本發(fā)明屬于觸覺感知技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于超聲相控陣的觸覺感知裝置及方法。

背景技術(shù)：

芯片技術(shù)的發(fā)展和制造工藝的不斷進(jìn)步使得消費(fèi)者與研發(fā)人員對于智能設(shè)備的希望日益提升，也為虛擬現(xiàn)實(shí)與人機(jī)交互技術(shù)進(jìn)入市場奠定了基礎(chǔ)。各式各樣的虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡已經(jīng)從視覺方面為虛擬現(xiàn)實(shí)與人機(jī)交互打開了新的思路，除了現(xiàn)有大部分虛擬現(xiàn)實(shí)和人機(jī)交互技術(shù)所具有的視覺感知外，理想的虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)該具有包括嗅覺、觸覺和身體運(yùn)動等在內(nèi)的一切人類感知功能。

觸覺感知長久以來一直是人類獲取信息的重要來源，也是虛擬現(xiàn)實(shí)與人機(jī)交互技術(shù)的技術(shù)難點(diǎn)之一。到目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)了包括觸覺反饋游戲手柄、體感服和觸覺感知手套等在內(nèi)的各種觸覺感知裝置與設(shè)備。但現(xiàn)有的大部分觸覺感知裝置與設(shè)備要么功能單一，用戶體驗(yàn)較差，要么比較累贅，且使用繁瑣，而且都需要人體與其他外界實(shí)物進(jìn)行接觸才能實(shí)現(xiàn)觸覺感知。

超聲波是一種頻率高于20khz的聲波，具有指向性好和穿透能力強(qiáng)的特點(diǎn)，目前已經(jīng)用于醫(yī)療、測距、工業(yè)探傷和清洗等多個領(lǐng)域。通過改變換能器形狀等方式可以獲得聚焦的聲能量，高強(qiáng)度聚焦超聲已經(jīng)應(yīng)用于癌癥等疾病的治療。由于超聲波具有機(jī)械振動的特性，一定強(qiáng)度的聚焦超聲在焦點(diǎn)處可以使人體感受到振動等觸覺感知。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的問題在于提供一種基于超聲相控陣的觸覺感知裝置及方法，用戶在無需佩戴任何服飾裝置條件下就可以在非接觸的實(shí)現(xiàn)觸覺感知。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種基于超聲相控陣的觸覺感知裝置，包括：

觸覺感知控制端101，根據(jù)觸覺感知目標(biāo)位置106坐標(biāo)和觸覺感知需求，給出激勵超聲換能器104的各陣元發(fā)射超聲波的激勵信號發(fā)射參數(shù)，并將激勵信號發(fā)生指令傳輸至相控陣控制單元102；

相控陣控制單元102，接收觸覺感知控制端101發(fā)出的激勵信號指令，生成激勵超聲換能器104的各陣元發(fā)射超聲波的激勵信號，并將激勵信號傳輸至功率放大單元103；

功率放大單元103，將相控陣控制單元102生成的激勵信號經(jīng)功率放大后輸入至相控陣超聲換能器104的各個陣元，驅(qū)動其發(fā)射超聲波；

相控陣超聲換能器104，由一定數(shù)目陣元按陳列或線陣排布構(gòu)成；其接收功率放大單元103發(fā)出的高電壓激勵信號發(fā)射超聲波，由各個陣元所發(fā)射出具有不同的發(fā)射延遲時間、振動振幅和相位的超聲波，使得超聲波聚集在需要產(chǎn)生觸覺感知的目標(biāo)位置106。

所述的觸覺感知控制端101在接收到觸覺感知觸發(fā)指令后，確定或捕捉到觸覺感知目標(biāo)位置，并通過其位置坐標(biāo)給出激勵超聲換能器各陣元發(fā)射超聲波的激勵信號，設(shè)置包括各陣元的超聲波頻率、發(fā)射延遲、振動振幅和相位在內(nèi)的激勵信號發(fā)射參數(shù)。

所述的相控陣超聲換能器104，其超聲波聚集產(chǎn)生的觸覺感知的空間位置、數(shù)目和范圍由觸覺感知控制端101根據(jù)接收的指令，通過激勵信號的設(shè)置而調(diào)節(jié)，且可隨時間參數(shù)改變。

所述相控陣超聲換能器104，其各陣元尺寸、數(shù)目以及排列方式可調(diào)，根據(jù)觸覺感知需求而定；

陣元排列包括m×n的面陣、一定數(shù)目陣元形成的線陣、或者面陣和線陣的組合。

還包括聲耦合與絕緣層105，用于匹配超聲傳播過程中傳播介質(zhì)與相控陣超聲換能器陣元104聲阻抗，使超聲波能夠傳遞到目標(biāo)位置。

所述觸覺感知控制端101直接接收用戶的指令；

或者觸覺感知控制端101嵌入到觸覺感知智能設(shè)備中，整個觸覺感知裝置作為所嵌入的智能設(shè)備的功能部件進(jìn)行使用。

一種基于超聲相控陣的觸覺感知方法，包括以下操作：

1)根據(jù)用戶設(shè)定或位置傳感器探測需要產(chǎn)生觸覺感知的空間位置，一般為單個位置，也可以為多個位置，并在觸覺感知控制端101給出所需的激勵超聲換能器各陣元發(fā)射超聲波的激勵信號，并將生成激勵信號指令傳輸至超聲相控陣控制單元；

2)超聲相控陣控制單元102接收到上述激勵信號指令后，生成激勵超聲換能器各陣元發(fā)射超聲波的激勵信號，并將激勵信號傳輸至功率放大單元103：

3)經(jīng)功率放大單元103的功率放大后，激勵信號輸入至相控陣超聲換能器104各個陣元，驅(qū)動其發(fā)射超聲波；通過控制相控陣超聲換能器104各個陣元包括發(fā)射延遲、振動振幅和相位在內(nèi)的激勵信號的參數(shù)，使得超聲波聚集在觸覺感知目標(biāo)位置106，從而在該位置實(shí)現(xiàn)觸覺感知。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

本發(fā)明提出的一種基于超聲相控陣技術(shù)的觸覺感知裝置及方法，可以單獨(dú)或嵌入其他智能設(shè)備中使用。使用者身體無需佩戴其他服飾或裝置，即可在沒有任何實(shí)際物體存在的空間位置實(shí)現(xiàn)包括壓力感知、虛擬按鍵感知和接觸物面大小等在內(nèi)的觸覺感知。

本發(fā)明的觸覺感知裝置具有觸覺感知空間范圍大、裝置簡單和應(yīng)用便捷等優(yōu)勢，可以應(yīng)用于手機(jī)虛擬按鍵觸覺反饋、人機(jī)交互和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等多種領(lǐng)域。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的觸覺感知裝置示意圖；

其中，101：觸覺感知控制端，102：相控陣控制單元，103：功率放大單元，104：相控陣超聲換能器，105：聲耦合與絕緣層，106：觸覺感知目標(biāo)位置。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體的實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。

本發(fā)明提出的一種基于超聲相控陣的觸覺感知裝置，可以達(dá)到使人體在非實(shí)際接觸條件下產(chǎn)生觸覺體驗(yàn)。參見圖1，本裝置主要包括觸覺感知控制端101、相控陣控制單元102、功率放大單元103、相控陣超聲換能器104和聲耦合與絕緣層105，圖中106為觸覺感知目標(biāo)位置。

所述觸覺感知控制端101主要用于接收用戶或其他傳感器指令，確定觸覺感知目標(biāo)位置，并通過位置坐標(biāo)計(jì)算出所需的激勵超聲換能器各陣元發(fā)射超聲波的激勵信號，設(shè)置包括但不僅限于超聲波頻率、發(fā)射延遲、振動振幅和相位等在內(nèi)的激勵信號發(fā)射參數(shù)，并將激勵信號發(fā)生指令傳輸至相控陣控制單元102。

所述相控陣控制單元102主要用于接收觸覺感知控制端101發(fā)出的激勵信號指令，生成激勵超聲換能器各陣元發(fā)射超聲波的激勵信號，并將激勵信號傳輸至功率放大單元103。

所述功率放大單元103，用于將相控陣控制單元102生成的激勵信號經(jīng)功率放大后輸入至相控陣超聲換能器104各個陣元，驅(qū)動其發(fā)射超聲波。

所述相控陣超聲換能器104，用于接收功率放大單元103發(fā)出的高電壓激勵信號發(fā)射超聲波。由于相控陣超聲換能器104各個陣元所發(fā)射出的超聲波具有不同的發(fā)射延遲時間、振動振幅和相位，使得超聲波聚集在需要產(chǎn)生觸覺感知的空間位置106，進(jìn)而在該位置實(shí)現(xiàn)觸覺感知。

所述相控陣超聲換能器104，其產(chǎn)生的觸覺感知的空間位置、數(shù)目和范圍可以根據(jù)要求調(diào)節(jié)激勵信號進(jìn)行設(shè)置，且可隨時間進(jìn)行改變。

所述相控陣超聲換能器104，其各陣元尺寸、數(shù)目以及排列方式應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況決定。陣元排列一般為m×n的面陣，也可為一定數(shù)目陣元形成的線陣。

所述聲耦合與絕緣層105主要用于匹配超聲傳播過程中傳播介質(zhì)(一般為空氣)與相控陣超聲換能器陣元104聲阻抗，使聲波能夠順利傳遞到目標(biāo)位置。

所述觸覺感知控制端也可以嵌入其他智能設(shè)備，使整個裝置作為其所嵌入的智能設(shè)備的一個功能部件進(jìn)行使用。

本發(fā)明提出的是一種基于超聲相控陣技術(shù)的觸覺感知方法：

首先，根據(jù)用戶設(shè)定或其他傳感器探測需要產(chǎn)生觸覺感知的空間位置(一般為單個位置，也可以為多個位置)，并在觸覺感知控制端101計(jì)算出所需的激勵超聲換能器各陣元發(fā)射超聲波的激勵信號，并將生成激勵信號指令傳輸至超聲相控陣控制單元。超聲相控陣控制單元102接收到上述激勵信號指令后，生成激勵超聲換能器各陣元發(fā)射超聲波的激勵信號，并將激勵信號傳輸至功率放大單元103，經(jīng)功率放大后輸入至相控陣超聲換能器104各個陣元，驅(qū)動其發(fā)射超聲波。通過控制相控陣超聲換能器104各個陣元激勵信號的參數(shù)(即發(fā)射延遲、振動振幅和相位等)使得超聲波聚集在需要產(chǎn)生觸覺感知的空間位置106，進(jìn)而在該位置實(shí)現(xiàn)觸覺感知。

本發(fā)明可以單獨(dú)或嵌入其他智能設(shè)備中使用。使用者身體無需佩戴其他服飾或裝置，即可在沒有任何實(shí)際物體存在的空間位置實(shí)現(xiàn)包括壓力感知、虛擬按鍵感知和接觸物面大小等在內(nèi)的觸覺感知。

本發(fā)明的觸覺感知裝置具有觸覺感知空間范圍大、裝置簡單和應(yīng)用便捷等優(yōu)勢，可以應(yīng)用于手機(jī)虛擬按鍵觸覺反饋、人機(jī)交互和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等多種領(lǐng)域。

以上給出的實(shí)施例是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明較優(yōu)的例子，本發(fā)明不限于上述實(shí)施例。本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案的技術(shù)特征所做出的任何非本質(zhì)的添加、替換，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。