用于产生可触觉感知的区域的设备以及这种设备的配置和控制方法与流程

本发明涉及一种用于在交互空间内产生虚拟对象的可触觉感知的区域的设备，该设备具有大量的超声扬声器，这些超声扬声器的超声信号为此关于相位、频率和幅度方面是可协调的。

此外，本发明涉及用于配置和控制这种设备的方法。

背景技术：

如根据现有技术已知的那样对设备的操作通常通过开关、按钮、触摸区或其他物理操作元件来进行。通过操纵这样的操作元件，使用者经由自己的手或手指的触觉而获得直接的触觉反馈，使得可直接感知用于作用到操作元件上的压力和持续时间。

除了这样的可物理上领会的和有重量的设备以外，在过去这些年也已经创建了如下虚拟环境、尤其是虚拟现实（vr）、增强现实（ar）或全息环境，在这些环境中由适合的显示系统虚拟地示出可能的对象、设备和/或操作界面。这样的虚拟对象虽然是可视觉上和空间上感知的，但是并不能直接抓住并因此在触觉上感知或感受。

为了触觉感知虚拟对象，已经开发了开头提及的设备，这些设备借助于受控的超声扬声器关于其相位、频率和幅度方面在交互空间的能预给定的多个点处产生通过声音而触觉上可感知的区域。在此，该声音直接作用在手上并且在此方面是能感觉和感受的。具有多个超声扬声器的平面布置的这样的设备例如在wo2016/038347a1中被描述。

目前已知的用于产生虚拟对象的可触觉感知的区域的设备具有多个超声扬声器，这些超声扬声器平面地布置在共同的板上。如下交互空间在该板之上延伸，在该交互空间中能够产生可感觉的点或区域。而在实践中已证实为不利的是，将设备的所有超声扬声器布置在共同的板上，因为该板为了产生所期望的效果而必须具有比较多的超声扬声器并且因此必须构型得比较大，因此而使该板具有大的面积需求量，这种大的面积需求量并非在所有设备中都在所需位置、即交互空间之下可供使用。由此而使得对超声扬声器布置的最佳定位变得困难。此外，在尤其是用于产生全息环境的已知设备情况下，产生图像的设备的优选位置与超声扬声器的优选位置常常发生冲突，从而必须分别承受折衷，这会减小所产生的效果的精确度。最后，只能从一个方向刺激到与平面布置的超声扬声器进行交互的手，从而使在手扭转情况下手掌处的可感受效果减小或者完全消失。

因此，总体上并不能够令人满意地将已知的超声扬声器布置与同样已知的产生图像的设备相结合。此外，对超声扬声器或超声信号的手动配置被证实为是非常耗费的并且因此是时间密集的且易出错的。

技术实现要素：

由此出发，本发明的任务是说明一种设备和方法，利用其能够使交互空间灵活地适配于在其中由产生图像的设备创建虚拟对象的空间。此外，应该简化超声信号的配置。

该任务首先通过根据权利要求1的设备得以解决。根据本发明规定：这些超声扬声器单独地或者成组地形成多个模块，这些模块能够如此定位在交互空间处或者被布置在交互空间处，使得

a）一个模块的至少一个超声扬声器与另一模块的至少一个超声扬声器成角度地定向，和/或

b）模块的至少一个超声扬声器与其他超声扬声器的共同平面有间距，和/或

c）这些模块彼此间具有可选择的间距。

通过所述可定位性并且因此通过具有超声扬声器的各个模块的可自由选择的位置，可以将该设备最佳地适配于现有的结构空间，因此避免了产生图像的设备的优选位置与产生触觉的设备的优选位置的冲突。通过相对彼此以任意的方式尤其是成角度的方式布置各个扬声器和/或模块而在空间中对如下模块进行最佳的、三维的取向，其中这些模块能够布置在交互空间之外的任意位置并且能够以所期望的定向而取向。因此，可以在最佳地充分利用可用结构空间的情况下实现用于产生触觉反馈的设备的个性化设计。此外，具有基本上可自由定位的模块的所述设备具有最小的空间需求量并且尤其是能够通过对各个模块的定向的可调整性而实现触觉效果强度的高度可个性化。

在下文中并且在从属权利要求中对本发明优选的构型方案予以描述。

根据第一优选构型方案而规定：将模块的这些超声扬声器布置在共同的模块平面上。优选地，模块的这些超声扬声器在此具有彼此平行取向的定向。这种模块的具体构型方案虽然特别是关于超声扬声器的数量和布置方面并非被预给定的并且基本上是任意的，但是在实践中已证明为有利的是超声扬声器的矩阵形布置。特别地，例如4×4超声扬声器的方块矩阵布置是优选的。

根据本发明的一种有利实施方式，所述设备具有至少三个模块，这些模块的模块平面彼此成角度地取向。由此，这些模块可以根据结构空间以最佳的方式围绕所述交互空间布置并对准所述交互空间。

为了根据模块和布置在模块上的超声扬声器的独特的位置和定向来配置所述设备，优选地设置控制单元以及所述控制单元上包含的软件（固件）和编程接口（api）。所述控制设备根据独特的模块位置和模块定向计算关于自身的相位、频率和幅度方面独特的超声信号，以便在所述交互空间中在任意点处产生具有触觉反馈的区域。在此，如果应当在多个位置处产生这样的区域，则由现有模块形成合适的组，这些组被分配给特定点并且在该位置处产生触觉反馈。由于利用这些模块的当前三维布置从三个不同方向生成所述触觉区域，因此在手定向不同的情况下也可以感觉到所述触觉区域，并且可以有效地避免所述交互空间内的可能遮蔽区域。

对整个设备的控制并且因此对各个模块的控制是通过控制单元而实现的，从而在此情况下能够使用简单的以及因此而价格便宜的模块。为了保证时间上正确地操控所有模块，在此情况下所有线路长度和信号传播时间必须是已知的或同样长的。

替代地规定，每个模块具有用于配置和/或操控模块的超声扬声器以及用于与所述控制单元通信的单独的微控制器。由此得到模块与构造为主控制设备的控制单元的最佳联网，并且可以经由有实时能力的总线系统进行所述通信。

根据本发明的特别优选的构型方案，设置多个超声麦克风，所述多个超声麦克风直接布置在所述模块上或在空间中自由地布置。通过所述超声麦克风而得出：所述设备的简单的自动可配置性，并且所述超声麦克风还可以用作三维声学摄像机，利用所述三维声学摄像机可以识别、标识并且通过连续地确定位置来跟踪所述交互空间内的对象。由此可以省去本来需要的图像检测设备，例如立体摄像机形式的图像检测设备。详细地，在描述根据本发明的方法时会对其进一步进行探讨。

本发明所基于的任务补充性地通过根据权利要求9所述的方法而得以解决。根据本发明于是规定：为了配置该设备而使这些模块相继发出经定义的测试信号，这些测试信号直接和/或在一个或多个反射体上的反射之后被该超声麦克风记录，其中所述超声麦克风直接布置在所述模块上和/或在空间中自由地布置，从而根据所记录的测试信号的传播时间和/或强度得出所述模块和超声麦克风的相对位置和定向。在考虑所述模块以及布置在所述模块上的超声麦克风的如此确定和已知的位置和定向的情况下，所述模块的超声信号可以有利地关于自身的相位、频率和幅度方面得以协调，使得能够在所述交互空间内的任意位置处产生可触觉感知的区域。通过所述超声麦克风来对所述设备进行自校准，由此简化了所述设备的配置，所述配置能够基本上自动地在无需手动预给定的情况下执行。在此，所述配置的精度和分辨率随着模块和/或超声麦克风数量的增加而上升。因此优选地设置至少三个超声麦克风，它们能够以基本上自由地在空间中分布的方式来布置。在超声麦克风可自由定位的情况下还得出以下优点：所述位置不限于模块位置并且因此可以任意增加所使用的超声麦克风的数量和不同的方向，即超声麦克风与测量体的角度，由此增大了识别范围并且增大了所述方法的精度。

除了所述设备的配置之外补充性地，所述超声麦克风还可以用作声学摄像机，利用所述声学摄像机能够识别、标识和通过连续地确定位置而跟踪所述交互空间内的对象。为此优选地规定，由超声麦克风记录来自所述交互空间内的静止或运动的对象的反射、例如插入所述交互空间内的手的反射，并且根据所反射的信号确定所述对象的位置、形状和运动。为了识别和跟踪所述交互空间内的对象，可以使用本来就为了产生触觉效果而由超声扬声器发出的超声频率。替代地，也可以使用与此不同的其他频率。

最后，根据本发明的优选构型方案而规定：可以通过现有的分类算法来确定对象，其中所述分类算法将所反射的信号与现有的并且与对象相关的数据组进行比较，并且在存在一致性的情况下允许对所述对象进行明确分配。由此还实现了对所述交互空间内的对象进行特定的和有针对性的刺激。

附图说明

本发明的具体构型方案接下来参照附图而予以阐述，该附图示出用于利用大量的超声扬声器而在交互空间内产生虚拟对象的可触觉感知的区域的设备的示意图。

具体实施方式

所示出的设备1具有多个以柱形表示的超声扬声器2、2’，这些超声扬声器在当前实施例中成组地形成总共25个模块3、3’，这些模块分别具有16个超声扬声器2、2’。所示的设备总共具有400个超声扬声器2、2’。各个模块3、3’的超声扬声器2、2'分别以具有4×4超声扬声器2、2'的矩阵的形式布置在共同的模块板4上并且彼此平行取向。模块板4被构造为平的并且形成模块平面。模块3、3'环形地并且相对于水平线成角度地布置，使得一个模块3的至少一个超声扬声器2与另一模块3'的至少一个超声扬声器2'成角度地定向并且与其他超声扬声器的共同平面有间距。由此，模块3、3'和超声扬声器2、2'基本上可自由定位，并且在所示出的实施例中对准布置在其上方的交互空间6的中心。

为了配置和控制该设备1，这些模块3、3’至少部分地具有超声麦克风5，其中在本实施方式中仅示例性地示出了三个超声麦克风5。为了提高配置和控制方法的精度，优选地所有模块3、3'都具有至少一个超声麦克风5。超声麦克风5为了配置而接收由模块3、3'相继发出的并且可能在反射体（未示出）上被反射的测试信号。通过所记录的信号，特别是这些信号的频率和幅度可以明确地确定各个模块3、3'的位置和定向，从而使这些超声信号能够关于自身的相位、频率和幅度方面如此被调整，使得在交互空间6内的任意位置处都能够产生具有可触觉感知的区域的点。在该图中，具有可能的触觉反馈的交互空间6基本上以部分球形的方式示出，其中该交互空间6的形状还取决于模块3、3'的具体且可自由选择的布置。

在交互空间6本身中，可以在任意位置处产生可触觉感觉到的区域，这些区域可以由具有伸入到交互空间6中的手7的人感知。由超声麦克风5记录超声信号在手7或另一对象上的反射，从而可以根据所反射的信号而确定手7在交互空间6中的运动。

为了控制和配置设备1而设置控制单元8和编程接口9。该控制单元8在所示实施例中这样与该设备1连接，使得这些控制信号直接由该控制单元8发送到各个模块3、3’。替代地，这些模块3、3’也可以具有单独的微控制器（未示出），这些微控制器为了控制目的而一方面与这些模块3、3’连接并且另一方面与该控制单元8连接。

附图标记列表

1设备

2、2’超声扬声器

3、3’模块

4模块板

5超声麦克风

6交互空间

7手

8控制单元

9编程接口。