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CN107066096A - 一种基于超声相控阵的触觉感知装置及方法 - Google Patents

一种基于超声相控阵的触觉感知装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超声相控阵的触觉感知装置及方法，包括触觉感知控制端、相控阵控制单元、功率放大单元、相控阵超声换能器和声耦合与绝缘层。本发明通过触觉感知控制端将激励超声换能器各阵元发射超声波的激励信号指令传输至超声相控阵控制单元，由超声相控阵控制单元生成激励超声换能器各阵元发射超声波的激励信号，并将激励信号经由功率放大单元放大后输入至相控阵超声换能器各个阵元，驱动其发射超声波。通过控制相控阵超声换能器各个阵元激励信号的参数使得超声波聚集在需要产生触觉感知的空间位置，进而在目标位置产生触觉感知。

Description

一种基于超声相控阵的触觉感知装置及方法
技术领域
本发明属于触觉感知技术领域，涉及一种基于超声相控阵的触觉感知装置及方法。
背景技术
芯片技术的发展和制造工艺的不断进步使得消费者与研发人员对于智能设备的希望日益提升，也为虚拟现实与人机交互技术进入市场奠定了基础。各式各样的虚拟现实眼镜已经从视觉方面为虚拟现实与人机交互打开了新的思路，除了现有大部分虚拟现实和人机交互技术所具有的视觉感知外，理想的虚拟现实应该具有包括嗅觉、触觉和身体运动等在内的一切人类感知功能。
触觉感知长久以来一直是人类获取信息的重要来源，也是虚拟现实与人机交互技术的技术难点之一。到目前为止，已经出现了包括触觉反馈游戏手柄、体感服和触觉感知手套等在内的各种触觉感知装置与设备。但现有的大部分触觉感知装置与设备要么功能单一，用户体验较差，要么比较累赘，且使用繁琐，而且都需要人体与其他外界实物进行接触才能实现触觉感知。
超声波是一种频率高于20kHz的声波，具有指向性好和穿透能力强的特点，目前已经用于医疗、测距、工业探伤和清洗等多个领域。通过改变换能器形状等方式可以获得聚焦的声能量，高强度聚焦超声已经应用于癌症等疾病的治疗。由于超声波具有机械振动的特性，一定强度的聚焦超声在焦点处可以使人体感受到振动等触觉感知。
发明内容
本发明解决的问题在于提供一种基于超声相控阵的触觉感知装置及方法，用户在无需佩戴任何服饰装置条件下就可以在非接触的实现触觉感知。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种基于超声相控阵的触觉感知装置，包括：
触觉感知控制端101，根据触觉感知目标位置106坐标和触觉感知需求，给出激励超声换能器104的各阵元发射超声波的激励信号发射参数，并将激励信号发生指令传输至相控阵控制单元102；
相控阵控制单元102，接收触觉感知控制端101发出的激励信号指令，生成激励超声换能器104的各阵元发射超声波的激励信号，并将激励信号传输至功率放大单元103；
功率放大单元103，将相控阵控制单元102生成的激励信号经功率放大后输入至相控阵超声换能器104的各个阵元，驱动其发射超声波；
相控阵超声换能器104，由一定数目阵元按陈列或线阵排布构成；其接收功率放大单元103发出的高电压激励信号发射超声波，由各个阵元所发射出具有不同的发射延迟时间、振动振幅和相位的超声波，使得超声波聚集在需要产生触觉感知的目标位置106。
所述的触觉感知控制端101在接收到触觉感知触发指令后，确定或捕捉到触觉感知目标位置，并通过其位置坐标给出激励超声换能器各阵元发射超声波的激励信号，设置包括各阵元的超声波频率、发射延迟、振动振幅和相位在内的激励信号发射参数。
所述的相控阵超声换能器104，其超声波聚集产生的触觉感知的空间位置、数目和范围由触觉感知控制端101根据接收的指令，通过激励信号的设置而调节，且可随时间参数改变。
所述相控阵超声换能器104，其各阵元尺寸、数目以及排列方式可调，根据触觉感知需求而定；
阵元排列包括m×n的面阵、一定数目阵元形成的线阵、或者面阵和线阵的组合。
还包括声耦合与绝缘层105，用于匹配超声传播过程中传播介质与相控阵超声换能器阵元104声阻抗，使超声波能够传递到目标位置。
所述触觉感知控制端101直接接收用户的指令；
或者触觉感知控制端101嵌入到触觉感知智能设备中，整个触觉感知装置作为所嵌入的智能设备的功能部件进行使用。
一种基于超声相控阵的触觉感知方法，包括以下操作：
1)根据用户设定或位置传感器探测需要产生触觉感知的空间位置，一般为单个位置，也可以为多个位置，并在触觉感知控制端101給出所需的激励超声换能器各阵元发射超声波的激励信号，并将生成激励信号指令传输至超声相控阵控制单元；
2)超声相控阵控制单元102接收到上述激励信号指令后，生成激励超声换能器各阵元发射超声波的激励信号，并将激励信号传输至功率放大单元103：
3)经功率放大单元103的功率放大后，激励信号输入至相控阵超声换能器104各个阵元，驱动其发射超声波；通过控制相控阵超声换能器104各个阵元包括发射延迟、振动振幅和相位在内的激励信号的参数，使得超声波聚集在触觉感知目标位置106，从而在该位置实现触觉感知。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提出的一种基于超声相控阵技术的触觉感知装置及方法，可以单独或嵌入其他智能设备中使用。使用者身体无需佩戴其他服饰或装置，即可在没有任何实际物体存在的空间位置实现包括压力感知、虚拟按键感知和接触物面大小等在内的触觉感知。
本发明的触觉感知装置具有触觉感知空间范围大、装置简单和应用便捷等优势，可以应用于手机虚拟按键触觉反馈、人机交互和虚拟现实技术等多种领域。
附图说明
图1为本发明的触觉感知装置示意图；
其中，101：触觉感知控制端，102：相控阵控制单元，103：功率放大单元，104：相控阵超声换能器，105：声耦合与绝缘层，106：触觉感知目标位置。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明提出的一种基于超声相控阵的触觉感知装置，可以达到使人体在非实际接触条件下产生触觉体验。参见图1，本装置主要包括触觉感知控制端101、相控阵控制单元102、功率放大单元103、相控阵超声换能器104和声耦合与绝缘层105，图中106为触觉感知目标位置。
所述触觉感知控制端101主要用于接收用户或其他传感器指令，确定触觉感知目标位置，并通过位置坐标计算出所需的激励超声换能器各阵元发射超声波的激励信号，设置包括但不仅限于超声波频率、发射延迟、振动振幅和相位等在内的激励信号发射参数，并将激励信号发生指令传输至相控阵控制单元102。
所述相控阵控制单元102主要用于接收触觉感知控制端101发出的激励信号指令，生成激励超声换能器各阵元发射超声波的激励信号，并将激励信号传输至功率放大单元103。
所述功率放大单元103，用于将相控阵控制单元102生成的激励信号经功率放大后输入至相控阵超声换能器104各个阵元，驱动其发射超声波。
所述相控阵超声换能器104，用于接收功率放大单元103发出的高电压激励信号发射超声波。由于相控阵超声换能器104各个阵元所发射出的超声波具有不同的发射延迟时间、振动振幅和相位，使得超声波聚集在需要产生触觉感知的空间位置106，进而在该位置实现触觉感知。
所述相控阵超声换能器104，其产生的触觉感知的空间位置、数目和范围可以根据要求调节激励信号进行设置，且可随时间进行改变。
所述相控阵超声换能器104，其各阵元尺寸、数目以及排列方式应根据实际情况决定。阵元排列一般为m×n的面阵，也可为一定数目阵元形成的线阵。
所述声耦合与绝缘层105主要用于匹配超声传播过程中传播介质(一般为空气)与相控阵超声换能器阵元104声阻抗，使声波能够顺利传递到目标位置。
所述触觉感知控制端也可以嵌入其他智能设备，使整个装置作为其所嵌入的智能设备的一个功能部件进行使用。
本发明提出的是一种基于超声相控阵技术的触觉感知方法：
首先，根据用户设定或其他传感器探测需要产生触觉感知的空间位置(一般为单个位置，也可以为多个位置)，并在触觉感知控制端101计算出所需的激励超声换能器各阵元发射超声波的激励信号，并将生成激励信号指令传输至超声相控阵控制单元。超声相控阵控制单元102接收到上述激励信号指令后，生成激励超声换能器各阵元发射超声波的激励信号，并将激励信号传输至功率放大单元103，经功率放大后输入至相控阵超声换能器104各个阵元，驱动其发射超声波。通过控制相控阵超声换能器104各个阵元激励信号的参数(即发射延迟、振动振幅和相位等)使得超声波聚集在需要产生触觉感知的空间位置106，进而在该位置实现触觉感知。
本发明可以单独或嵌入其他智能设备中使用。使用者身体无需佩戴其他服饰或装置，即可在没有任何实际物体存在的空间位置实现包括压力感知、虚拟按键感知和接触物面大小等在内的触觉感知。
本发明的触觉感知装置具有触觉感知空间范围大、装置简单和应用便捷等优势，可以应用于手机虚拟按键触觉反馈、人机交互和虚拟现实技术等多种领域。
以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。本领域的技术人员根据本发明技术方案的技术特征所做出的任何非本质的添加、替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于超声相控阵的触觉感知装置，其特征在于，包括：
触觉感知控制端(101)，根据触觉感知目标位置(106)坐标和触觉感知需求，给出激励超声换能器(104)的各阵元发射超声波的激励信号发射参数，并将激励信号发生指令传输至相控阵控制单元(102)；
相控阵控制单元(102)，接收触觉感知控制端(101)发出的激励信号指令，生成激励超声换能器(104)的各阵元发射超声波的激励信号，并将激励信号传输至功率放大单元(103)；
功率放大单元(103)，将相控阵控制单元(102)生成的激励信号经功率放大后输入至相控阵超声换能器(104)的各个阵元，驱动其发射超声波；
相控阵超声换能器(104)，由一定数目阵元按陈列或线阵排布构成；其接收功率放大单元(103)发出的高电压激励信号发射超声波，由各个阵元所发射出具有不同的发射延迟时间、振动振幅和相位的超声波，使得超声波聚集在需要产生触觉感知的目标位置(106)。
2.如权利要求1所述的基于超声相控阵的触觉感知装置，其特征在于，所述的触觉感知控制端(101)在接收到触觉感知触发指令后，确定或捕捉到触觉感知目标位置，并通过其位置坐标给出激励超声换能器各阵元发射超声波的激励信号，设置包括各阵元的超声波频率、发射延迟、振动振幅和相位在内的激励信号发射参数。
3.如权利要求1所述的基于超声相控阵的触觉感知装置，其特征在于，所述的相控阵超声换能器(104)，其超声波聚集产生的触觉感知的空间位置、数目和范围由触觉感知控制端(101)根据接收的指令，通过激励信号的设置而调节，且可随时间参数改变。
4.如权利要求1所述的基于超声相控阵的触觉感知装置，其特征在于，所述相控阵超声换能器(104)，其各阵元尺寸、数目以及排列方式可调，根据触觉感知需求而定；
阵元排列包括m×n的面阵、一定数目阵元形成的线阵、或者面阵和线阵的组合。
5.如权利要求1所述的基于超声相控阵的触觉感知装置，其特征在于，还包括声耦合与绝缘层(105)，用于匹配超声传播过程中传播介质与相控阵超声换能器阵元(104)声阻抗，使超声波能够传递到目标位置。
6.如权利要求1所述的基于超声相控阵的触觉感知装置，其特征在于，所述触觉感知控制端(101)直接接收用户的指令；
或者触觉感知控制端(101)嵌入到触觉感知智能设备中，整个触觉感知装置作为所嵌入的智能设备的功能部件进行使用。
7.一种基于超声相控阵的触觉感知方法，其特征在于，包括以下操作：
1)根据用户设定或位置传感器探测需要产生触觉感知的空间位置，并在触觉感知控制端(101)给出所需的激励超声换能器各阵元发射超声波的激励信号，并将生成激励信号指令传输至超声相控阵控制单元；
2)超声相控阵控制单元(102)接收到上述激励信号指令后，生成激励超声换能器各阵元发射超声波的激励信号，并将激励信号传输至功率放大单元(103)；
3)经功率放大单元(103)的功率放大后，激励信号输入至相控阵超声换能器(104)各个阵元，驱动其发射超声波；通过控制相控阵超声换能器104各个阵元包括发射延迟、振动振幅和相位在内的激励信号的参数，使得超声波聚集在触觉感知目标位置(106)，从而在该位置实现触觉感知。
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