[发明专利]一种辅助盲人感知的超声波触觉反馈系统及其方法

说明书

本发明公开了一种辅助盲人感知的超声波触觉反馈系统及其方法，包括生成焦点时间序列的PC端；微控制器储存焦点信息；FPGA控制器完成焦点在不同单元坐标系下的转换；超声波相控阵控制由超声相控阵包围的腔中的声压分布，通过驱动信号对各单元超声波换能器的作用在空间形成多个触觉点或立体图形，实现静止且可自由触摸的空中虚拟盲文点；根据焦点坐标通过相位延迟的方式将发射调制的超声波聚焦在焦点处，使人获得触觉感知以表明当前手势任务已顺利完成；手部位置捕捉传感器捕捉到识别位置信息，PC端即发送下一组控制信号，完成信息的实时更新显示。本发明能够在空间形成静止的盲文信息，可快速改变，实时切换，盲人可以非接触式触摸感知。

技术领域

本发明属于空间体积成像技术领域，具体涉及一种辅助盲人感知的超声波触觉反馈系统及其方法。

背景技术

盲人需要感受一个比自己日常生活更加立体、更加丰富的世界。通过触摸可以让他们感受到动物、植物、天体、建筑等大千世界的万物。一般的触摸展览中需要各种各样的展品件数很多。日常的通过触摸学习也是通过平面的二维触摸图像，或者特制的三维模型感知。目前，为了帮助盲人触摸感知，由轨道研究和美国盲人印刷所的团队开发出电子触摸屏包含可调节不同高度2400个等距引脚。可变高度引脚能描绘几何图形、饼图、条线图、平面图。VR手套通过振动的形式向用户发送反馈，是一种穿戴式设备。

触觉界面通过触觉振动反馈在人体的皮肤上产生触觉。触觉接口广泛的应用于各种应用，包括虚拟现实，远程操作，人际交流，娱乐和游戏，军事和医疗保健。大多数振动触觉装置需要安装或固定在人体上，只有与装置接触的人体表面才能接收振动刺激，用户的自由移动可能受到安装的设备的限制。

目前可以通过非接触式触觉接口，在触觉设备和人体之间没有任何物理接触的情况下传输触觉刺激。提供空中触觉刺激的现有技术使用三种策略：空气喷射器，超声波和激光。空气喷射依赖于由致动的柔性喷嘴引导的空气脉冲产生以提供触感。虽然它们在模拟粗力反馈方面是有效的，它们的空间/时间属性是有限的。激光可以传播更长的距离，几乎没有扩散和衰减，因此可以创建更大的触觉显示工作空间，但需要一个附着在皮肤上的光吸收弹性介质。超声触觉刺激似乎是研究最多的方法，因为能够在3D空间中生成相对高分辨率的触觉显示。但现有基于视觉的手指运动感测存在延时问题，会导致系统的时间以及空间分辨率受到影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种辅助盲人感知的超声波触觉反馈系统及其方法，通过超声波相控阵形成可感知的盲文触觉点，根据手部位置识别，实时快速的更换显示信息。

本发明采用以下技术方案：

一种辅助盲人感知的超声波触觉反馈系统，包括：

PC端，完成对盲文点的信息分析与焦点计算，生成焦点的时间序列，通过串行通信传输给微控制器；

微控制器，储存焦点信息，接收PC端对焦点的控制信息，将时间序列传输给FPGA控制器；

FPGA控制器，完成焦点在不同单元坐标系下的转换，将信息传输给超声波相控阵；

超声波相控阵，接收FPGA控制器发送的信息，使用空间体积调制方法控制由超声相控阵包围的腔中的声压分布，通过驱动信号对各单元超声波换能器的作用在空间形成多个触觉点或立体图形，实现静止且可自由触摸的空中虚拟盲文点；根据焦点坐标通过相位延迟的方式将发射调制的超声波聚焦在焦点处，使人获得触觉感知以表明当前手势任务已顺利完成；

手部位置捕捉传感器，当盲人完成一组盲文的识别，手部位置捕捉传感器捕捉到识别位置信息，将信号传输给PC端，PC端即发送下一组控制信号，完成信息的实时更新显示。

具体的，超声波相控阵是一个n面的空间多面体，n为自然数，包括多个超声波相控单元，每个超声波相控单元包括多个超声波换能器。