一种触觉反馈鞋的制作方法

本实用新型涉及虚拟现实技术领域，更具体地，本实用新型涉及一种触觉反馈鞋。

背景技术：

虚拟现实技术简称VR技术，其是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供用户关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让用户如同身临其境一般，可以及时、没有限制地观察三维空间内的事务。

对于触觉的模拟，目前大部分头戴式显示器(Head Mount Display，HMD)主要关注手部的触觉反馈，鲜有脚部反馈的相关硬件。

目前，已有的脚部反馈方案是在脚趾、脚后跟和前脚掌处各配置一个马达来提示物体的硬度。该种脚部反馈方案存在的问题是：1)难以产生较高分辨率的触感，没有精准性，例如无法感知虚拟现实中脚下物体的轮廓等；2)难以产生多点触觉反馈，例如无法模拟场景中为雨花石地面等。因此，现有的脚部反馈方案无法为用户提供较好的沉浸感体验。

技术实现要素：

本实用新型实施例的一个目的是提供一种触觉反馈鞋，以提供更为精准的脚部触觉反馈。

根据本实用新型的第一方面，提供了一种触觉反馈鞋，其包括鞋体、超声波扬声器阵列、用于控制所述超声波扬声器阵列的功能电路、及用于为所述功能电路供电的电源装置，所述功能电路包括用于感应脚部姿态的惯性测量单元，其中，所述功能电路组装在电路板上，所述超声波扬声器阵列设置在所述鞋体的鞋垫层，所述电源装置和所述电路板均设置在所述鞋体中。

可选的是，所述鞋垫层包括脚趾区、前脚掌区、脚后跟区和足弓区，所述超声波扬声器阵列包括设置在所述脚趾区、前脚掌区、脚后跟区和足弓区的超声波扬声器。

可选的是，所述超声波扬声器阵列的所有超声波扬声器在所述鞋垫层成行排列。

可选的是，所述电路板设置在所述超声波扬声器阵列的下方。

可选的是，所述惯性测量单元包括陀螺仪、加速度计和地磁传感器中的至少一种。

可选的是，所述电源装置包括电池，所述电池位于所述超声波扬声器阵列的下方，且所述电池具有与所述鞋体的鞋底相适配的形状。

可选的是，所述电源装置包括柔性电池，所述柔性电池嵌于所述鞋体的鞋帮中。

可选的是，所述功能电路具有USB接口和电源管理芯片，所述电源管理芯片具有电源输出电路和充电电路；所述电源装置经由所述电源输出电路为所述功能电路供电，所述USB接口经由所述充电电路与所述电源装置连接，所述电源管理芯片和所述USB接口分别与所述功能电路的主控单元通信连接。

可选的是，所述功能电路具有通信模块。

可选的是，所述功能电路具有与所述超声波扬声器阵列的每一超声波扬声器一一对应的控制通道。

本实用新型的一个有益效果在于，本实用新型的触觉反馈鞋通过超声波扬声器阵列提供触觉反馈，由于超声波扬声器输出的“声发射力”具有指向性强和分辨率高的特点，因此能够提供更为精准的触觉反馈；另外，超声波扬声器阵列通过在多点布置超声波扬声器能够提供多点触觉反馈，因此能够模拟更多的场景；再者，本实用新型的触觉反馈鞋设置有惯性测量单元感应脚部姿态，这能够为超声波扬声器阵列的控制提供数据支持，进而实现更精准的模拟，提高沉浸感。

通过以下参照附图对本实用新型的示例性实施例的详细描述，本实用新型的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本实用新型的实施例，并且连同其说明一起用于解释本实用新型的原理。

图1为根据本实用新型触觉反馈鞋的一种实施例的结构示意图；

图2为根据本实用新型触觉反馈鞋的一种实施例的外观结构示意图；

图3为超声波扬声器阵列的各超声波扬声器的一种排布结构示意图。

图4为功能电路的一种实施例的方框原理图；

图5为通过本实用新型触觉反馈鞋模拟草地情景模式的一种控制方式的示意图；

图6a、图6b为通过本实用新型触觉反馈鞋模拟砂石路情景模式的一种控制方式的示意图。

附图标记说明：

1-鞋体； 101-鞋垫层；

102-鞋帮； 103-鞋底；

2-超声波扬声器阵列； 201、201a、2011～201N：超声波扬声器；

3-电路板； 4-电源装置；

5-功能电路； 501-主控单元；

502-通信模块； 503-信号存储单元；

5041～504N-驱动电路； 505-惯性测量单元。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本实用新型的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图1是根据本实用新型触觉反馈鞋的一种实施例的内部结构示意图。图2是根据本实用新型触觉反馈鞋的一种实施例的外观结构示意图。

根据图1所示，本实用新型的触觉反馈鞋包括鞋体1、超声波扬声器阵列2、用于控制超声波扬声器阵列2的功能电路、及用于为功能电路供电的电源装置4。

该超声波扬声器阵列2设置在鞋体1的鞋垫层101，以在鞋垫层101为用户提供直接的脚部触觉反馈。

该鞋垫层101包括脚趾区、前脚掌区、脚后跟区和足弓区，该超声波扬声器阵列2可以包括位于每一区的超声波传感器，以在脚部的各个区提供多点触觉反馈。

图3示出了超声波扬声器阵列2的各超声波传感器在鞋垫层101上的排布结构。

根据图3所示，各超声波传感器201在鞋垫层101上成行排列。每一行上的超声波传感器201的数量可以相同，也可以不相同。相邻行之间的间距可以相等，也可以不相等，例如，由于脚趾区的面积较小，因此，在脚趾区的相邻行之间可以具有较小的间距。

对于图3所示的各超声波传感器201成行排列的实施例，能够方便功能电路进行落地、抬脚等动作的模拟控制。

在另外的实施例中，超声波扬声器阵列2的至少部分超声波扬声器可以成圈排列。

该电源装置4设置在鞋体1中。

该电源装置4可以包括电池。该电池可以是锂电池。该电池可以是硬质电池，也可以是柔性电池。

该电池可以位于超声波扬声器阵列2的下方，即位于鞋体1的位于鞋垫层101下方的鞋底103中。

该电池可以具有与鞋底103相适配的形状，以尽可能地增大电池的容量，延长续航时间。

在电池是硬质电池的实施例中，该鞋体1可以包括设置在鞋底103中的上固定板和下固定板，并将电池夹设在上固定板与下固定板之间，以保证电池不会在运动过程中发生形变。

在电池是柔性电池的实施例中，还可以将柔性电池嵌入鞋体1的鞋帮102中。

在另外的实施例中，该电源装置4也可以是自发电装置。

该自发电装置例如可以是将动能转换为电能的装置或者将太阳能转换为电能的装置等。

上述功能电路组装在电路板3上，该电路板3设置在鞋体1中，例如设置在超声波扬声器阵列2的下方。

在图1所示的实施例中，超声波扬声器阵列2、电路板3和电源装置4从上至下依次设置。

该功能电路用于控制超声波扬声器阵列2输出与当前的情景路况相匹配的声发射力，进而实现脚部触觉反馈。

图4示出了功能电路的一种实施例的方框原理图。

根据图4所示，该功能电路5可以包括主控单元501、信号存储单元503、通信模块502和驱动电路。

该通信模块502用于建立触觉反馈鞋与上位机之间的通信连接，以进行控制指令、数据等的传输。

该通信模块502可以是无线通信模块，例如WIFI模块、蓝牙模块等。

该通信模块502也可以是进行有线连接的模块，例如USB驱动模块，该USB驱动模块也可以集成在主控单元501中。

该功能电路5可以具有USB接口和电源管理芯片(图中未示出)，该电源管理芯片具有电源输出电路和充电电路。电源装置4经由电源输出电路为功能电路5供电，USB接口经由充电电路与电源装置4连接，以通过USB接口为电源装置4充电。电源管理芯片和USB接口分别与主控单元501通信连接。

该电源管理芯片的工作方式可以为：

电源管理芯片在检测到USB接口的VBUS引脚上电后，与插入USB接口的外部设备进行充电协议的交互，交互之后，如果判断插入外部设备是充电器，则打开充电电路，使充电器为电源装置4充电；如果判断插入的外部设备为PC机(USB host)，则通过与主控单元501之间的通信通道通知主控单元，以使主控单元501与外部设备建立USB连接。

该功能电路5可以包括与超声波传感器一一对应的驱动电路，以能够单独控制每一超声波传感器，进而使得每一超声波传感器能够输出不同的声发射力来模拟不同的场景。

在图4所示的实施例中，超声波传感器阵列2具有N个超声波传感器，分别为超声波传感器2011、2012……201N，对应地，功能电路5具有N个驱动电路，分别为驱动电路5041、5042……504N。

这样，主控单元501可以通过N个引脚分别输出N路控制信号至对应的驱动电路5041、5042……504N，形成N路控制通道与N个超声波扬声器一一对应。

该功能电路5可通过但不局限于以下几种方式控制超声波传感器阵列2产生声发射力。

方式一包括如下步骤：

步骤S201，通信模块502接收上位机发送的路况情景信息，并将接收到的路况情景路况信息传输至主控单元501。

步骤S202，主控单元501解析路况情景信息得到具体的情景模式和具体的路况，其中，情景模式例如包括草地情景模式、砂石路情景模式、沙滩情景模式等，该路况包括上坡路况、下坡路况等。

步骤S203，主控单元501根据解析出的情景模式，从信号存储单元503中读取与解析出的情景模式相对应的控制信号信息，作为基础控制信号信息。

步骤S204，主控单元501获取惯性测量单元505(Inertial measurement unit，IMU)感应到的脚部姿态数据。

步骤S205，主控单元501根据解析出的路况和脚部姿态数据修正基础控制信号信息，得到修正后的控制信号信息。

以上控制信号信息具体指电信号的脉冲、电信号的频率、或者二者的组合。

该惯性测量单元505是测量脚部姿态角(或角速率)以及加速度的装置，其可以包括陀螺仪、加速度计、地磁传感器等。

该惯性测量单元505例如可以包括三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺仪。

步骤S206，根据修正后的控制信号信息输出N路控制信号至对应的驱动电路，以控制对应的超声波传感器产生声发射力。

方式三包括如下步骤：

步骤S301，通信模块502接收上位机发送的控制信号信息，并将接收到的控制信号信息传输至主控单元501。

步骤S302，主控单元501根据接收到的控制信号信息输出N路控制信号至对应的驱动电路，以控制对应的超声波传感器产生声发射力。

在方式三中，所有的处理都在上位机中进行，上位机直接将处理得到的控制信号信息发送给功能电路5。

在方式三中，主控单元501可将惯性测量单元505感应到的脚部姿态数据通过通信模块502发送至上位机，以供上位机处理得到控制信号信息。

图5以草地情景模式为例，说明控制信号的一种实施方式。

根据图5所示，在草地情景模式下，各路控制信号的强度随着脚部位置的下落逐渐增强，控制信号的周期较短，但频率较为舒缓，以模拟草地的弹性触感。对于草地情景模式，各路控制信号在同一时刻可以具有较小的差异。

图6a、图6b以砂石路情景模式为例，说明控制信号的一种实施方式。

对于砂石路情景模式，需要设置各路控制信号有强有弱，以模拟颗粒感。

根据图6a所示，这可以是将超声波传感器阵列2中的部分超声波传感器201a作为较高频超声波扬声器，而将其他超声波传感器作为较低频超声波扬声器，以在对应超声波传感器201a的部分形成路面的凸起，进而实现层次感的模拟。

根据图6b所示，在砂石路情景模式下，各路控制信号的强度同样随着脚部位置的下落逐渐增强，但各路控制信号的频率和强度均较草地情景模式有所增强。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分相互参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，而且各个实施例可以根据需要单独使用或者相互结合使用。

虽然已经通过例子对本实用新型的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本实用新型的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本实用新型的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本实用新型的范围由所附权利要求来限定。