[发明专利]一种融合视触觉感知的超声波阵列交互方法及系统

权利要求书

1.一种融合视触觉感知的超声波阵列交互方法，其特征在于，具体步骤如下：

S1、交互系统通电，复位可变角度随动装置，取初始水平位置的法向量为

S2、启动手部位姿采集模块，检测手部信息，判断是否检测到手，若否，则跳转至步骤S9结束；若是，则采集手部位姿数据；

S3、主控制器根据手部位姿数据判断手指或手掌，若只检测到手指i，则计算指尖坐标形成位置数组，基于指尖到各个超声波阵列中心的距离，就近选择激活多阵列超声触觉感知模块中的超声波阵列；

若检测到手掌，则计算掌心坐标P＝(X_p,Y_p,Z_p)及掌面法向量形成向量数组，结合手指位置数组及手掌向量数组，基于方向性选择启动可变角度随动装置中的运动平台；当平台运动至与手掌平行后激活相应的超声波阵列；

S4、若平台未运动，则返回角度值为0；若平台运动完成，则返回角度值为β；

S5、根据手部位姿采集模块与超声波阵列之间的位置关系及焦点信息，进行齐次坐标变换；

S6、根据焦点信息驱动换能器发射超声波产生聚焦点形成触觉反馈；

S7、显示装置实时显示聚焦点、虚拟手及周围场景信息；

S8、完成视触觉融合感知，返回步骤S2；

S9、结束。

2.根据权利要求1所述的融合视触觉感知的超声波阵列交互方法，其特征在于，步骤S3中，当平台处于初始水平位置时直线驱动器的长度为c，伸缩杆运动距离为s，初始s(0)＝0，s(k)＞0表示伸长，s(k)＜0表示缩短，k是计算次数，具体为：

其中，k≥1，β为运动平台转动角度，a为直线驱动器伸缩杆与平台铰接处到平台旋转轴之间的距离，b为直线驱动器底座铰接处到平台旋转轴之间的距离，α为底座铰接点到平台旋转点的直线与水平线之间的夹角。

3.根据权利要求1所述的融合视触觉感知的超声波阵列交互方法，其特征在于，步骤S5中，齐次坐标变换具体为：

其中，A为手部位姿采集模块与多阵列超声触觉感知模块初始位置关系形成的矩阵，分块矩阵A₁与两者局部坐标系的建立及单位制有关，分块矩阵A₂与两者坐标原点间距离有关，θ_j、ω_j、分别为单块超声波阵列j到手部位姿采集模块的X、Y、Z轴的旋转角度，为超声波阵列局部坐标系下的焦点坐标。

4.一种融合视触觉感知的超声波阵列交互系统，其特征在于，利用权利要求1所述的交互方法，包括：

手部位姿采集模块(1)，基于双目视觉成像，采集手部图像信息，定位手指和手掌关键部位，计算手指坐标位置以及手掌掌面位姿，将数据发送到主控制器端，并实时采集更新手部数据；

可变角度随动装置(2)，根据主控制器输出的手掌掌面法向量参数，计算直线驱动器运动距离，微控制器控制直线驱动器运动，使运动平台与手掌保持平行，并将角度信息返回给主控制器；

主控制器(3)，接收手部位姿数据得到手掌掌面法向量参数，并发送给微控制器；同时利用返回的运动平台角度信息及聚焦点位置，进行齐次坐标变换，并将变换后的焦点信息传输给FPGA控制器；

多阵列超声触觉感知模块(4)，用于发射超声波形成触觉聚焦点；根据焦点信息计算超声波阵列相位延时，通过放大电路后在焦点处聚焦超声波，焦点随手掌或手指移动；

显示装置(5)，用于显示聚焦点、虚拟手以及周围场景信息。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，手部位姿采集模块(1)包括双目摄像头，双目摄像头经通信控制电路与光学传感器和红外发射器连接，红外发射器用于检测手部是否靠近，双目摄像头和光学传感器用于识别采集手部信息。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，可变角度随动装置(2)包括运动平台，运动平台经微控制器与直线驱动器连接，微控制器控制直线驱动器运动带动运动平台与手掌保持平行运动。