Por favor, tócame. ¡No!

En esta sección para lectores, el autor describe sistemas HMI para operación sin contacto, incluidos los de su empresa con sede en Alemania.

por Rudolf Sosnowski

¿Conoces el theremin? Es un instrumento musical casi olvidado con una característica especial: se puede tocar sin tocarlo. Precisamente eso —el funcionamiento sin contacto de los ascensores— es posible gracias a las soluciones que aquí presentamos. Activar acciones sin tocar es cada vez más factible: abrir el maletero del coche con las manos ocupadas, contestar una llamada mientras lavas los platos o simplemente empujar la manija de la puerta del baño público.

La situación de tener las manos ocupadas también se da en el ámbito profesional. Quizás uses guantes protectores porque manipulas sustancias peligrosas, o porque no te está permitido tocar nada con las manos por razones de higiene y salud. Existen normativas al respecto: en la industria alimentaria, el uso de guantes es obligatorio. En el sector sanitario, donde se requiere esterilidad, no se puede tocar nada que no esté estéril sin cambiarse los guantes después.

La situación actual llama el interés por el funcionamiento de equipos que no requieran contacto físico directo. Según un estudio de UltraLeap, un fabricante de interfaces sin contacto, la aceptación de las pantallas táctiles ha disminuido. Suponiendo un cierto nivel de complejidad (es decir, no el del sensor de proximidad de un dispensador de jabón), hay varias opciones para esto, que se presentan aquí.

Desafíos y Propuestas

La operación sin contacto de dispositivos y máquinas está impulsada por las medidas de precaución actuales, el requisito de esterilidad de los operadores y los materiales en tecnología y operación médica, incluso en ropa protectora. Estas tecnologías están a la vanguardia de la interacción sin contacto directo entre el operador y el equipo:

• Pantalla táctil infrarroja de nueva tecnología
• "Pantalla táctil voladora" (pantalla táctil remota)
• Pantalla táctil holográfica
• pantalla táctil HY-gienic
• Pantalla táctil 3D con control por gestos
• Control de voz sin conexión

Hay otras tecnologías que todavía están en pañales o son irrelevantes para las aplicaciones que se presentan aquí.

Tecnología infrarroja

La tecnología de pantalla táctil infrarroja (IR) es bien conocida. Una cortina de luz IR es interrumpida por un objeto introducido en la trayectoria del haz; esta interrupción se evalúa y se devuelve al controlador como un evento táctil. La pantalla táctil no necesita ubicarse directamente encima de la pantalla, sino que también puede montarse a cierta distancia. Esto es particularmente ventajoso para los dispositivos que corren el riesgo de vandalismo, como las máquinas expendedoras y los cajeros automáticos, ya que la pantalla puede protegerse contra impactos mecánicos mediante un panel de vidrio resistente. Para aplicaciones que esperan una reproducción óptica óptima, como imágenes médicas o preimpresión, se puede omitir el panel de vidrio. En principio, la pantalla táctil IR también funciona sin una pantalla subyacente, por lo que también podría montarse frente a una placa impresa. Su compatibilidad electromagnética benigna lo convierte en un medio de entrada robusto.

El inconveniente es el paralaje causado por la distancia entre el sensor y el plano de la imagen; las pantallas táctiles infrarrojas estándar no admiten la operación multitáctil ni el reconocimiento de gestos. Deben protegerse de la luz externa con filtros IR y son fáciles de sabotear, por ejemplo, con un chicle. El remedio es la nueva generación de pantallas táctiles IR que, en lugar de interrumpir una rejilla de luz, evalúa el reflejo de un objeto en la trayectoria del haz.

Gracias a la inteligente disposición de los fotodiodos emisores y receptores de láser, se pueden detectar simultáneamente dos eventos táctiles y gestos en el campo de luz. El principio de reflexión permite el montaje en un solo lado de la carcasa, lo que resulta muy ventajoso para la integración. Un algoritmo de escaneo inteligente evita el sabotaje simple, como se ha descrito anteriormente. Una alta frecuencia de muestreo de 200 Hz garantiza la detección sin retrasos. La óptica optimizada con una abertura de luz estrecha proporciona una alta resistencia a la luz ambiental. Un amplio rango de temperatura de -40 °C a +80 °C garantiza su uso en todas las aplicaciones. Entre los ejemplos se incluyen plantas industriales, maquinaria agrícola y vehículos especiales, equipos médicos de gran tamaño y aplicaciones de estilo de vida, como muebles modernos para cocinas y hogares. La figura 1 muestra una sección transversal del principio de funcionamiento.

"Flying Touch" – Pantalla táctil independiente

Basado en el principio de la pantalla táctil IR, el Flying Touch es muy similar. La diferencia es que el sensor IR está montado como una cortina (ver Figura 2) a cierta distancia de la superficie. El evento táctil se detecta cada vez que un objeto cruza la trayectoria de la luz. No es necesario tocar la superficie subyacente. Queda a discreción del usuario detener el movimiento de los dedos antes de tocar completamente la superficie. La funcionalidad es la misma que con la pantalla táctil IR.

Pantalla táctil holográfica

La pantalla táctil infrarroja de nueva generación desempeña un papel fundamental en el funcionamiento sin contacto. El sistema consta de dos partes: la pantalla táctil, que detecta los toques y gestos mediante una cortina infrarroja invisible, y una imagen que se proyecta holográficamente en el aire. Físicamente, la visualización de la imagen virtual no es un holograma, ya que no utiliza luz monocromática coherente ni la imagen cambia según el ángulo de visión. En cambio, se emplea una propiedad especial del material que concentra los rayos de luz que emergen difusamente en la ubicación de la imagen virtual, creando así la impresión de una representación flotante. A este fenómeno se le denomina «holografía».

Proyección 3D

La imagen holográfica aparece de pie libremente en el aire. Esto es causado por una placa óptica que desvía la imagen generada por the source y la proyecta según las leyes de la óptica. De forma similar a una pantalla de visualización frontal en un automóvil (véase la Figura 3), el conductor ve una imagen a través del parabrisas que muestra información adicional, como la velocidad, las señales de tráfico y las instrucciones de navegación, en realidad aumentada. La atención del conductor permanece centrada en la carretera y la imagen virtual. La pantalla remota reduce la fatiga visual del conductor, que no tiene que alternar entre la visión cercana (mirando el panel de instrumentos) y la lejana (mirando la carretera). La imagen se genera mediante una pantalla o proyector en el espacio para los pies y se proyecta a través de una lente sobre el parabrisas, que cuenta con un revestimiento parcialmente reflectante en esta zona.

En el sistema actual, la configuración es muy similar. La placa 3D genera una imagen virtual que se encuentra "tangiblemente" cerca del usuario. La imagen virtual se genera en el punto que tiene la misma distancia al espejo que la propia pantalla (véase la figura 4). Si ahora se instala un sensor infrarrojo en lugar del plano de la imagen, que pasa por encima de la superficie de la imagen, se pueden detectar y evaluar eventos táctiles y gestos dibujados "en el aire" sin necesidad de tocar ninguna parte.

Dado que existe una relación angular fija entre la pantalla, la placa de proyección y la imagen final, la geometría de instalación de la pantalla y la placa de proyección determina la orientación de la imagen virtual. La Figura 5 muestra dos situaciones comunes de instalación de un sistema de proyección. Una imagen vertical se crea mediante una pantalla montada horizontalmente y una placa de 45 grados, mientras que una placa de proyección horizontal crea una imagen inclinada de 45 grados.

Aplicaciones

Los lugares y dispositivos que utilizan muchas personas están predestinados para aplicaciones sin contacto. La señalización digital en el comercio minorista, por ejemplo, la selección de menús en restaurantes de comida rápida, se gestiona sin contacto directo, al igual que los tableros de orientación e información en los centros comerciales. Los controles del ascensor, tanto para los botones de llamada en el piso como para la selección de piso en la cabina, son obvios.

Pantalla táctil HY-gienic

La pantalla táctil HY-gienic se basa en el hecho de que la radiación UV-C tiene un efecto letal sobre gérmenes y virus. Este es un pro y un contra: la radiación UV-C mata cultivos no deseados, pero también es dañina para los organismos. Debe evitarse a toda costa la irradiación del cuerpo humano o partes del cuerpo. Dado que es invisible, se debe tener mucho cuidado. La eficacia depende de la dosis, que es la intensidad multiplicada por el tiempo de exposición. Si la superficie de una pantalla táctil debe permanecer higiénicamente limpia para cada usuario, debe limpiarse antes de que el próximo usuario se acerque a la terminal. Dado que el tiempo de exposición es considerable, es difícil lograr un funcionamiento continuo. Además, la operación continua no debe usar consumibles, y la tecnología debe poder soportar muchos toques sin desgaste.

La idea detrás de la solución propuesta es alternar la operación y la exposición a la desinfección, sin interrupciones durante el funcionamiento. Para una solución sin desgaste, es deseable evitar el contacto entre el operador y la superficie durante la propia función. Este requisito se puede resolver implementando una pantalla táctil infrarroja para la función táctil. Esta debe montarse a cierta distancia del cristal protector para evitar el contacto. Si se produce, el cristal protector debe desinfectarse. El requisito de que el terminal esté siempre disponible y limpio antes del siguiente usuario se puede resolver con un cristal protector que se traslada a una estación de limpieza después de cada uso. Si el cristal protector ofrece el doble del área de visualización requerida, una parte puede cubrirse y desinfectarse mientras el usuario opera la parte visible. Véase también la Figura 6.

Cómo funciona la desinfección

El cristal de la cubierta es dos veces más grande que el área de visualización activa. Entonces, mientras una parte es accesible para la operación, la segunda parte está cubierta y descontaminada en el rango UV. Dado que el sensor IR está montado en un plano frente al cubreobjetos, no se requiere contacto físico entre el operador y el cubreobjetos. Una vez que el operador completa el procedimiento, la porción abierta y potencialmente contaminada del cubreobjetos se mueve a la región UV en el lado opuesto. Se está realizando un ensayo clínico y se ha presentado una solicitud de patente para esta tecnología.

Aplicaciones

Hay una amplia gama de aplicaciones. Los mercados objetivo son terminales públicos como máquinas expendedoras, puntos de venta, cajeros automáticos, terminales de check-in/check-out en hoteles y aeropuertos e interfaces hombre-máquina en sistemas de salud.

Control de gestos 3D

En contraste con el control cualitativo de un sistema de diseño asistido por computadora, o CAD, solo es posible el control cualitativo cuando se controla la interfaz hombre-máquina (HMI) a través de gestos. Esto no requiere coordenadas absolutas, sino posiciones relativas.

El control permite activar el dispositivo desde el modo de espera al acercarse, y se pueden realizar ajustes casi analógicos, como el volumen, mediante un movimiento giratorio. El desplazamiento horizontal se interpreta como un desplazamiento normal, y la posición estática también puede activar eventos temporizados, como en las pantallas táctiles: al pasar el ratón por encima se muestra información adicional o se activa un evento, por ejemplo, al pulsar el botón derecho del ratón.

Principio de la operación

Un campo se estira entre dos electrodos de un capacitor. En el caso del 3D Touch, este se alinea de modo que sobresalga hacia afuera (es decir, hacia el operador/visor). Durante la calibración, la capacitancia de este capacitor se mide como referencia. Cada objeto que ingresa al campo influye en las líneas de campo, por lo tanto, en la capacitancia entre los dos electrodos (ver Figura 7). El procedimiento de medición evalúa el cambio y lo convierte en una distancia del objeto tanto de cada uno de los dos electrodos como de ambos juntos. La primera evaluación da una posición entre los dos electrodos y la segunda apunta a la tercera dimensión. Si se dispone un segundo par de electrodos ortogonalmente al primero, la posición en el otro eje se puede determinar de la misma manera.

Tan elegante y simple como suena el método descrito en teoría, la implementación es compleja en la práctica. Las intensidades de campo medidas varían según las influencias externas, ya sea la temperatura, la humedad o las tolerancias mecánicas, dentro de una gama de dispositivos. El controlador táctil utiliza métodos de IA para inferir la señal original mediante la evaluación de los valores medidos. En consecuencia, el reconocimiento de gestos funciona de manera muy similar al habla y la escritura a mano. El alto grado de integración del IC (circuito integrado o microchip) hace que sea fácil de usar para el usuario, que no tiene que lidiar con el trasfondo teórico. La Figura 8 muestra cómo se construyen los electrodos para un sistema táctil 3D.

Aplicaciones

La tecnología 3D Touch se puede utilizar en cualquier aplicación donde se requiera el reconocimiento de gestos frente a la pantalla táctil, sin importar la resolución ni la precisión. En muchas aplicaciones, la pantalla táctil 3D se complementa con una pantalla bidimensional subyacente que determina la posición en el plano x/y. La gran ventaja de esta tecnología es que los gestos se pueden realizar "a ciegas", sin mirar la pantalla táctil. En situaciones como en un vehículo, esto contribuye a la seguridad vial. Un gesto de deslizamiento permite seleccionar la siguiente pista de CD o emisora ​​de radio, mientras que un movimiento circular controla el volumen. La información se recibe a través del oído del usuario, no de la vista.

Además de los productos de consumo como ordenadores portátiles y dispositivos de audio (por ejemplo, auriculares Bluetooth®), el hogar inteligente también desempeña un papel importante. Para electrodomésticos, aire acondicionado, persianas o interruptores de luz, se puede utilizar la tercera dimensión para activar funciones. En lugar de apuntar con precisión al sensor, basta con un ligero movimiento de la mano frente a él para activar la función predeterminada, que, por ejemplo, apaga todas las luces cuando el usuario sale de la habitación.

En el campo médico, la tecnología 3D puede facilitar la operación de equipos médicos porque las acciones se pueden realizar sin contacto y el operador permanece estéril. Como ejemplo, considere una lámpara quirúrgica donde la posición, el brillo y el color se pueden ajustar sin tocar.

La tecnología táctil 3D también se puede utilizar sin pantalla. El campo es lo suficientemente fuerte como para penetrar tableros de madera o encimeras de cocina, lo que abre interesantes campos de aplicación.

Control por Voz

Especialmente cuando no se dispone de una mano libre o lo suficientemente limpia para accionar un elemento de control, o cuando no es posible apartar la vista del objeto que se está observando (como durante una operación o al trabajar con un microscopio o lupa), el control por voz demuestra sus ventajas. Cabe destacar la capacidad de introducir comandos y parámetros simultáneamente con una sola frase, en lugar de navegar por el menú de la interfaz gráfica de usuario (GUI) para configurar funciones y valores individualmente. Todos los comandos y ajustes de una GUI tradicional pueden activarse simultáneamente desde el nivel principal. Esto conlleva un aumento significativo de la eficiencia.

Básicamente, se hace una distinción entre control de voz online y offline. Los dispositivos que suelen estar conectados en red con otros (por ejemplo, productos electrónicos de consumo, domótica y control de medios) pueden controlar otros dispositivos a través de la red. Otros dispositivos que son autosuficientes aprovechan el funcionamiento offline: el funcionamiento está garantizado incluso en áreas sin cobertura de red, los datos están seguros gracias al enfoque de privacidad por diseño y la instalación fija garantiza una disponibilidad prolongada independientemente del proveedor de Internet.

El control por voz también está cobrando interés en los bienes de capital industriales, ya que permite nuevas variantes de funcionamiento y una mayor flexibilidad. Debido a la larga vida útil de la maquinaria y a la creciente necesidad de seguridad en la producción, el usuario potencial tiene requisitos adicionales: la solución de entrada de voz debe estar disponible durante un largo periodo de tiempo y ser ampliable según sea necesario. La palabra de activación, también llamada "palabra clave", debe poder seleccionarse libremente. Debe estar disponible en varios idiomas internacionales, uno de los cuales se selecciona durante la instalación o el mantenimiento.

Aplicaciones

El control por voz acelera las tareas operativas complejas al combinar comandos y parámetros en un solo paso. El soporte puede ser contextual, lo cual es especialmente importante para la realidad aumentada. La recuperación de datos en sistemas expertos se simplifica y los asistentes digitales y las herramientas de colaboración optimizan los flujos de trabajo.

Un aspecto es también el registro en proceso. Ciertas tareas de rutina se pueden realizar sin la mano de un operador, y la máquina puede verificar automáticamente la integridad del registro. Esto juega un papel especial en la documentación de control de calidad durante el mantenimiento de máquinas o la inspección de aeronaves. Los hallazgos se pueden ingresar directamente en el sistema, que ingresa los datos directamente en el lugar correcto en el registro, independientemente de la secuencia.

Diseño con control de voz

Con la ayuda de un entorno de desarrollo web, bastan unos pocos pasos para definir un sistema para su propia aplicación. El diálogo de voz, es decir, la palabra de activación que activa el sistema para introducir los comandos permitidos y sus parámetros, se compila en la herramienta web como entrada de texto (véase la figura 9). El primer paso del procesamiento se realiza durante la entrada: los grafemas, es decir, los caracteres introducidos, se convierten en fonemas, es decir, los componentes acústicos más pequeños del habla.

Una vez que se definen todas las palabras, se utilizan algoritmos de aprendizaje automático y basados ​​en inteligencia artificial para traducir los recursos lingüísticos definidos en un modelo estadístico y semántico para su descarga. El resultado se descarga en la plataforma de destino y se inicia. Entonces se puede tirar del enchufe de red; el producto final funciona de forma autónoma. El flujo en la aplicación terminada se muestra en la Figura 10.

Los requisitos de recursos de tiempo de ejecución son moderados. Por lo tanto, el sistema también es adecuado para la integración colaborativa, donde el control por voz se ejecuta en paralelo con el software de la aplicación.

Aplicaciones

Las aplicaciones para el control de voz fuera de línea incluyen electrodomésticos y cocinas, máquinas de pedidos en restaurantes de comida rápida, columnas de información en centros comerciales y de viajes, en tecnología de prueba y medición y en el entorno estéril de la tecnología médica.

Otras tecnologias

Además de las tecnologías mencionadas anteriormente, existen otras tecnologías que no requieren contacto directo con las superficies.

Registro visual

El seguimiento ocular evalúa el movimiento de las pupilas y los párpados para controlar el cursor y desencadenar acciones al hacer clic = parpadear. Para el usuario inexperto, la operación es bastante difícil. El enfoque rígido de los ojos conduce a la fatiga, por lo que este método de entrada es factible solo por un tiempo limitado.

Micro-radar

Un radar se puede utilizar para detectar y evaluar la posición de los objetos dentro de su campo de visión. Esta tecnología aún no tiene ninguna importancia para el funcionamiento de equipos y máquinas.

LiDAR/ToF

La detección y rango de luz (LiDAR) se basa en un campo de luz que se puede usar para detectar objetos y gestos espacialmente. La resolución es mayor que con el radar. El método de tiempo de vuelo (ToF) mide el tiempo que tarda la luz emitida por un transmisor en llegar al receptor después de ser reflejada por un objeto. Las aplicaciones para esto incluyen teléfonos celulares (cámara de medición de distancia, reconocimiento facial) y vehículos (conducción autónoma).

BCI

Conocida como interfaz cerebro-computadora (BCI), esta interfaz directa "del cerebro a la computadora" evalúa las ondas cerebrales para traducir las corrientes nerviosas eléctricas en acciones específicas, transformándolas en movimientos de un robot. Entre sus aplicaciones se incluyen exoesqueletos que asisten a las personas en actividades físicas o prótesis que reemplazan o complementan funciones perdidas. La tecnología aún no está completamente desarrollada, ya que se requiere software de inteligencia artificial para interpretar correctamente los voltajes detectados.

Resumen

Para operar un dispositivo sin contacto directo, se puede seleccionar una de las diversas opciones según la aplicación, la ubicación de instalación y el grupo de usuarios. La pantalla táctil infrarroja remota de nueva tecnología, como la pantalla táctil holográfica, permite un posicionamiento preciso de la entrada, mientras que la pantalla táctil 3D con control gestual es adecuada para una entrada más cualitativa ("más/menos"). Si no se dispone de las manos, el control por voz sin conexión ofrece una alternativa a la interfaz gráfica de usuario convencional.

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Referencias
[1] grupo-hy-line.com
[2] neonode.com
[3] microchip.com
[4] voiceinterconnect.de