一种基于超声波聚焦的触觉反馈系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种触觉反馈系统及方法，具体涉及一种基于超声波阵列聚焦技术的 触觉反馈系统，超声波阵列通过扫描方式获得手部位置，通过控制超声波阵列的驱动信号 在手部位置产生超声波聚焦，形成声发射力，该力作用于人的手部产生触觉，本发明可用于 人机交互、触觉交互、三维图像及视频交互控制等领域。
【背景技术】
[0002] 多年来，在人机交互领域的研究中人们主要关注视觉和听觉，而忽略了其他感觉 形态。随着计算机性能的大幅提升，计算机交互途径的局限已越来越突出，其他感觉形态的 研究和应用也变得越来越重要。实验心理学家赤瑞特拉(Treicher)通过大量的实验证实， 在日常生活中，对一个物体，人类获得的信息中，83%来自视觉，11 %来自听觉，3.5%来自 嗅觉，1.5 %来自触觉，1 %来自味觉。视觉、听觉和触觉是人类感知外界信息的主要途径，虽 然触觉所占的比例只有1.5%，但是其传达的信息却是独一无二的，如物体的质地、重量、形 状等信息只能通过触觉去感受。特别是对于物体质感与纹理的探知，触觉几乎是唯一的一 种探知手段。另外，触觉可以和视觉、听觉信号同时被感知，并具有和听觉一样的全方向的 感觉能力。
[0003] 触觉反馈技术能够亲手"触摸"到电脑中本不存在的虚拟物品，实现触觉交互技术 与其它人机交互技术有机整合，将成为人机交互产品的必然趋势。采用触觉反馈技术，通过 运算和模拟，人类对虚拟物体也有了触觉感受，这样的"感觉输入"让我们有理由相信很多 生活方式的改变。
[0004] 如今，3D视觉成像技术能够让人看到逼真的立体画面，但却留下了可望而不可即 的遗憾。目前，国内外针对三维视觉对象的触觉反馈技术主要采用触摸方式或穿戴方式实 现触觉反馈。触摸式触觉反馈系统系统，3D显示界面与触摸界面分离，只能实现单点触觉反 馈，触觉反馈效果不好。穿戴式触觉反馈技术，需要穿戴特殊装置去触摸，操作不便。
[0005] 现在比较成熟的也是研究最早的3D触觉反馈技术主要是基于机械振动的原理实 现的，代表性成果包括:美国的SensAble公司研制的基于机械结构的Phantom力反馈系统。 瑞士ForceDimension公司的Omega和Delta系列的力触觉设备，采用了独特的Delta结构， 能够实现较高的作用力输出和再现刚度能够只通过一个可移动的部件实现六个自由度的 力显示。可显示的力最大可以达到55N，位置跟踪精度也非常高，但是操作空间非常有限，只 有约20mm。日本Miraisens开发出了一种可触摸的3D技术，该技术通过视觉图像和外戴于指 尖的振动装置协同作用，"欺骗"人脑的感觉系统，使人产生切实触摸到虚拟物体的错觉。
[0006] 中国专利"一种超声波触觉反馈系统及其制造方法"（申请号201510266849)公开 了一种基于电容式超声传感器的超声波触觉反馈系统，利用计算机控制超声发射信号加载 到电容式超声传感器阵列单元上，使传感器各个单元在空间中产生多种幅度和相位的超声 波辐射场，相互作用之后形成若干个声聚焦点构成所设定的虚拟物体形状，此时仪器将超 声波投射到手上时，人便可以感受到它，从而实现触觉反馈功能。该发明采用电容式超声传 感器，具有尺寸小、便于集成等优点，但电容式传感器辐射功率小，产生的声发射力小，触觉 反馈范围较小。另外，该发明未对手的位置进行检测，造成超声波聚焦能量的分散，影响触 觉反馈效果。
【发明内容】
[0007]本发明提供一种基于超声波聚焦的触觉反馈系统及方法，以解决目前存在的触觉 反馈系统作用范围小、操作不便、单点反馈的问题，具备手部位置检测、非接触触觉反馈、多 点触觉反馈等功能，其核心是三维超声波阵列定位和高精度超声波聚焦技术。超声波阵列 通过扫描方式获得手部位置，根据手部位置控制超声波阵列各传感器的驱动信号的延时， 在手部位置产生超声波聚焦，形成声发射力，该力作用于人的手部产生触觉感觉。
[0008]本发明采取的技术方案是，基于超声波聚焦技术，提供一种基于声发射力的多点 触觉反馈系统，该系统包括超声波传感器阵列、手部位置扫描定位电路、主控制电路、传感 器阵列聚焦电路，其中：
[0009] (1)超声波传感器阵列
[0010] 采用多个收发一体的超声波传感器构成超声波矩形或圆形阵列，超声波传感器采 用压电陶瓷超声波传感器，频率为40KHZ或者25KHZ，传感器的外径小于10mm;
[0011] (2)手部位置扫描电路
[0012] 包括收发控制电路和多点位置提取电路，收发控制电路用于控制超声波传感器的 发射和接收；
[0013]多点位置提取电路用于超声波阵列的位置扫描和位置信息的提取，多点位置提取 电路根据超声波传感器发射和接收的时间差，完成手部多点位置信息的提取，确定手部位 置；
[0014] (3)主控制电路
[0015]主控制电路包括主控制器、信号发生电路、接口电路，所述主控制器根据手部位置 信息，确定超声波聚焦点，根据聚焦点，计算出每个超声波传感器发射超声波的时延，将时 延送给相应传感器聚焦驱动电路，并产生同步信号，让各通道同步工作，实现多通道超声波 聚焦信号的控制，产生超声波聚焦；
[0016]所述信号发生电路包括正弦波、脉冲波、三角波发生电路以及调制电路，用于产生 超声波聚焦信号，调制后的信号由传感器阵列聚焦电路发送出去，实现聚焦，产生手部能够 感知的声发射力；
[0017] ⑷传感器阵列聚焦电路
[0018]用于完成各通道超声波聚焦信号的驱动及发射延时的控制，包括聚焦通道1~N， 每个聚焦通道均包括驱动电路、控制器；
[0019]驱动电路实现对超声波聚焦信号的放大，该部分电路同时也用作手部位置扫描的 超声波发射电路，只是发射的信号形式和增益不同。
[0020] 本发明所述手部位置扫描电路的收发控制电路用于每个超声波传感器的发射与 接收手部位置扫描信号，每个超声波传感器对应一个收发控制通道，若有N个超声波传感 器，则有N个收发控制通道，每个收发控制通道包括一个超声波接收电路、一个超声波接收 电路、一个收发切换电路及一个超声波传感器。
[0021]本发明提供一种基于超声波聚焦的触觉反馈方法，包括下列步骤：
[0022] (1)启动手部位置扫描，确定手部位置坐标；
[0023] (2)根据手部位置，确定超声波聚焦点个数K及各聚焦点坐标；
[0024] (3)计算各聚焦点与各传感器之间的距离，确定最小距离，并将距离最短的超声波 传感器作为参考阵元；
[0025] (4)计算聚焦点与各阵元距离与最短距离的距离差，并根据声速计算出相应的时 间差，也就是时延值；
[0026] (5)按照时延值大小顺序控制对应的超声波传感器发送超声波聚焦信号，参考阵 元最后发射超声波聚焦信号；
[0027] (6)完成一个聚焦点聚焦后，采用循环的方式，完成K个聚焦点的超声波聚焦。
[0028] (7)完成K个聚焦点超声波聚焦后，返回到步骤(1)。
[0029] 本发明一种基于超声波聚焦的触觉反馈方法的一种实施方式是:包括下列步骤：
[0030] (1)启动手部位置扫描，确定手部位置坐标；
[0031] (2)根据手部位置，确定K个超声波聚焦点及各聚焦点坐标Pk(Xk，yk,Zk);
[0032] (