CN105426024B - 一种基于超声波聚焦的触觉反馈系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于超声波聚焦的触觉反馈系统及方法，属于触觉反馈领域。系统包括主控制电路、手部位置扫描电路、传感器阵列聚焦电路、超声波传感器阵列，利用超声波阵列，通过扫描方式获得手部位置，系统根据手部位置，确定超声波聚焦点，并计算出阵列各传感器发射超声波的时延，控制各传感器发射超声信号的时刻，实现超声波阵列的聚焦，产生声发射力，该力作用于手部皮肤，产生触觉感觉，系统需用手部皮肤敏感的频率对超声波谐振频率调制产生超声波聚焦信号。本发明通过同一超声波阵列实现手部位置扫描与触觉反馈，能够实现三维空间内的非接触触觉反馈功能。

Description

一种基于超声波聚焦的触觉反馈系统及方法

技术领域

本发明涉及一种触觉反馈系统及方法，具体涉及一种基于超声波阵列聚焦技术的触觉反馈系统，超声波阵列通过扫描方式获得手部位置，通过控制超声波阵列的驱动信号在手部位置产生超声波聚焦，形成声发射力，该力作用于人的手部产生触觉，本发明可用于人机交互、触觉交互、三维图像及视频交互控制等领域。

背景技术

多年来,在人机交互领域的研究中人们主要关注视觉和听觉,而忽略了其他感觉形态。随着计算机性能的大幅提升,计算机交互途径的局限已越来越突出,其他感觉形态的研究和应用也变得越来越重要。实验心理学家赤瑞特拉(Treicher)通过大量的实验证实，在日常生活中，对一个物体，人类获得的信息中，83％来自视觉，11％来自听觉，3.5％来自嗅觉，1.5％来自触觉，1％来自味觉。视觉、听觉和触觉是人类感知外界信息的主要途径，虽然触觉所占的比例只有1.5％，但是其传达的信息却是独一无二的，如物体的质地、重量、形状等信息只能通过触觉去感受。特别是对于物体质感与纹理的探知，触觉几乎是唯一的一种探知手段。另外，触觉可以和视觉、听觉信号同时被感知，并具有和听觉一样的全方向的感觉能力。

触觉反馈技术能够亲手“触摸”到电脑中本不存在的虚拟物品，实现触觉交互技术与其它人机交互技术有机整合，将成为人机交互产品的必然趋势。采用触觉反馈技术，通过运算和模拟，人类对虚拟物体也有了触觉感受，这样的“感觉输入”让我们有理由相信很多生活方式的改变。

如今，3D视觉成像技术能够让人看到逼真的立体画面，但却留下了可望而不可即的遗憾。目前，国内外针对三维视觉对象的触觉反馈技术主要采用触摸方式或穿戴方式实现触觉反馈。触摸式触觉反馈系统系统，3D显示界面与触摸界面分离，只能实现单点触觉反馈，触觉反馈效果不好。穿戴式触觉反馈技术，需要穿戴特殊装置去触摸，操作不便。

现在比较成熟的也是研究最早的3D触觉反馈技术主要是基于机械振动的原理实现的，代表性成果包括：美国的SensAble公司研制的基于机械结构的Phantom力反馈系统。瑞士Force Dimension公司的Omega和Delta系列的力触觉设备，采用了独特的Delta结构,能够实现较高的作用力输出和再现刚度能够只通过一个可移动的部件实现六个自由度的力显示。可显示的力最大可以达到55N，位置跟踪精度也非常高，但是操作空间非常有限，只有约20mm。日本Miraisens开发出了一种可触摸的3D技术，该技术通过视觉图像和外戴于指尖的振动装置协同作用，“欺骗”人脑的感觉系统，使人产生切实触摸到虚拟物体的错觉。

中国专利“一种超声波触觉反馈系统及其制造方法”(申请号201510266849)公开了一种基于电容式超声传感器的超声波触觉反馈系统，利用计算机控制超声发射信号加载到电容式超声传感器阵列单元上，使传感器各个单元在空间中产生多种幅度和相位的超声波辐射场，相互作用之后形成若干个声聚焦点构成所设定的虚拟物体形状，此时仪器将超声波投射到手上时，人便可以感受到它，从而实现触觉反馈功能。该发明采用电容式超声传感器，具有尺寸小、便于集成等优点，但电容式传感器辐射功率小，产生的声发射力小，触觉反馈范围较小。另外，该发明未对手的位置进行检测，造成超声波聚焦能量的分散，影响触觉反馈效果。

发明内容

本发明提供一种基于超声波聚焦的触觉反馈系统及方法，以解决目前存在的触觉反馈系统作用范围小、操作不便、单点反馈的问题，具备手部位置检测、非接触触觉反馈、多点触觉反馈等功能，其核心是三维超声波阵列定位和高精度超声波聚焦技术。超声波阵列通过扫描方式获得手部位置，根据手部位置控制超声波阵列各传感器的驱动信号的延时，在手部位置产生超声波聚焦，形成声发射力，该力作用于人的手部产生触觉感觉。

本发明采取的技术方案是，基于超声波聚焦技术，提供一种基于声发射力的多点触觉反馈系统，该系统包括超声波传感器阵列、手部位置扫描定位电路、主控制电路、传感器阵列聚焦电路，其中：

(1)超声波传感器阵列

采用多个收发一体的超声波传感器构成超声波矩形或圆形阵列，超声波传感器采用压电陶瓷超声波传感器，频率为40KHz或者25KHz，传感器的外径小于10mm；

(2)手部位置扫描电路

包括收发控制电路和多点位置提取电路，收发控制电路用于控制超声波传感器的发射和接收；

多点位置提取电路用于超声波阵列的位置扫描和位置信息的提取，多点位置提取电路根据超声波传感器发射和接收的时间差，完成手部多点位置信息的提取，确定手部位置；

(3)主控制电路

主控制电路包括主控制器、信号发生电路、接口电路，所述主控制器根据手部位置信息，确定超声波聚焦点，根据聚焦点，计算出每个超声波传感器发射超声波的时延，将时延送给相应传感器聚焦驱动电路，并产生同步信号，让各通道同步工作，实现多通道超声波聚焦信号的控制，产生超声波聚焦；

所述信号发生电路包括正弦波、脉冲波、三角波发生电路以及调制电路，用于产生超声波聚焦信号，调制后的信号由传感器阵列聚焦电路发送出去，实现聚焦，产生手部能够感知的声发射力；

(4)传感器阵列聚焦电路

用于完成各通道超声波聚焦信号的驱动及发射延时的控制，包括聚焦通道1～N，每个聚焦通道均包括驱动电路、控制器；

驱动电路实现对超声波聚焦信号的放大，该部分电路同时也用作手部位置扫描的超声波发射电路，只是发射的信号形式和增益不同。

本发明所述手部位置扫描电路的收发控制电路用于每个超声波传感器的发射与接收手部位置扫描信号，每个超声波传感器对应一个收发控制通道，若有N个超声波传感器，则有N个收发控制通道，每个收发控制通道包括一个超声波接收电路、一个超声波接收电路、一个收发切换电路及一个超声波传感器。

本发明提供一种基于超声波聚焦的触觉反馈方法，包括下列步骤：

(1)启动手部位置扫描，确定手部位置坐标；

(2)根据手部位置，确定超声波聚焦点个数K及各聚焦点坐标；

(3)计算各聚焦点与各传感器之间的距离，确定最小距离，并将距离最短的超声波传感器作为参考阵元；

(4)计算聚焦点与各阵元距离与最短距离的距离差，并根据声速计算出相应的时间差，也就是时延值；

(5)按照时延值大小顺序控制对应的超声波传感器发送超声波聚焦信号，参考阵元最后发射超声波聚焦信号；

(6)完成一个聚焦点聚焦后，采用循环的方式，完成K个聚焦点的超声波聚焦。

(7)完成K个聚焦点超声波聚焦后，返回到步骤(1)。

本发明一种基于超声波聚焦的触觉反馈方法的一种实施方式是：包括下列步骤：

(1)启动手部位置扫描，确定手部位置坐标；

(2)根据手部位置，确定K个超声波聚焦点及各聚焦点坐标P_k(x_k,y_k,z_k)；

(3)计算各聚焦点与各传感器之间的距离D_nk，确定最小距离d_k，并将距离最短的传感器作为参考阵元S_k(x_ko,y_ko,0)；

(4)计算聚焦点P_k与各阵元距离D_mnk与最小距离d_k的距离差：

Δd_k＝D_mnk-d_k，并计算时间差τ_k＝△d_k/v，v为超声波传播速度；

(5)按照τ_k的大小顺序控制对应的传感器发送超声波聚焦信号，参考阵元最后发射超声波聚焦信号；

(6)完成一个聚焦点聚焦后，采用循环的方式，完成K个聚焦点的超声波聚焦。

(7)完成K个聚焦点超声波聚焦后，返回到步骤(1)。

本发明一种基于超声波聚焦的触觉反馈方法的一种实施方式是：步骤(2)获得手部位置后，根据手部位置确定聚焦点个数K和各聚焦点的坐标P_k(x_k,y_k,z_k)，其中1≤k≤K；

计算聚焦点P_k(x_k,y_k,z_k)与各传感器S_mn(x_m,y_n,0)之间的距离D_mnk：

其中，x_m＝(m-1)*d；y_n＝(n-1)*d，1≤m≤M，1≤n≤N。

本发明的优点在于：采用标准的超声波传感器构成超声波阵列，通过同一阵列能够实现手部三维位置扫描和超声波三维聚焦两项功能。本发明提供的超声波聚焦触觉反馈系统采用基于超声波聚焦产生的声发射力作用于人的手部，让手部皮肤产生不同的触觉感受，具有非接触、成本低、结构简单等优点，支持三维触觉反馈。

附图说明

图1是本发明的组成框图；

图2是本发明的电路原理框图；

图3是本发明手部位置扫描电路的原理框图；

图4是本发明超声波传感器阵列聚焦电路原理框图；

图5是本发明超声波传感器阵列聚焦示意图；

图6是本发明超声波传感器阵列聚焦流程图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于超声波聚焦的触觉反馈系统，包括：超声波传感器阵列101、手部位置扫描电路102、主控制电路103及传感器阵列104的4部分，其中各部分组成及功能如下：

(1)超声波传感器阵列101

本发明利用超声波传感器阵列101发射和接收超声波实现对手部位置检测和超声波聚焦，手部位置扫描和超声波聚焦共用一个超声波传感器阵列，区别是两种功能发射的超声波驱动信号不同，手部位置扫描发送脉冲波形，并接收手部反射回来的信号，利用多个超声波传感器发送和接收的信号，实现手部位置的精确定位，超声波聚焦功能发送调制后的波形，可以是AM、PM调制，调制后的信号需要功率放大，发射的功率相对较大；

手部位置检测的基本原理是通过超声波发射扫描信号并接收手部反射回来的超声波信号获得手部位置信息，为实现这一功能，需要选用收发一体式超声波传感器；

传感器阵列聚焦是控制每个超声波发射的延时，在预定点进行超声波聚焦，产生声发射力；

本发明采用多个收发一体的超声波传感器构成的超声传感器阵列，超声波传感器采用压电陶瓷超声波传感器或者压电薄膜式超声波传感器，频率为40KHz或者25KHz，可以是直插式也可以是贴片式；为了使聚焦能量尽量大，传感器的外径越小越好，一般要求小于10mm。

(2)手部位置扫描电路102

手部位置扫描定位电路主要实现手部的位置，控制不同位置的超声波传感器发射并接收反射的超声波信号，由多点位置提取电路根据发射和接收信号的时间差获得手部各点的位置信息；

手部位置扫描定位电路包括收发控制电路204和多点位置提取电路205；

因为超声波阵列的每个传感器既是发射传感器，也是接收传感器，进行位置扫描时，由收发控制电路负责超声波传感器的发射和接收；

每个扫描传感器对应一个超声波发射电路和一个超声波接收电路，发射电路负责发射扫描信号，接收电路负责接收手部反射回来的定位信号，扫描发射电路与超声波聚焦发射电路是同一电路，只是发射的信号和增益不同；

多点位置提取电路负责完成超声波阵列的位置扫描和位置信息的提取，由于阵列的阵元数量较大，要控制每个传感器都参与扫描，势必影响系统的实时性，需要采用快速扫描方法，提高系统扫描的实时性，多点位置提取电路根据超声波传感器发射和接收的时间差，完成手部多点位置信息的提取，确定手部位置；

(3)主控制电路103

主控制电路103根据手部位置扫描电路提供的手部位置信息，确定传感器阵列聚焦点位置，根据聚焦点位置计算每个超声波传感器发射的超声波时延值，并将并将时延值送给各个超声波聚焦通道，并产生同步信号，控制各通道超声波发射聚焦信号，在聚焦点聚焦，产生声发射力，该力作用于人的手部皮肤，产生触觉感觉；

主控制电路103包括主控制器201、信号发生电路202和接口电路203。

主控制器201主要负责整个系统的控制，包括手部位置的扫描、每个传感器发射聚焦信号的时延计算、同步信号的产生等；

信号发生电路202包括正弦波、脉冲波、三角波发生电路和调制电路，由于手部皮肤感觉不到超声波频段内超声聚焦产生的声发射力；人体触觉器官的敏感频段是0.4Hz～500Hz，因此需要用人体敏感频率调制超声波传感器的中心频率(谐振频率)，调制后的信号由聚焦电路发送出去，实现聚焦，产生手部能够感知的声发射力；

接口电路203主要负责主控制器201与手部位置扫描电路102、传感器阵列聚焦电路的通信与控制信息的传送；

(4)传感器阵列聚焦电路104

传感器阵列聚焦电路104负责完成各通道超声波聚焦信号的驱动及发射延时的控制；

传感器阵列聚焦电路104包括多个超声波传感器聚焦通道，每个通道均包括驱动电路、控制器和超声波传感器；

驱动电路实现对超声波聚焦信号的放大，放大电路增益有控制器控制。该部分电路同时也用作手部位置扫描的超声波发射电路，只是发射的信号形式和增益不同。

本发明提供一种基于超声波聚焦的触觉反馈系统，其主要工作过程如下：

(1)手部位置粗定位：手部扫描电路每行等间隔选取传感器，每行2～5个传感器，逐行发射扫描信号并接收手部反射的回波信号，粗略确定手部位置；

(2)手部位置精确定位：根据手部粗略位置确定手部的大概边界，将此边界向外扩3～5个传感器，新边界定为精确扫描的边界，然后在精确扫描边界内进行逐行逐个传感器发射和接收扫描信号，确定手部甚至手指的精确位置；

(3)超声波聚焦及触觉反馈：系统根据手部位置，选定超声波聚焦点，根据该聚焦点的位置，计算出每个超声波传感器发射传感器的时间延时(时延)，由主控制器发出聚焦同步信号后，各通道超声传感器收到同步信号后，等待相应的延时时间后，发射超声波信号，实现超声波聚焦，在聚焦点产生声发射力，该发射力作用于手部皮肤，产生触觉感觉。触觉感觉效果的控制，通过控制超声波调制信号的强度、频率及波形来实现。

本发明提供了一种基于超声波聚焦的触觉反馈方法，包括下列步骤：

(1)启动手部位置扫描，确定手部位置坐标；

(2)根据手部位置，确定K个超声波聚焦点及各聚焦点坐标P_k(x_k,y_k,z_k)；

(3)计算各聚焦点与各传感器之间的距离D_nk，确定最小距离d_k，并将距离最短的传感器作为参考阵元S_k(x_ko,y_ko,0)；

(4)计算聚焦点P_k与各阵元距离D_mnk与最小距离d_k的距离差

Δd_k＝D_mnk-d_k，并计算时间差τ_k＝△d_k/v，v为超声波传播速度

(5)按照τ_k的大小顺序控制对应的传感器发送超声波聚焦信号，参考阵元最后发射超声波聚焦信号；

(6)完成一个聚焦点聚焦后，采用循环的方式，完成K个聚焦点的超声波聚焦。

(7)完成K个聚焦点超声波聚焦后，返回到步骤(1)。

下面结合附图1～6进一步描述本发明。

本发明提供的基于超声波聚焦的触觉反馈系统包括超声波传感器阵列101、手部位置扫描电路102、主控制电路103和传感器阵列聚焦电路104等4部分，系统组成框图如图1所示，系统各部分的组成如图2所示。

为了实现较大功率的发射，图1中超声波传感器阵列101采用多个超声波收发一体式传感器，采用压电陶瓷或压电薄膜式超声波传感器，多个超声波传感器构成均匀矩形平面阵(等间距)或均匀圆阵，考虑到发射功率，阵元间距越小越好，可采用市场上小尺寸超声波传感器，也可根据需要，订做较小尺寸超声波传感器。可采用插针式，也可采用贴片式超声波传感器。

构成阵列的每个超声波传感器与其相连的超声波发射或接收电路构成一个通道，假如阵列由N个传感器构成，系统就有N个超声波发射和接收通道，每个通道包含一个超声波发射电路和一个超声波接收电路，发射电路用于发射手部位置扫描信号和超声波聚焦信号，两者共用同一电路，只是发射的信号强度、频率、波形不一样。接收电路负责扫描信号通过手部发射的信号，用于定位手部位置。

手部位置扫描电路102主要完成手部位置的扫描定位，包括收发控制电路204、多点位置提取电路205两大部分，如图2所示。

收发控制电路204负责每个超声波传感器的发射与接收手部位置扫描信号，每个超声波传感器对应一个收发控制通道，若有N个超声波传感器，则有N个收发控制通道。每个收发控制通道包括一个超声波接收电路、一个超声波接收电路、一个收发切换电路及一个超声波传感器，如图3所示。在图3中，收发控制通道1包括收发切换电路1301、超声波接收电路1302、超声波发射电路1303和超声波传感器1，若超声波传感器阵列101由N个超声波传感器构成，图3中的收发控制电路204则包括N个收发控制通道，第N个通道包括收发切换电路N311、超声波接收电路N309、超声波发射电路N310和超声波传感器N。

多点位置提取电路205包括接收多路选择电路304、发射多路选择电路305、信号处理电路306、微处理器1(MCU1)[307]和温度测量电路[308]，如图3所示。

图3中，微处理器1MCU1307向发射多路选择电路305和接收多路选择电路304发送扫描通道选择信号，确定手部位置扫描通道，比如通道1，经超声波发射电路1303放大后发，收发切换电路1301切换成发射模式，通过超声波传感器1发射超声波信号，发射完成后，收发切换电路1301切换成接收模式，超声波信号遇到手部皮肤，将超声波信号发射回去，通过收发切换电路1301由超声波接收电路1302放大、滤波后，通过接收多路选择电路304送给信号处理电路完成接收信号整形、采集，由微处理器1307完成多点位置的提取；

在进行手部位置提取过程中，需要用到超声波的传播速度计算手部位置，由于超声波的速度受环境温度影响较大，因此图3中的多点位置提取电路205中增加温度测量电路308，进行环境温度的实时测量，用于超声波传播速度的校正。

主控制电路103是整个系统的核心，主控制电路103包括主控制器201、信号发生电路202和接口电路203，如图2所示。主控制器201根据手部位置信息，确定超声波聚焦点，根据聚焦点，计算出每个超声波传感器发射超声波的时延，将时延送给相应传感器阵列聚焦电路104，并产生同步信号，让各通道同步工作，实现多通道超声波聚焦信号的控制，产生超声波聚焦。

如图2所示，主控制器201通过接口电路203获得手部位置扫描电路102提供的手部位置信息，确定聚焦点的位置，并计算出每个超声波传感器的发送延时，通过接口电路203将时延信息、同步信息发送给传感器阵列聚焦电路104，由其完成超声波阵列聚焦。

如图4所示，信号发生电路202包括正弦波、脉冲波、三角波发生电路和调制电路两部分，主要产生不同调制方式、频率、波形、幅度的超声波聚焦信号。由于手部皮肤感觉不到超声波频段内超声聚焦产生的声发射力。人体触觉器官的敏感频段是0.4Hz～500Hz，因此需要用人体敏感频率调制超声波传感器的中心频率(谐振频率)，调制后的信号由聚焦电路发送出去，实现聚焦，产生手部能够感知的声发射力。

传感器阵列聚焦电路104包括多通道聚焦电路，每个聚焦通道包括一个控制器、一个驱动电路，如图2所示。若超声波传感器阵列有N个传感器构成，就有N个超声波聚焦通道。

传感器阵列聚焦电路104负责完成超声波阵列的聚焦功能，下面结合图4，描述整个聚焦过程。

主控制器201根据手部位置，确定聚焦点的位置，并根据聚焦点位置由时延计算模块完成每个超声波传感器发射聚焦信号的延时值，信号发生电路202根据聚焦要求，产生相应的正弦波、三角波或者脉冲波，并对超声波传感器的谐振频率信号调制，产生超声波聚焦信号。主控制器201通过接口电路203将每个传感器的超声波发射延时值发送给各个聚焦通道的控制器，并产生同步信号，控制各通道按照本通道超声波发射的延时值发送超声波聚焦信号，在聚焦点实现超声波聚焦，产生声发射力。

如图2所示，接口电路203采用USART、SPI，或其他通信接口，实现主控制器201与手部位置扫描电路102、传感器阵列聚焦电路104的信息传输。

图4中，超声波阵列由N个超声波传感器构成，需要N个超声波聚焦电路实现阵列的聚焦。以聚焦通道1为例说明，主控制器1接收主控制器201发送的本通道超声波聚焦信号的发送时延值，并根据主控制器201发送的同步信号，启动计时，计时时间为收到的时延值，计时时间结束，发送超声波聚焦信号，图4中，驱动电路1对超声波聚焦信号进行性功率放大，放大后的信号由超声波传感器1发射出去。

本发明提供了一种基于超声波聚焦的触觉反馈方法，具体实施方式如下：

图5为超声波传感器阵列聚焦示意图，假设有M×N个阵元构成M行、N列的均匀矩形阵列，每行、每列相邻传感器的间距均为d；

(1)系统首先通过手部位置扫描电路[102]控制超声波传感器阵列[101]扫描并获得手部位置，手部位置扫描分粗细两个步骤：

手部位置粗扫描：每行等间隔选取传感器2～5个传感器，逐行发射扫描信号并接收手部反射的回波信号，粗略确定手部位置；

手部位置精确扫描：根据手部粗略位置确定手部的大概边界，将此边界向外扩3～5个传感器，新边界定为精确扫描的边界，然后在精确扫描边界内进行逐行逐个传感器发射和接收扫描信号，确定手部甚至手指的精确位置；

(2)获得手部位置后，根据手部位置确定聚焦点个数K和各聚焦点的坐标P_k(x_k,y_k,z_k)，其中1≤k≤K；

计算聚焦点P_k(x_k,y_k,z_k)与各传感器S_mn(x_m,y_n,0)之间的距离D_mnk：

其中，x_m＝(m-1)*d；y_n＝(n-1)*d，1≤m≤M，1≤n≤N，

(3)确定最小距离d_k＝min{D_mnk}，并将距离最短的传感器作为参考阵元，坐标为S_k(x_ko,y_ko,0)，如图5所示；

(4)参考阵元确定后，计算D_mnk与最小距离d_k的距离差Δd_k＝D_mnk-d_k；

测量环境温度，校准超声波传播速度v，并计算时间差τ_k＝△d_k/v；

(5)在主控制器的控制下，将τ_k通过接口电路发送给各超声波聚焦通道的控制器，并产生聚焦同步信号，控制各通道按照τ_k的大小顺序发送超声波聚焦信号，参考阵元最后发射超声波聚焦信号，实现超声波阵列的聚焦，在聚焦点产生声压力，该力作用于手部皮肤，产生触觉感觉；

(6)完成一个聚焦点聚焦后，采用循环的方式，完成K个聚焦点的超声波聚焦；

(7)完成K个聚焦点超声波聚焦后，返回到步骤(1)。

本发明提出的基于超声波聚焦的触觉反馈方法的流程图如图6所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于超声波聚焦的触觉反馈系统，其特征在于：包括超声波传感器阵列、手部位置扫描定位电路、主控制电路、传感器阵列聚焦电路，其中：

（1）超声波传感器阵列由若干个收发一体的超声波传感器构成，用于实现手部位置扫描和超声波阵列聚焦功能；

（2）手部位置扫描电路

包括收发控制电路和多点位置提取电路，收发控制电路用于控制超声波传感器的发射和接收；

多点位置提取电路用于超声波阵列的位置扫描和位置信息的提取，多点位置提取电路根据超声波传感器发射和接收的时间差，完成手部多点位置信息的提取，确定手部位置；

（3）主控制电路

主控制电路包括主控制器、信号发生电路、接口电路，所述主控制器根据手部位置信息，确定超声波聚焦点，根据聚焦点，计算出每个超声波传感器发射超声波的时延，将时延送给相应传感器聚焦驱动电路，并产生同步信号，让各通道同步工作，实现多通道超声波聚焦信号的控制，产生超声波聚焦；

所述信号发生电路包括正弦波、脉冲波、三角波发生电路以及调制电路，用于产生超声波聚焦信号，调制后的信号由传感器阵列聚焦电路发送出去，实现聚焦，产生手部能够感知的声发射力；

（4）传感器阵列聚焦电路

用于完成各通道超声波聚焦信号的驱动及发射延时的控制，包括聚焦通道1~N，每个聚焦通道均包括驱动电路、控制器；

驱动电路实现对超声波聚焦信号的放大，该驱动电路同时也用作手部位置扫描的超声波发射电路，只是发射的信号形式和增益不同。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声波聚焦的触觉反馈系统，其特征在于：超声波传感器阵列采用多个收发一体的超声波传感器构成超声波矩形或圆形阵列。

3.根据权利要求2所述的一种基于超声波聚焦的触觉反馈系统，其特征在于：超声波传感器采用压电陶瓷超声波传感器或压电薄膜式超声波传感器，频率为40KHz或者25KHz，传感器的外径小于10mm，超声波传感器可以是直插式，也可以是贴片式。

4.根据权利要求1所述的一种基于超声波聚焦的触觉反馈系统，其特征在于：所述手部位置扫描电路的收发控制电路用于每个超声波传感器的发射与接收手部位置扫描信号，每个超声波传感器对应一个收发控制通道，若有N个超声波传感器，则有N个收发控制通道，每个收发控制通道包括一个超声波接收电路、一个超声波发射电路、一个收发切换电路及一个超声波传感器。

5.一种基于超声波聚焦的触觉反馈方法，其特征在于包括下列步骤：

（1）启动手部位置扫描，确定手部位置坐标；

（2）根据手部位置，确定超声波聚焦点个数K及各聚焦点坐标；

（3）计算各聚焦点与各传感器之间的距离，确定最小距离，并将距离最短的超声波传感器作为参考阵元；

（4）计算聚焦点与各阵元距离与最短距离的距离差，并根据声速计算出相应的时间差，也就是时延值；

（5）按照时延值大小顺序控制对应的超声波传感器发送超声波聚焦信号，参考阵元最后发射超声波聚焦信号；

（6）完成一个聚焦点聚焦后，采用循环的方式，完成K个聚焦点的超声波聚焦；

（7）完成K个聚焦点超声波聚焦后，返回到步骤（1）。