[發明專利]一種基于超聲波聚焦的觸覺反饋系統及方法

在審

• 申請號: 201510833840.0
• 申請日: 2015-11-25
• 公開（公告）號: CN105426024A
• 公開（公告）日: 2016-03-23
• 發明（設計）人: 陳建;孫曉穎;林琳;王波;燕學智;溫泉
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G06F3/043
• 分類號: G06F3/043
• 代理公司: 吉林長春新紀元專利代理有限責任公司 22100
• 代理人: 魏征驥

技術領域

本發明涉及一種觸覺反饋系統及方法，具體涉及一種基于超聲波陣列聚焦技術的觸覺反饋系統，超聲波陣列通過掃描方式獲得手部位置，通過控制超聲波陣列的驅動信號在手部位置產生超聲波聚焦，形成聲發射力，該力作用于人的手部產生觸覺，本發明可用于人機交互、觸覺交互、三維圖像及視頻交互控制等領域。

背景技術

多年來,在人機交互領域的研究中人們主要關注視覺和聽覺,而忽略了其他感覺形態。隨著計算機性能的大幅提升,計算機交互途徑的局限已越來越突出,其他感覺形態的研究和應用也變得越來越重要。實驗心理學家赤瑞特拉(Treicher)通過大量的實驗證實，在日常生活中，對一個物體，人類獲得的信息中，83％來自視覺，11％來自聽覺，3.5％來自嗅覺，1.5％來自觸覺，1％來自味覺。視覺、聽覺和觸覺是人類感知外界信息的主要途徑，雖然觸覺所占的比例只有1.5％，但是其傳達的信息卻是獨一無二的，如物體的質地、重量、形狀等信息只能通過觸覺去感受。特別是對于物體質感與紋理的探知，觸覺幾乎是唯一的一種探知手段。另外，觸覺可以和視覺、聽覺信號同時被感知，并具有和聽覺一樣的全方向的感覺能力。

觸覺反饋技術能夠親手“觸摸”到電腦中本不存在的虛擬物品，實現觸覺交互技術與其它人機交互技術有機整合，將成為人機交互產品的必然趨勢。采用觸覺反饋技術，通過運算和模擬，人類對虛擬物體也有了觸覺感受，這樣的“感覺輸入”讓我們有理由相信很多生活方式的改變。

如今，3D視覺成像技術能夠讓人看到逼真的立體畫面，但卻留下了可望而不可即的遺憾。目前，國內外針對三維視覺對象的觸覺反饋技術主要采用觸摸方式或穿戴方式實現觸覺反饋。觸摸式觸覺反饋系統系統，3D顯示界面與觸摸界面分離，只能實現單點觸覺反饋，觸覺反饋效果不好。穿戴式觸覺反饋技術，需要穿戴特殊裝置去觸摸，操作不便。

現在比較成熟的也是研究最早的3D觸覺反饋技術主要是基于機械振動的原理實現的，代表性成果包括：美國的SensAble公司研制的基于機械結構的Phantom力反饋系統。瑞士ForceDimension公司的Omega和Delta系列的力觸覺設備，采用了獨特的Delta結構,能夠實現較高的作用力輸出和再現剛度能夠只通過一個可移動的部件實現六個自由度的力顯示。可顯示的力最大可以達到55N，位置跟蹤精度也非常高，但是操作空間非常有限，只有約20mm。日本Miraisens開發出了一種可觸摸的3D技術，該技術通過視覺圖像和外戴于指尖的振動裝置協同作用，“欺騙”人腦的感覺系統，使人產生切實觸摸到虛擬物體的錯覺。

中國專利“一種超聲波觸覺反饋系統及其制造方法”(申請號201510266849)公開了一種基于電容式超聲傳感器的超聲波觸覺反饋系統，利用計算機控制超聲發射信號加載到電容式超聲傳感器陣列單元上，使傳感器各個單元在空間中產生多種幅度和相位的超聲波輻射場，相互作用之后形成若干個聲聚焦點構成所設定的虛擬物體形狀，此時儀器將超聲波投射到手上時，人便可以感受到它，從而實現觸覺反饋功能。該發明采用電容式超聲傳感器，具有尺寸小、便于集成等優點，但電容式傳感器輻射功率小，產生的聲發射力小，觸覺反饋范圍較小。另外，該發明未對手的位置進行檢測，造成超聲波聚焦能量的分散，影響觸覺反饋效果。

發明內容

本發明提供一種基于超聲波聚焦的觸覺反饋系統及方法，以解決目前存在的觸覺反饋系統作用范圍小、操作不便、單點反饋的問題，具備手部位置檢測、非接觸觸覺反饋、多點觸覺反饋等功能，其核心是三維超聲波陣列定位和高精度超聲波聚焦技術。超聲波陣列通過掃描方式獲得手部位置，根據手部位置控制超聲波陣列各傳感器的驅動信號的延時，在手部位置產生超聲波聚焦，形成聲發射力，該力作用于人的手部產生觸覺感覺。

本發明采取的技術方案是，基于超聲波聚焦技術，提供一種基于聲發射力的多點觸覺反饋系統，該系統包括超聲波傳感器陣列、手部位置掃描定位電路、主控制電路、傳感器陣列聚焦電路，其中：

(1)超聲波傳感器陣列

采用多個收發一體的超聲波傳感器構成超聲波矩形或圓形陣列，超聲波傳感器采用壓電陶瓷超聲波傳感器，頻率為40KHz或者25KHz，傳感器的外徑小于10mm；

(2)手部位置掃描電路

包括收發控制電路和多點位置提取電路，收發控制電路用于控制超聲波傳感器的發射和接收；

多點位置提取電路用于超聲波陣列的位置掃描和位置信息的提取，多點位置提取電路根據超聲波傳感器發射和接收的時間差，完成手部多點位置信息的提取，確定手部位置；

(3)主控制電路