esperto. In figura 1 la copertura à ̈ mostrata a tratteggio, potendo essere di qualsiasi aspetto estetico si desideri. Per la copertura estetica potranno essere impiegati diversi materiali quali, ad esempio, plastica, alluminio, fibra di carbonio, ecc.

In alternativa, la struttura della lampada potrà comunque essere di tipo totalmente o parzialmente autoportante.

Nella base 11 della lampada (connessa alla rete di alimentazione attraverso un cavo non mostrato) trova anche posto un sistema di controllo o unità elettronica principale 25 per il controllo intelligente della lampada e che sarà connesso ai sensori e agli attuatori presenti nella lampada. Tale unità 25 può essere un noto controllore a microprocessore, opportunamente programmato, come sarà chiaro al tecnico dalle spiegazioni seguenti. Essendo l’unità 25 in sé nota e facilmente immaginabile dal tecnico esperto, essa non sarà qui ulteriormente descritta o mostrata.

Come si vede bene sempre in figura 1, ciascun asse motorizzato 15, 16, 17, 18, 19 ha il proprio motoriduttore elettrico, rispettivamente indicato con 20, 21, 22, 23, 24. Vantaggiosamente, il motoriduttore 20, che à ̈ cinematicamente connesso al primo asse orizzontale 15 e che deve sopportare lo sforzo maggiore, à ̈ realizzato con due motori connessi in parallelo nella base per raddoppiare la coppia. In questo modo si sono potuti usare motori elettrici (vantaggiosamente, motori C.C.) uguali a quelli degli assi 16 e 18. Inoltre, l'uso di un solo tipo di motore permette di ridurre i costi. Come si vede bene anche in figura 2, i motoriduttori 22 e 24 che comandano i due assi di movimento della testa 14 sono invece di dimensioni molto più ridotte, dovendo movimentare un carico minimo, e più leggeri, così da gravare meno sui motori dei giunti dei bracci.

Per un preciso controllo di posizione, ciascun motoriduttore ha un associato encoder di posizione, come facilmente immaginabile dal tecnico, che fornisce le informazioni di posizione alla scheda di controllo. L’esatta tecnologia per il controllo di posizione degli assi motorizzati può naturalmente variare a seconda di specifiche esigenze pratiche di realizzazione e di costi desiderati. Ad esempio, i motoriduttori possono essere, tutti o in parte del noto tipo controllato ad ampiezza di impulso (nelle figure, i motoriduttori 22 e 24 sono, ad esempio, di tale tipo). Il comando robotizzato coordinato dei giunti di una catena cinematica (ad esempio, mediante l’uso della cinematica inversa) per raggiungere con una testa di estremità i voluti punti nello spazio à ̈ in sé noto.

La lampada comprende anche un ulteriore attuatore per permettere la variazione comandata dell’ampiezza del fascio luminoso. Come si vede meglio in figura 2, tale attuatore, indicato con 26, à ̈ vantaggiosamente disposto sopra un riflettore parabolico 27 della lampada e, come mostrato schematicamente in figura 3, comanda il movimento della sorgente luminosa 28 rispetto al fuoco del riflettore.

Si à ̈ trovata vantaggiosa questa soluzione perché permette un facile, progressivo e preciso controllo dell’ampiezza del fascio, mantenendo nel contempo sufficientemente costante l’intensità luminosa. Inoltre, si ha un risparmio energetico rispetto a sistemi basati sulla occlusione del fascio, quali ad esempio i sistemi a diaframma.

A titolo di esempio, in figura 3a à ̈ mostrata la posizione più rientrata della sorgente, che corrisponde al fascio più stretto, e in figura 3b à ̈ mostrata la posizione più avanzata della sorgente, che corrisponde al fascio più largo.

Ad esempio, con il sistema scelto, con anche solo un'escursione di 20mm dell’azionatore l'angolo dell'apertura del fascio luminoso può variare da circa 23° a circa 100°. Considerando una distanza media dal piano della scrivania di 35 cm si ha un conseguente diametro della zona illuminata che cambia da circa 140 millimetri a circa 900 millimetri sul piano illuminato. Questi valori sono stati considerati sufficienti per la particolare applicazione.

Vantaggiosamente, la sorgente luminosa può essere costituita da uno o più led di potenza, i quali hanno alta efficienza e permettono anche un facile controllo elettronico della luminosità con metodi ben noti.

Sistemi totalmente elettronici per la variazione dell’ampiezza del fascio possono comunque anche essere utilizzati. Ad esempio, si possono usare molti anelli concentrici di LED e l’ampiezza del fascio può essere realizzata cambiando il numero di anelli accesi. Questa soluzione permette di realizzare una testa molto sottile sfruttando la tecnologia LED, ma soffre di alcuni punti critici. Infatti, essa complica il controllo, producendo una interazione fra ampiezza del fascio e intensità dell’illuminazione, cosa che costringe a modificare in modo coordinato la luminosità dei led in funzione del numero di anelli accesi.

Oltre agli attuatori, l’apparecchio di illuminazione secondo l’invenzione comprende anche un certo numero di sensori per permettere l’interazione di controllo con l’utente. Tali sensori non necessitano di una particolare strutturazione dell’ambiente.

Infatti, la lampada robot può essere vista come un agente interattivo che percepisce le informazioni dall'ambiente normale, le interpreta (estraendo le caratteristiche di interesse) e ottiene un'uscita voluta.

In sostanza, la lampada à ̈ vantaggiosamente dotata di tre tipi di sistemi di sensori, con ciascun sistema di sensori che realizza un diverso e particolare canale sensoriale e che riguarda una tipologia diversa di risposta nel comportamento della lampada.

Come si vede bene in figura 4, nella testa 14 Ã ̈ presente innanzitutto un sensore di immagine, qui realizzato con una telecamera 30, che ha una direzione di vista sostanzialmente coincidente con la direzione del fascio luminoso emesso dalla lampada.

Questo sensore di immagine, unitamente ad associati mezzi di elaborazione elettronica dell’immagine, realizza il sistema principale di controllo gestuale della lampada.

L’angolo di visione della telecamera à ̈ tale che l’immagine ripresa contiene (con, ad esempio, appena un piccolo margine) la zona 31 illuminata dal fascio luminoso alla sua massima ampiezza. Come si vedrà in dettaglio nel seguito, ciò permette una innovativa interazione con l’utente basata su “una gestualità che interagisce con la luce†e che rende sorprendentemente semplice e naturale l’utilizzo della lampada secondo l’invenzione.

Il fatto che il campo di vista della telecamera sia individuato dal cono di luce proiettato dalla lampada rende non solo facile per l’utente l’interazione con la lampada, ma permette anche un più semplice ed affidabile funzionamento del sistema di visione che, come sarà spiegato nel seguito, deve riconoscere nelle immagini riprese le mani poste dall’utente all’interno e sui bordi del cono di luce.

I sistemi di visione sono spesso impiegati in robotica per il riconoscimento di oggetti e per il calcolo del loro movimento e postura e non à ̈ necessario qui spiegarne il funzionamento nei dettagli.

Per la presente applicazione, à ̈ stato trovato vantaggioso l’impiego di una cosiddetta nota “smart camera†, vale a dire una telecamera che integra anche il sistema di visione artificiale, comprendendo, oltre ai circuiti di cattura dell’immagine, una propria specifica unità di elaborazione (che può estrarre le informazioni dalle immagini senza esigenza di una unità di elaborazione esterna) e dispositivi di interfaccia utilizzati per inviare i risultati dell’elaborazione ad altri dispositivi (nel nostro caso l’unità di elaborazione principale 25). Con l’opportuna programmazione, la telecamera intelligente permette una facile elaborazione di immagini e la telecamera può identificare la posizione e le dimensioni delle mani dell'utente e comunicarla all’unità di controllo centrale 25 che, come si vedrà, comanda di conseguenza il movimento della lampada, realizzando così un'interfaccia con l’utente poco costosa ed efficace per “modellare†la luce. In alternativa, l’unità di elaborazione delle immagini può naturalmente essere contenuta nell’unità principale.

La testa 14 contiene anche alcuni noti sensori rilevatori di distanza di oggetti attorno alla testa, indicati con 32. Vantaggiosamente, i sensori di distanza sono di tipo infrarosso. Tali sensori permettono di misurare le distanze degli oggetti posti lungo la loro linea o cono di visione. Solitamente il loro funzionamento si basa sull’emissione di un impulso di luce infrarossa (per mezzo di un Led emettitore infrarosso presente nel sensore) che quando viene riflesso da un oggetto à ̈ rilevato da un opportuno rilevatore infrarosso del sensore. Si forma così un triangolo fra il punto della riflessione, l'emettitore ed il rivelatore. Con una opportuna tecnica di triangolazione, il sensore fornisce in uscita una grandezza elettrica (ad esempio, una tensione elettrica) che à ̈ funzione della distanza dell’oggetto dal sensore stesso.

Questa tecnologia à ̈ ben nota e particolarmente adatta per l’uso in robot domestici, poiché offre a basso costo buone prestazioni in termini di accuratezza di misura.

Nella lampada secondo l’invenzione, i sensori infrarossi sono disposti nella testa 14 per creare una zona di rilevazione 33 intorno alla testa 14. In particolare, tre sensori sono impiegati per “guardare†radialmente verso l’esterno della testa illuminante e un quarto sensore e impiegato per guardare verso l’alto. L’angolo di rilevazione dei sensori permette di rilevare un oggetto relativamente piccolo che si avvicini alla testa della lampada dalle varie direzioni.

Naturalmente, un qualsiasi altro numero di sensori può essere previsto, anche dipendentemente dal tipo di sensore impiegato in pratica, per avere una adatta copertura dello spazio intorno alla testa della lampada. Ad esempio, qualora si decidesse di usare come sensore di distanza un sensore ad ultrasuoni, questo potrebbe richiedere un diverso montaggio e/o posizionamento.

Come sarà evidente nel seguito, i sensori 32 sono impiegati sia per una interazione “touchless†con l’utente sia per evitare urti contro ostacoli durante il movimento robotizzato della lampada. In sostanza, i sensori situati nella testa della lampada sono in grado di rilevare una mano dell'utente (o qualche altro oggetto) permettendo non solo l’interazione gestuale ma anche di evitare un contatto indesiderato con oggetti dell'ambiente.

Come si vede sempre in figura 4, la lampada 14 comprende anche dei sensori audio, vantaggiosamente realizzati con più microfoni 34, per l’individuazione spaziale dei suoni. Tali sensori sono vantaggiosamente disposti nella base 11. Opportune aperture saranno perciò presenti nel rivestimento della base (non mostrato in figura 4).

I sensori audio sono importanti sia per una localizzazione dell'utente sia per l'interazione acustica. Ad esempio, la lampada può essere richiamata battendo le mani. Inoltre, la presenza di microfoni rende la piattaforma espandibile (ad esempio, per il riconoscimento della parola, permettendo di aumentare ulteriormente il livello di interazione).

La localizzazione di una sorgente sonora à ̈ un campo che à ̈ stato studiato per decenni e non à ̈ qui necessario entrare in maggiori dettagli. E’ infatti ora facilmente immaginabile al tecnico come sia possibile individuare la posizione spaziale di una sorgente sonora a partire dal segnale captato da alcuni microfoni opportunamente disposti.

Il vantaggio di porre i microfoni nella base 11 à ̈ che si può così considerare la posizione dei microfoni fissa nell’origine del sistema di riferimento spaziale della lampada e i calcoli vengono così semplificati. A dire il vero, la piccola distanza alla quale devono essere tenuti i microfoni per restare contenuti nella base può introdurre qualche difficoltà di individuazione precisa della sorgente sonora. Tuttavia, per la presente applicazione un errore anche di una decina di centimetri nell’individuazione spaziale della sorgente sonora può essere ancora accettabile, come sarà chiaro in seguito.

L’accorta scelta qui fatta dei suoni per i quali à ̈ necessario risalire alla posizione spaziale della sorgente rende anche più semplice il compito di individuazione della fonte e permette di mantenere bassa la potenza di elaborazione necessaria.

Infatti, si vogliono qui localizzare solo suoni impulsivi e non sono perciò necessari calcoli di differenza di fase, ma soltanto una localizzazione del picco e una certa interpolazione per fare assunzioni su una posizione più esatta del picco in termini di frazioni del campione del segnale. La differenza dei tempi di arrivo à ̈ semplicemente la differenza nella posizione del picco nella risposta dei microfoni.

Per il numero di microfoni da impiegare, à ̈ stato trovato vantaggioso l’uso di quattro microfoni equamente distribuiti attorno alla base, ma non complanari. Infatti, con una coppia di microfoni il luogo dei punti le cui distanze da due fuochi hanno una differenza costante à ̈ un iperboloide a due falde; poiché si conosce quale fuoco à ̈ più vicino, le possibilità di posizione della sorgente si limitano ai punti di una falda. Con tre microfoni non complanari si identificano due punti nel peggiore dei casi, quando la fonte si trova fuori dal piano che contiene i microfoni. Se un quarto microfono à ̈ disposto all'esterno di quel piano, il punto non solo à ̈ univocamente rilevato come intersezione di sei falde dell’iperboloide (tutte le coppie possibili), ma sono fornite anche alcune informazioni supplementari per la compensazione di errore. Infatti, ciò produce un sistema di sei equazioni, con le stesse tre incognite. La differenza fra i tempi di arrivo del suono ai quattro microfoni fornisce perciò informazioni sulla posizione della sorgente e, se i microfoni non sono complanari, il punto à ̈ univocamente determinato.

Il sistema microfonico può anche essere esteso per permettere una maggiore robustezza rispetto ai rumori ambientali.

Venendo alla desiderata interazione naturale con luce, si sono determinati alcuni innovativi modi che, da soli o in combinazione fra loro, rendono più immediato, semplice e intuitivo il controllo di una sorgente di illuminazione robotizzata.

Grazie ai principi dell’invenzione à ̈ possibile fornire una gamma di modi semplici di interazione che possono contribuire a manipolare e conformare la luce ai bisogni e ai gusti dell’utilizzatore, in misura molto maggiore di quello che si può avere solo spostando e indirizzando una lampadina.

Il primo modo di interazione à ̈ gestuale e permette un controllo completo e facile di vari aspetti del raggio luminoso, evitando di obbligare l’utente, ad esempio, a regolare un insieme di manopole e tasti il cui significato e funzione sono spesso complessi e controintuitivi.

Il riconoscimento dei gesti à ̈ fatto attraverso la telecamera 30 che à ̈ rivolta sempre nella direzione del fascio luminoso, di modo che l'utente sa sempre come viene visto dalla lampada. Inoltre, i soggetti da riconoscere (le mani) sono così sicuramente sempre ben illuminati e contrastati e, perciò, più facilmente riconoscibili.

Il sistema di visione artificiale (connesso alla telecamera o presente direttamente in essa) à ̈ qui realizzato o programmato per distinguere sostanzialmente tre generi di gesti in base alla forma della mano e al suo movimento sotto la telecamera (e, perciò, nel cono di luce proiettato dalla lampada). Il sistema di controllo reagisce poi di conseguenza ai tre generi di gesti.

Una mano aperta disposta entro il cono luminoso aggancia e sposta il punto o la macchia luminosa verso un punto voluto: ciò à ̈ nient'altro che un intuitivo “drag and drop†della zona illuminata per spostarla dove à ̈ necessaria. Ciò à ̈ ben visibile nella figura 5. Vantaggiosamente, la testa della lampada può essere comandata dal sistema di controllo in modo che essa girerà soltanto e non si muoverà finché può raggiungere ugualmente il punto voluto con la relativa luce. Quando ciò non à ̈ più possibile, i bracci della lampada potranno venire azionati dal sistema per spostare la testa in una posizione più favorevole

Due mani inserite totalmente (o anche parzialmente, se in modo sufficiente per essere riconosciute) nel cono luminoso e che si allontanano una dall’altra comandano la macchia luminosa a diventare più grande, mentre le due mani che si avvicinano la rendono più piccola. Ciò à ̈ visibile nella figura 6. Un tale comportamento potrebbe essere comodo, ad esempio, se l'utente sta leggendo o lavorando mentre il suo compagno di camera sta dormendo, o per qualunque altro motivo.

Una mano con le dita unite e distese regola invece l'intensità della luce: lo spostamento della mano verso l'alto aumenta la luminosità, mentre lo spostamento verso il basso la diminuisce, come bene rappresentato in figura 7.

Il sistema deve naturalmente ben interpretare i gesti per dare la corretta risposta.

E’ noto che, in genere, una operazione di riconoscimento mediante un sistema di visione computerizzato può essere una operazione non facile. Nel caso specifico, à ̈ vero che le condizioni di sfondo (ad esempio, il piano della scrivania) sono sconosciute e gli oggetti da riconoscere, le mani, non hanno sempre lo stesso colore e possono persino variare notevolmente da persona a persona.

Tuttavia, ci sono determinate caratteristiche che rendono una mano facilmente riconoscibile e che possono essere qui sufficienti: la forma, la dimensione, la relativa uniformità di colore (la pelle delle persone possono essere più scure o più chiare, ma i due tipi solitamente non si trovano nella stessa mano). Inoltre, il fatto che le immagini sono prese sotto il diretto cono di luce della lampada rende le condizioni di ripresa molto più adatte al veloce e affidabile riconoscimento del contorno delle mani.

Inoltre, secondo i principi dell’invenzione, si sono scelti gesti che, oltre a essere intuitivi per l’utente che vuole interagire con la lampada, sono facilmente distinguibili, in base alla forma della mano e al relativo movimento.

Ad esempio, una mano aperta ha cinque dita che sono ben riconoscibili per mezzo di una semplice analisi sulla forma. Quando le dita sono giunte, la mano prende una forma approssimativamente ellissoidale con i “picchi†delle dita ancora facilmente rintracciabili nel contorno. E’ anche facile rilevare la mano che diventa più grande o più piccola nell'immagine quando si muove su e giù (verso e lontano dalla telecamera). Infine, due mani che si muovono lontano una dall’altra possono essere facilmente rilevate con un'analisi inter-frame. Tutto ciò richiede una relativamente limitata potenza di elaborazione e il corrispondente hardware à ̈ inseribile in una lampada.

Sempre per ragioni di efficienza di elaborazione con relativamente piccole risorse hardware e per soddisfare, comunque, il desiderio di una risposta veloce, à ̈ stato trovato vantaggioso che le immagini vengano riprese ad una risoluzione nell’intorno di 320x240 pixel. Ciò permette la sicura rilevazione dei contorni delle mani, senza avere un eccesso di particolari non necessari entro l’immagine.

Una procedura di rilevazione della chiazza luminosa si può applicare per trovare tutti gli insiemi dei pixel attigui che soddisfano i vincoli di colore necessari per una mano umana. In più, possono essere selezionate quelle zone che non presentano grandi salti di colore e che hanno una dimensione minima compatibile con l’immagine di una mano alla prevedibile distanza massima di ripresa. Una normalizzazione di luminosità può anche essere necessaria per compensare le variazioni nella luminosità generale.

Una volta che le chiazze candidate sono state trovate ed altre informazioni su di esse sono state raccolte (centroide, circolarità, zona, ecc.), i loro contorni possono essere analizzati per vedere se soddisfano le caratteristiche imposte per essere una mano atteggiata in uno dei gesti definiti significativi per il sistema di comando della lampada.

Ad esempio, se la chiazza à ̈ una mano aperta una versione filtrata passa basso della distanza fra il centroide e i punti del contorno rivela i cinque picchi maggiori, corrispondenti alle dita. Altre simili semplici elaborazioni di filtraggio permettono di distinguere gli altri gesti.

Dopo il riconoscimento, il movimento o “l’evoluzione†della mano può essere seguito.

Ad esempio, quando la mano con le dita congiunte si ingrandisce, l'intensità della luce viene aumentata, mentre viene ridotta in caso contrario.

Quando invece si rileva la mano aperta, la lampada la segue costantemente per mantenere il centroide nel centro dell'immagine (che coincide più o meno con il centro della chiazza luminosa proiettata dalla lampada).

Quando l'utente vuole ingrandire o restringere la chiazza luminosa, il movimento delle due mani à ̈ l'elemento principale: se un'analisi di differenza fra i frame rivela un movimento che va principalmente verso la parte esterna (o, al contrario, verso il centro) viene misurata la distanza fra le due mani e la lampada si comporta di conseguenza.

Se si vuole fornire una ulteriore “robustezza†al sistema di riconoscimento, può anche essere pensato l’uso di un ulteriore gesto “chiave†, che potrebbe essere vantaggiosamente un pugno chiuso, da compiere per avviare e per concludere ciascuna procedura di riconoscimento di un gesto di comando. Si evita così che l’utente comandi inavvertitamente la lampada compiendo sotto la telecamera qualche gesto semplice (ad esempio, allungare la mano per prendere una penna) che il sistema potrebbe rilevare erroneamente come gesto di comando.

Un secondo modo di iterazione con la lampada, definito “movimento touchless†, sfrutta i sensori a infrarosso per rilevare un oggetto, fuori dal cono di luce, che si avvicina alla testa della lampada.

Questo modo di funzionamento non à ̈ propriamente diretto al controllo della luce in modo indipendente dall'oggetto fisico rappresentato dalla lampada, come à ̈ invece il modo gestuale realizzato con la telecamera e nel quale le mani “interagiscono†con il cono di luce e con la sua macchia proiettata su una superficie.

Il “movimento touchless†permettere di spostare la testa della lampada senza toccarla e di “spingerla†o “tirarla†virtualmente in qualsiasi direzione semplicemente avvicinando o allontanando una mano dalla testa della lampada. Vantaggiosamente, la lampada si sposta e si gira per compensare il movimento “touchless†e per continuare a illuminare sempre la stessa zona. Ciò à ̈ schematicamente mostrato in figura 8 per un movimento di repulsione della lampada.

Ciò à ̈ utile per dare la massima libertà all’utente.

Ad esempio, dopo il posizionamento della zona illuminata per mezzo dell’interazione gestuale, l'utente può spostare il corpo della lampada in una configurazione più comoda usando le mani per comandare il movimento “touchless†.

Il “canale di comunicazione†realizzato con i sensori infrarossi à ̈ differente da quello precedente di movimentazione visuale a gesti perché, mentre il gesto sotto la telecamera permette di cambiare le condizioni di luce, l'interazione “touchless†permette di modificare la posizione della lampada senza spostare la zona illuminata, con il sistema di controllo della lampada impostato per compensare la rilocazione. I due sistemi sono però complementari per permettere una completa interazione con la lampada.

Normalmente, quando la posizione di una lampada tradizionale dà fastidio, a causa dell'ombra o perché ostacola alcuni movimenti che dobbiamo fare, dobbiamo afferrarla, spostarla e poi girarne la luce nuovamente dove à ̈ necessaria.

L'interazione touchless rende questo intero noioso procedimento ancora più vicino a un gesto istintivo di allontanamento, quasi facile quanto pensarlo.

Naturalmente, à ̈ vantaggioso che i sensori di prossimità ignorino qualsiasi informazione quando le mani o qualsiasi altro corpo sono troppo lontani. Inoltre, un intervallo di tempo di tolleranza deve essere fissato, di modo che movimenti improvvisi dell'utente non producano cambiamenti bruschi e che la lampada non provi a seguire la mano quando sta allontanandosi, una volta che la posizione sia stata regolata in modo soddisfacente.

Come si à ̈ già sopra descritto, da una grandezza elettrica all'uscita dei sensori infrarosso (ad esempio, la tensione di uscita che sale o scende) possiamo ottenere l’indicazione della distanza fra un ostacolo sulla linea di vista del sensore e il sensore stesso. Tale misura della distanza à ̈ l'input per il movimento touchless. Un possibile sistema innovativo per realizzare l'interazione senza contatto, à ̈ basato sulla fusione delle informazione dei sensori IR mediante logica “fuzzy†.

La logica fuzzy à ̈ una in sé nota logica a valori multipli, derivata dalla teoria degli insiemi fuzzy e che si occupa di ragionamenti approssimativi invece che precisi.

La logica associa un valore a una variabile di interesse. Questo valore, denominato spesso grado di verità, può variare (complessivamente) fra 0 e 1 e indica la corrispondenza fra una proposizione e i fenomeni osservati.

Nella logica fuzzy, il grado di verità di una proposizione può variare su più livelli fra 0 e 1 e non à ̈ costretto ai due valori {vero, falso} della logica binaria classica.

La motivazione che ha portato, nella lampada secondo l’invenzione, all’impiego vantaggioso di una logica fuzzy, risiede nella particolare natura che si à ̈ qui individuata per la interazione touchless.

Come primo approccio intuitivo, si possono concettualmente distinguere una zona di interesse, in cui l'utente può interagire con la lampada e deve essere rilevato dai sensori, e una zona esterna, dove nessuna interazione deve avvenire. Questa distinzione à ̈ fatta per evitare una interazione indesiderata e lasciare libere le mani degli utenti quando non à ̈ necessaria alcuna interazione. Per implementare un semplice controllo basterebbe perciò una logica tradizionale a due livelli (dentro e fuori dalla zona di interesse).

E’ stato però qui trovato che si ottiene un più soddisfacente comportamento della lampada se si opera una ulteriore divisione in zone che sono definite da distanze dal sensore via via crescenti, come gli strati di una cipolla. Le reali distanze (ad esempio in centimetri dalla testa) che individuano i confini di ogni strato o zona possono essere definite in pratica secondo l’esatto comportamento desiderato e secondo un compromesso fra la massima distanza di controllo desiderata e la probabilità di avere false rilevazioni. Le zone possono essere definite (dalla più vicina alla testa verso l’esterno) come:

•Zona “vicina†: la misura della distanza ottenuta dai sensori infrarossi à ̈ inferiore a un valore di soglia minimo entro il quale la lampada reagisce muovendosi per allontanarsi dagli oggetti che entrano in tale zona. In questo modo à ̈ anche garantito intrinsecamente di evitare un ostacolo. La zona vicina à ̈ quindi una zona di repulsione. In una lampada tradizionale questo movimento à ̈ ottenuto spingendo fisicamente la testa della lampada per mezzo di una mano;

•Zona “obiettivo†: definisce una zona intermedia entro la quale un oggetto (solitamente la mano dell’utilizzatore) à ̈ ad una distanza “corretta†, cosicché nessun movimento à ̈ richiesto. La zona obiettivo à ̈ quindi una zona di indifferenza. Il caso corrispondente in una lampada tradizionale e quello della mano dell'utente posizionata sulla lampada, ma senza applicare alcuna forza;

•Zona “lontana†: quando un oggetto à ̈ entro tale zona la lampada à ̈ comandata per avvicinarsi a esso (per poi fermarsi quando l’oggetto entra nella zona obiettivo). In tale modo, quando l'utente allontana la mano dalla lampada la lampada segue il suo comando fino a quando la mano à ̈ mantenuta dentro la zona “lontana†. La zona lontana à ̈ quindi una zona di attrazione. Anche in questo caso nessuna forza di spinta reale deve essere applicata, poiché la lampada reagisce spontaneamente all'input dall'utente;

•Zona “esterna†: questa zona non à ̈ importante nell'interazione utente-luce. Essa può rispecchiare il limite di distanza di captazione del sensore infrarosso e la distinzione di essa dalla zona di interesse può servire per funzionalità aggiuntive. Ad esempio, quando la lampada à ̈ spenta e un sensore percepisce un oggetto che giunge dalla zona esterna la lampada può accendersi autonomamente, cosicché à ̈ sufficiente avvicinare una mano alla lampada spenta per provocarne l’accensione. Nella figura 9 à ̈ mostrato un possibile esempio di correlazione delle zone secondo la logica “fuzzy†. Come si vede nella figura, le varie zone non hanno confini netti.

Notare che questo approccio intelligente permette di realizzare due azioni usando le informazioni provenienti da uno stesso sensore: l'utente può spingere o tirare la testa della lampada con un sensore soltanto, semplicemente muovendo la mano in una o in un’altra zona. Inoltre, la logica fuzzy non solo fornisce il grado di verità di ogni zona, ma influenza inoltre la velocità della reazione.

Questa funzione à ̈ realizzata collegando direttamente il grado di verità alla velocità di reazione.

Riferendosi sempre alla figura 9, se ci si trova nella zona lontana, ma vicino alla distanza “d3†, i movimenti della lampada saranno perciò lenti, permettendo un approccio graduale alla zona obiettivo. Dall’altro lato, se la distanza à ̈ molto bassa e si cade nella “zona vicina†, la lampada reagisce rapidamente evitando gli scontri.

Applicando la logica fuzzy a ogni misura dei sensori l'interazione touchless à ̈ completa.

Il risultato nella risposta della lampada à ̈ la composizione dei comandi prodotti da ciascun sensore. I sensori che puntano in direzione opposta produrranno ovviamente un effetto antagonista: così se avviciniamo entrambe le mani alla destra e alla sinistra della lampada, nessun movimento accade poiché le due azioni touchless producono comandi uguali e contrari.

E’ evidente come si sia ottenuta anche la funzione di evitare urti indesiderati. Se la testa della lampada sta muovendosi troppo vicino verso l’utente o verso altri elementi dell'ambiente, si entra inevitabilmente nella zona “vicina†e la logica di controllo evita così che accadano incidenti, interrompendo o invertendo il movimento.

In figura 10 à ̈ mostrato schematicamente il terzo modo di interazione che impiega il sistema di microfoni per l’individuazione spaziale dei suoni.

Secondo questo terzo modo, un suono di caratteristiche predeterminate e che individua così un comando di “richiamo sonoro†(ad esempio, lo schiocco delle dita o un battere di mani), viene rilevato dall’apparecchio, il punto di provenienza viene localizzato e la lampada dirige il fascio di luce verso tale punto, vantaggiosamente senza spostare la testa della lampada, ma solo ruotandola, a meno che lo spostamento non sia necessario.

Tale modo di funzionamento à ̈ utile, ad esempio, quando la luce, per qualsiasi motivo, à ̈ necessaria dall'altro lato dello scrivania e il trascinarla per tutto il percorso può essere scomodo o complicato. Con il richiamo sonoro si ha un modo più immediato per richiamare la luce nel punto desiderato. Nel caso sia necessario, un eventuale aggiustamento preciso della posizione può successivamente essere fatto con il modo di comando gestuale.

A questo punto à ̈ chiaro come si siano ottenuti gli scopi prefissati, fornendo un apparecchio di illuminazione con un fascio luminoso che à ̈ comandabile in modo semplice e intuitivo e che interagisce realmente con l’utente in un modo naturale.

Naturalmente, la descrizione sopra fatta di una realizzazione applicante i principi innovativi della presente invenzione à ̈ riportata a titolo esemplificativo di tali principi innovativi e non deve perciò essere presa a limitazione dell'ambito di privativa qui rivendicato. Ad esempio, una seconda telecamera potrebbe essere presente per inquadrare altri particolari, quali il viso dell’utente, presenti nell’ambiente. Sensori di luminosità possono anche essere previsti per adeguare l’intensità luminosa della lampada a quella dell’ambiente. La stessa telecamera può servire per ottenere ciò. L’eventuale gesto “chiave†di attivazione del riconoscimento gestuale può anche essere un comando proveniente da un altro canale sensoriale, ad esempio quello sonoro, mediante un comando vocale o un suono prestabilito. Altri sensori di distanza possono essere previsti.

Claims (16)

1. RIVENDICAZIONI 1. Apparecchio di illuminazione comprendente una testa (14) con una sorgente di luce diretta in un fascio luminoso, una struttura cinematica motorizzata (25) per l’orientamento spaziale della testa, sensori di rilevazione di stimoli di controllo e un sistema di controllo elettronico che riceve segnali dai detti sensori e comanda il movimento della testa in base agli stimoli rilevati, caratterizzato dal fatto di comprendere un sensore di immagine (30) disposto nella testa e diretto nella direzione del fascio luminoso, e mezzi elettronici di elaborazione (25, 30) atti ad elaborare le immagini riprese dal sensore di immagine (30) per riconoscere almeno una mano di un utilizzatore inserita nel fascio, distinguere in essa un gesto fra una serie prestabilita di gesti preimpostati nel sistema di controllo e comandare un corrispondente comportamento interattivo della sorgente di luce selezionandolo fra una serie di comportamenti che sono memorizzati nel sistema di controllo associati ai gesti della serie prestabilita di gesti.
2. 2. Apparecchio secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i gesti preimpostati nel sistema di controllo comprendono la mano distesa con le dita aperte e la mano distesa con le dita chiuse, e i comportamenti memorizzati comprendono il muovere la testa per mantenere la mano in movimento nel fascio di luce e il regolare la luminosità del fascio luminoso.
3. 3. Apparecchio secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la testa comprende un attuatore (26) di regolazione dell’ampiezza del fascio luminoso, l’attuatore essendo connesso al sistema di controllo per permettere la regolazione dell’ampiezza del fascio in associazione con uno dei detti comportamenti memorizzati.
4. 4. Apparecchio secondo rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che i gesti preimpostati nel sistema di controllo comprendono due mani che si allontanano o che si avvicinano fra loro e il comportamento associato à ̈ un corrispondente aumento o diminuzione dell’ampiezza del fascio.
5. 5. Apparecchio secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere fra i sensori, sensori di distanza (32) che sono disposti nella testa per rilevare la distanza di oggetti nell’intorno della testa e che sono connessi al sistema di controllo (25) per comandare movimenti della testa nello spazio in funzione della distanza rilevata.
6. 6. Apparecchio secondo rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che nel sistema di controllo sono definite zone individuate da distanze via via crescenti rilevate dai sensori di distanza, una prima zona essendo associata a un movimento di repulsione della testa dall’oggetto rilevato, una seconda zona, più esterna, essendo associata a una condizione di indifferenza, una terza zona, ancora più esterna essendo associata a un movimento di attrazione della testa verso l’oggetto rilevato.
7. 7. Apparecchio secondo rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che le distanze rilevate dai sensori di distanza sono elaborate con una logica “fuzzy†.
8. 8. Apparecchio secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere fra i sensori, sensori sonori (34) connessi a mezzi elettronici di elaborazione (30) che sono atti a elaborare suoni captati dai sensori sonori, per individuare la posizione spaziale della sorgente dei suoni e comandare movimenti della testa nello spazio per rivolgere il fascio luminoso verso di essa.
9. 9. Apparecchio secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che à ̈ in forma di lampada da scrivania.
10. 10. Metodo per il comando di un apparecchio di illuminazione comprendente una testa (14) con una sorgente di luce diretta in un fascio luminoso e una struttura cinematica motorizzata (25) per l’orientamento spaziale della testa, nel quale una immagine, rilevata da un sensore di immagine (30) disposto nella testa e diretto nella direzione del fascio luminoso, viene elettronicamente elaborata per: riconoscere almeno una mano di un utilizzatore inserita nel fascio; distinguere un gesto fra una serie prestabilita di gesti della mano; comandare un corrispondente comportamento interattivo della sorgente di luce selezionandolo fra una serie di associati gesti della serie prestabilita di gesti.
11. 11. Metodo secondo rivendicazione 10, nel quale i gesti comprendono la mano distesa con le dite aperte e la mano distesa con le dita chiuse, e i comportamenti interattivi comprendono il muovere la testa per mantenere la mano in movimento nel fascio di luce e il regolare la luminosità del fascio luminoso in funzione di un movimento della mano.
12. 12. Metodo secondo rivendicazione 10, nel quale i gesti preimpostati comprendono due mani che si allontanano o che si avvicinano fra loro e il comportamento associato à ̈ un corrispondente aumento o diminuzione dell’ampiezza del fascio luminoso.
13. 13. Metodo secondo rivendicazione 10, nel quale la distanza di oggetti nell’intorno della testa viene rilevata per mezzo di sensori di distanza (32) presenti nella testa, e movimenti della testa nello spazio sono comandati in funzione della distanza rilevata.
14. 14. Metodo secondo rivendicazione 13, nel quale vengono definite zone che sono individuate da distanze via via crescenti dalla testa, con una prima zona associata a un movimento di repulsione della testa da un oggetto rilevato, una seconda zona, più esterna, associata a una condizione di indifferenza, una terza zona, ancora più esterna, associata a un movimento di attrazione della testa verso un oggetto rilevato.
15. 15. Metodo secondo rivendicazione 13, nel quale le distanze rilevate dai sensori di distanza sono elaborate secondo una logica “fuzzy†.
16. 16. Metodo secondo rivendicazione 10, nel quale la posizione spaziale di un suono di caratteristiche prestabilite viene individuata mediante sensori sonori (34) e mezzi elettronici di elaborazione (30), e movimenti della testa nello spazio sono comandati per rivolgere il fascio luminoso verso di essa.