JP2018523936A - 触覚システムにおける校正技術 - Google Patents

Abstract

触覚フィードバックのための改善された様々な校正技術を提供するシステムが説明される。音響場は、音響場が存在し得る空間内の１または複数の制御点によって定義される。各制御点には、制御点における音響場の所望の振幅と等しい増幅値が割り当てられる。空間の完全な制御は不可能であるため、所与の点における音響場の制御は、他の関連位置において音響場レベルにおける誤った極大値を生じる。空中触覚フィードバックに関連して、これらは、相互作用領域外で感知され得る副作用およびゴースト現象を生じることによって空間との相互作用に干渉する。音響場における二次的な極大値のレベルおよび性質は、空間がどの程度制御されるかによって決定される。トランスデューサ要素を様々な方法で配列することによって、音響場における不所望の効果が制限および制御され得る。

Description

本出願は、全て参照によってその全体が援用される以下の３つの米国特許仮出願の利益を主張するものである。

１．２０１５年７月１６日に出願された第６２／１９３，１８０号。

２．２０１６年１月５日に出願された第６２／２７５，２０６号。

３．２０１６年１月５日に出願された第６２／２７５，０３０号。

本開示は、一般に、触覚ベースのシステムのための改善された校正技術に関する。

「音響場」と称される音響エネルギの連続分布は、空中における触覚フィードバックを含む適用範囲に用いられ得る。

空間に１または複数の制御点を定義することによって、音響場は制御され得る。各点には、制御点における所望の振幅と等しい値が割り当てられ得る。その結果、トランスデューサの物理２次元アレイは、制御点における所望の振幅を示す音響場を生成するように制御され得る。

しかし、空間の完全な制御は不可能であるため、所与の点における音響場の制御は、他の関連位置において音響場における誤った極大値を生じる。空中触覚フィードバックに関連して、これらは、相互作用領域外で感知され得る副作用およびゴースト現象を生じることによって空間との相互作用に干渉し得る。音響場における二次的な極大値のレベルおよび性質は、空間がどの程度制御されるかによって決定される。空間が制御される程度を変更する方法の１つは、トランスデューサ要素を再配列することである。トランスデューサ要素の２次元アレイを様々な方法で配列することによって、音響場における不所望の効果が制限および制御され得る。

最小限の誤った極大値を有する音響場において制御点を生成するトランスデューサのアレイを設計する最適なアプローチは、自明ではない。

また、従来技術において、これらの誤った極大値の形成を最小化するトランスデューサレイアウトが説明されている。しかし実際には、電子設計およびレイアウトのプロセスに固有の物理的製造および生産制約によって、これらの理想的な構成は多くの場合、実現不可能である。その結果、そのような設計上の制限を考慮しながら、必要とされる理想的な物理配列の有益な特性を維持する構成を作り出す方法が必要である。このプロセスは手動で行われてよいが、時間がかかり、人間による誤りが生じやすいため、自動化アプローチが好ましい。

最後に、入力に応答する適当な音響場を生成するために、システムにセンサが取り付けられなければならない。このセンサは相互作用のために必要であるが、音響場の座標空間とセンサの座標空間との対応付けを第１に確立しなければならない。人間が、デバイスを作動させ、対応する挙動を促し、その後この状況におけるセンサの出力を測定することによって、この初期校正ステップを行うことができる。これにより、２つのベクトル空間の対応付けが提供される。しかし、これには人間との相互作用が必要であるため人間の誤りに左右されるとともに、より一般的な意味で人間の介入を必要とする。

別々の図を通して類似した参照番号が同一要素または機能的に類似した要素を示す添付図面は、以下の発明を実施する形態とともに本明細書に組み込まれてその一部を成し、特許請求対象である発明を含む概念の実施形態を詳しく図示し、それらの実施形態の様々な原理および利点を説明する役割を果たす。

直線形アレイに配列されたトランスデューサを示す。

直線形アレイシミュレーションの結果を示す。

六角形アレイに配列されたトランスデューサを示す。

六角形アレイシミュレーションの結果を示す。

ランダムアレイに配列されたトランスデューサを示す。

ランダムアレイシミュレーションの結果を示す。

葉序螺旋アレイに配列されたトランスデューサを示す。

葉序螺旋アレイシミュレーションの結果を示す。

拡張された葉序螺旋アレイに配列されたトランスデューサを示す。

拡張された葉序螺旋アレイシミュレーションの結果を示す。

黄金比ベースの葉序螺旋アレイに配列されたトランスデューサを示す。

拡張された黄金比ベースの螺旋アレイシミュレーションの結果を示す。

葉序螺旋ベースの正方形フォーマットアレイに配列されたトランスデューサを示す。

葉序螺旋ベースの正方形フォーマットシミュレーションの結果を示す。

葉序螺旋ベースの正方形フレームアレイに配列されたトランスデューサを示す。

葉序螺旋ベースの正方形フレームアレイの結果を示す。

画像の中心に向かってトランスデューサが４５度回転した、葉序螺旋ベースの正方形フレームアレイの結果を示す。

トランスデューサが画像の中心を真っ直ぐに指す、葉序螺旋ベースの正方形フレームアレイの結果を示す。

葉序螺旋におけるトランスデューサの理想的レイアウトを示す。

現実世界のシミュレーションにおいて図１９のレイアウトを再現する試みを示す。

触覚システムにおけるトランスデューサレイアウトの制約のためのメタファを生じるように構成された物理シミュレーションシステムの様々な実施形態を示す。

現実世界のシミュレーションにおいて図１９のレイアウトを再現する改善された試みを示す。

当業者が理解するように、図内の要素は簡略性および明確性のために図示され、必ずしも一定比率の縮尺ではない。たとえば、図内のいくつかの要素の寸法は、本発明の実施形態の理解を深めるために役立つように他の要素に対して拡大される。

本明細書の利益を享受する当業者には容易に明らかである詳細部によって本開示を不明瞭にしないために、装置および方法の構成要素は、必要に応じて図内で決まった記号で表され、本発明の実施形態の理解に関する特定の詳細部のみを示す。

本明細書において、触覚システムにおける校正技術を向上させるための特定の技術が説明される。これらの技術の一部または全ては、そのような校正を改善するために同時にまたは順に用いられてよい。

Ｉ．二次的な極大値を低減するためのアレイ構成

音響場は、空間内に１または複数の制御点を定義することによって制御され得る。各制御点には、その制御点における所望の振幅と等しい値が割り当てられ得る。その後、制御点における所望の振幅を示す音響場を生成するためにトランスデューサの物理セットが制御され得る。

空間の完全な制御は不可能であるため、所与の点における音響場の制御によって、他の関連位置における音響場レベルに誤った極大が生じ得る。空中触覚フィードバックに関して、これらは、相互作用領域外で感知され得るゴースト現象および二次効果を生じることによって空間との相互作用に干渉し得る。

音響場における二次的な極大値のレベルおよび性質は、空間がどの程度制御されるかによって決定される。空間が制御される程度を変更する方法の１つは、トランスデューサ要素を再配列することである。トランスデューサ要素を異なる方法で配列することによって、音響場における不所望の効果は制限および制御され得る。

誤った極大が最小となる音響場内の制御点を生じるトランスデューサのアレイを設計する最適なアプローチ方法は、自明ではない。既存のアレイ形状が、それらの欠点を検討するために見直される。その後、これらの欠点を改善するために新たなアレイ形状が見直される。

１．図の定義

図２、図４、図６、図８、図１０、図１２、図１４、図１６、図１７、および図１８は、３０の制御点から成る星形のシミュレーションである。星形は、各トランスデューサアレイの中心より１５ｃｍ上の平面に生成され、直径１４ｃｍを有する。各画素は１ｍｍ^２である。制御点、画素、およびトランスデューサアレイの他のセットに関して同様の結果が生じ得る。

２．既存のアレイ構成

図１は、音響場を制御するために生成する２５６のトランスデューサの最も単純なアレイ１００である、直線形アレイ１１０を示す。この構成は、モデル化および製造が容易である。図２に示すように、この直線形アレイシミュレーション２００は、真像２１０を反映するフーリエ変換ベースのゴースト像２２０、２３０、２４０、２５０に悩まされる。これは、トランスデューサ配列が、平面の切頂規格サンプリングに近いことに起因する。

直線形構造がこれら４つのゴースト像２２０、２３０、２４０、２５０の原因であるため、考えられる解決策は、直線形構造を解体することである。図３に示すように、直線形構造を有さず、より良いトランスデューサ充填密度であるアレイ３００への単純なアプローチは、六角形アレイ３１０に充填することによって得られ得る。

図４における六角形アレイシミュレーションによって示すように、（ここでは２５６ではなく２７１のトランスデューサから成る）六角形アレイ３１０は、意図したパターン４１０の周囲に６つのゴースト像４２０、４３０、４４０、４５０、４６０、４７０を生成する。これらのゴースト像は明らかに、直線形マトリックスアプローチにおいて明らかであったものとほぼ同じ形式で、パターンの変換コピーの一部である。このように、必ずしも直交しない所与の方向に沿った平面の反復される均一なサンプリングは、この挙動の原因となる。

図５に示すように、これらのゴースト像を防ぐために、均一構造を解体し、トランスデューサ要素がランダム構成アレイ５１０に配置されるアレイ５００にすることが可能である。図６に示すように、ランダムアレイシミュレーションは、意図した画像６１０の先に余分な画像が存在しないという点において効果がある。しかしながら、トランスデューサ要素５１０の充填は大きく損なわれている。これは、制御点焦点における低い強度、および局所的トランスデューサ密度における予測不可能な変化をもたらす。その結果、制御点を動かすためのアレイ効率および音響場振幅における変動が生じる。

３．葉序螺旋トランスデューサアレイ

上記セクションで概説された論点は、予期せぬ電力の衰退を防ぐための均一な密度と制御点から外れて降下する無相関二次的な極大値との両方を有する新たな種類のアレイの生成を必要とする。ゴースト像を防ぐために所与の任意の方向への不均一なサンプリングと、均一または予測可能な密度との両方を有する幾何学構成を備えた、これらの目標両方を達成するトランスデューサ配列が望ましい。

最大量の太陽光を吸収するために葉の高密度充填が必要である自然界において、葉序螺旋パターンは通例である。この構造は、黄金比（無理数）の角度割合に基づき、均一で規則正しいが所与の任意の方向への周期的サンプリングをもたらすことがない、要素の交互に湾曲した充填をもたらす。２つの数の比が、２つの数の和と大きい方の数との比に等しい場合、黄金比（約１．６１８である無理数）には２つの数が存在する。

図７に示すように、トランスデューサ要素のアレイ７００は、葉序螺旋７１０の変形として配列され得る。図８に示すように、葉序螺旋アレイシミュレーション８００は、意図した画像８１０の先のゴースト像を無くし、非相関化によって二次的な極大値を低減する。

図９に示すように、トランスデューサ要素のアレイ９００は、空間に占める範囲が広がった拡大葉序螺旋９１０として配列され得る。図１０に示すように、この拡大葉序螺旋アレイシミュレーション１０００は、所望の制御点出力に近いレベルの振幅で更に非相関化されたノイズ１０２０を有する、意図した画像１０１０をもたらす。

図２および図４に示す規則的アレイ配列における余分な画像は、均一な感覚で繰り返される共線トランスデューサ要素によって生じる。副作用によって、これらの要素は集団的動作において、形状の別個のフーリエ変換を構成する。それによって、これらの共線グループ化の終端である周期的境界条件がもたらされる。周期的境界条件の結果として現れる人工的効果が、これらの図に示す「ゴースト像」である。

図示したように、これらの画像は、共線グループ化が最小限にされる、または均一な感覚が存在しないシステムを生成することによって除去され得る。これらの状況において、グループ化は、別個のフーリエ変換として同じサンプリングアプローチを有することがないので、これらの効果を示さない。ランダムまたはポアソンディスクサンプリングは、これらの効果を除去するために効果的であり得るが、要素を充填する能力を低下させるというマイナス面を有する。均一間隔または共線性を防ぐ充填技術は、自然界における結晶構造が証明するように、非自明である。しかし、葉序螺旋設計は、無理数によって構成および支配される曲線に沿ってトランスデューサ要素を配列することによってこれらの基準を全て満たし、共線性の影響を最小限にする。

トランスデューサをアレイ領域内に均等に分配する（０．５のパワーずつ増す）平方根距離を使用する代わりに、指数は、エッジに向かってより多くトランスデューサを分配するように（黄金比−１である０．６１８のパワーずつ増すように）増加され得る。図１１に示すように、トランスデューサ要素のアレイ１１００は、黄金比ベースの葉序螺旋１１１０として配置され得る。図１２に示すように、この黄金比ベースの葉序螺旋アレイシミュレーション１２００は、所望の制御点出力に近い振幅レベルで更に非相関化されたノイズ１２２０を有する、意図した画像１２１０をもたらす。これは、より広い領域を制御しながら更にノイズを抑制し、アレイのエッジに向かってより優美に低下する。

指数により高いパワーを用いることによって、葉序螺旋は、要素の充填を緩和し、ヒマワリに見られる自然な配列により近付ける。ここで、葉序螺旋パターンにおけるトランスデューサの分布は、葉序螺旋パターンのエッジに近付くほど疎らになる。要素は中心から遠ざかるにつれ離間するので、エッジにおいて低減された触覚効果をもたらし得る。ただし、エッジにおけるこれらの疎らなトランスデューサは、より大きなフットプリントおよびいくつかの追加のトランスデューサという代償を払って、余分なノイズを抑制することができる状態を保つ。この効果は、螺旋の生成におけるより高い指数の使用を正当であると証明し得る。

葉序螺旋アレイは、実際には完全な螺旋形状でなくてもよい。螺旋は、たとえば直線形、正方形、または長方形フォーマットなどのアレイフットプリントにより適した形状に切り取られてよい。したがって、所望の効果を生じるために、１または複数の部分的葉序螺旋パターンが用いられ得る。本明細書における「部分的葉序螺旋パターン」という用語の使用は、完全な葉序螺旋パターンの一部または完全な葉序螺旋パターンのどちらを意味してもよい。

図１３に示すように、トランスデューサ要素のアレイ１３００は、葉序螺旋ベースの正方形フォーマット１３１０として配列され得る。このアレイ１３００は、複数の部分的な葉序螺旋パターンにおけるトランスデューサ要素を備える。図１４に示すように、この葉序螺旋ベースの正方形フォーマットシミュレーション１４００は、制限されたノイズを伴う意図した画像１４１０をもたらす。長方形フォーマットが用いられてもよい。

あるいは、葉序螺旋は、空中触覚機能をもたらすデバイスのためのフレームに切り取られてよい。図１５に示すように、トランスデューサ要素のアレイ１５００は、葉序螺旋ベースの正方形フレームフォーマット１５１０として配列され得る。このアレイ１５００は、複数の部分的な葉序螺旋パターンにおけるトランスデューサ要素を備える。このアレイ１５００は、８００のトランスデューサを使用した。図１６に示すように、この葉序螺旋ベースの正方形フレームシミュレーション１６００は、低い形状品質を備える意図した画像１６１０をもたらす。この低い形状品質は、形状を形作る制御点の浅い角度が原因であり得る。

トランスデューサをｚ方向（２次元トランスデューサアレイに直交する方向）に動かし４５度回転して、斜めになった「額縁フレーム」配列にすると、この結果が立証される。図１７に示す配列において、シミュレーション１７００は、画像の中心に向かうこの４５度の角度を指している。（トランスデューサは画像の対辺において反対の方向を指すので、画像の対辺におけるトランスデューサ間の差は９０度である）。ここで、意図した画像１７１０は、ノイズがほとんどなく非常に高品質である。これは、アレイ内の各トランスデューサを生成画像に対する視線に近付けるように押し進め、焦点能力を高める。

反直観的に、回転する各トランスデューサは更に形状の中心を真っ直ぐに指すが、アレイの４辺に垂直な解像力の欠如によって形状の平面により強大な二次的な極大値がもたらされることにより、実際には焦点性能が低下する。図１８に示す配列において、シミュレーション１８００は、トランスデューサが画像の中心を真っ直ぐに指していることを示す。ここで、意図した画像１８１０は、著しく多いノイズを含む。

トランスデューサは、全てが同じ方向を指す、あるいはｚ軸において同じ方向に固定される必要はない。

これらのトランスデューサ配列は円形トランスデューサ要素を用いるものとして示されたが、説明される設計は、正方形、長方形、または楕円形や他の形状を含む様々な形状のトランスデューサ要素にも適用可能である。

４．ノイズの低減および非相関化の重要性

アレイ出力におけるノイズは、多くの様々な現象を引き起こし得る。第１の最も明らかな副作用は、高レベルのノイズがアレイの空中触覚品質に支障をきたし得ることである。これらは、ファントム点および低レベルのシミュレーションを招き、意図した信号を打ち消すことがある。他の副作用は、アレイが副作用として音を生成することにより、より強いランダムな二次的な極大値が、より多くの作業範囲外の可聴ノイズを生じ得ることである。

付近の二次的な極大値を低減することにより、触覚感覚に支障をきたし得るフィードバックの点のレベルが低減される。ノイズとフィードバックとの非相関化は、ノイズを空間的および時間的にノイズ自体に破壊的に干渉させることによって、ノイズがより効果的に取り除かれる。

ＩＩ．触覚システムにおけるトランスデューサ配列のコンピュータによる自動化

不適当に配列されたトランスデューサを取り除くことによる理想的なレイアウトに各電子部品の配列の物理的制限が適用されると、設計は低密度かつ非効率的になる。

１．物理的制約の適用

図１９および図２０は、理想的なトランスデューサレイアウト対現実世界のトランスデューサレイアウトに関連する問題を実証する。図１９は、葉序螺旋におけるトランスデューサの理想的なレイアウト１９００である。図２０は、現実世界のシミュレーションでこのトランスデューサレイアウト２０００を再現しようとする試みを示す。

トランスデューサは、印刷回路基板のフットプリントの範囲内に含まれなくてはならない。図２０は、４つの物理コネクタの配置に関する領域２０１０、２０２０、２０３０、２０４０が、トランスデューサに関する制約の最上位に適用されたものを示す。したがって１つの例において、図２０における基板領域の上の全体トランスデューサ数は、（図１に示すような）直線形レイアウトの場合の２５６から同じ空間で１７９まで減少し、著しい電力損失を示す。また、トランスデューサのない大きな領域２０１０、２０２０、２０３０、２０４０も存在し、上の音響容積における忠実度の損失を暗示する。これは、トランスデューサ要素の配列における更に人手が介入するための開始点として用いられてよいが、時間がかかり、意図された最適レイアウトを不注意に損なう危険がある。

２．物理的制約の最適化

トランスデューサレイアウトは、２次元物理学のシミュレーションを用いることによって物理的制約に関して更に最適化され得る。シミュレーションにおける各電子部品は、複数の層から成る。各層において、オブジェクトは、同じ層に属する他の物体と相互作用する。たとえば、トランスデューサ体は、１つの層におけるプリミティブな形状としてモデル化され得る。別の層における異なる固定的に接続された形状は、トランスデューサの下の電子ピン接続を表す。上記例において、トランスデューサ体は互いに、また印刷回路基板のエッジと相互作用する。対照的に、トランスデューサピンをモデル化する形状は物理基板コネクタのみと相互作用し、コネクタを物理的に配列するために十分な空間があることを確実にする。その結果、物理プロセスのシミュレーションを用いて、部品の配置が全体的に最適化される。

３．設計を向上させるシミュレーション挙動

そのような制約付きシステムの物理シミュレーションを提供するように構成された（ハードウェア、ソフトウェア、またはその両方による）シミュレータは、トランスデューサ配列タスクのための直観設計ツールを提供するために用いられてよい。問題は、否定的制約を侵す所望の部品配列に直面する場合でも肯定的制約を満たすことが必要であるという点である。そのようなアプローチは、所与の任意の部品の理想例に最も近い配列をもたらすように試みながら、これらの制約を満たす、容易に直観される結果を生む。この努力の最終目標は、回路基板におけるトランスデューサの効率的な現実世界レイアウトを設計および供給することである。

物理プロセスは、たとえば、剛体として表された各部品および／または部品を均等に分散させる要素間の反発力場として想定されてよい。これらの要素は、物理バネの解釈に対応する制約によって好適な位置に接続され得る。このように、たとえば形状の閉塞など他の物理的な否定的制約に従い続けながら、肯定的制約である「バネ」が最も緩和された物理構成は、回路基板上の部品配列に関する包括的メタファを提供する。

剛体シミュレーションは、これらの制約に関するメタファをもたらすように構成され得る物理シミュレーションシステムの一例である。２つの剛体が同時に同じ空間を占めなくてもよいので、剛体としての各部品のシミュレーションは、形状の閉塞を防止する。シミュレータは、設計における各部品に拘束力を加えるために用いられてもよい。予め計算された理想的な位置に部品を可能な限り近く維持することが意図される。理想的な位置からの逸脱は、復元力の増加をもたらす。これは、部品を理想的な位置に向かって引張するバネとして想定およびモデル化されてよい。予め定義された点において、バネは壊れ、部品の削除および可能な再配置をもたらすように構成されてよい。

自動化され得る部品の初期配列が完了すると、シミュレーションは時間的に前進する。シミュレーションが時間的に前進すると、バネが収縮して部品をより良い位置に引き込み、他の制約は、部品を様々な好適位置から押しやってよい。時間とともに、これらの相反する力の作用は、プロセスからエクスポートされ得るより最適な構成へ基板設計が定着することを可能にする。これは、複数回繰り返されてよく、あるいは効果的な回路基板設計を得るためのより長い設計プロセスにおける単一ステップであってよい。

図２１は、シミュレートされた最終トランスデューサ配列２１１１、２１１３、２１１５の上に初期トランスデューサ配列２１１２、２１１４、２１１６が重ねられた左のレイアウト２１００を示す。中央のレイアウト２１２０において、部品のない長方形のゾーン２１２１は、トランスデューサを初期トランスデューサ配列２１１２、２１１４、２１１６から離れさせ、シミュレートされた最終トランスデューサ配列２１１１、２１１３、２１１５の位置を移動させる。初期トランスデューサ配列２１１２、２１１４、２１１６と、シミュレートされた最終トランスデューサ配列２１１１、２１１３、２１１５との接続は、各バネ２１２２、２１２３、２１２４を用いてモデル化される。

右のレイアウト２１３０において、拡張した長方形の部品のないゾーン２１３２によって、最も左の初期トランスデューサ配列２１１６からシミュレートされた最終トランスデューサ配置２１１５への距離が非常に大きくなるので、最も左側のトランスデューサ２１１５は取り除かれる。それによってバネ２１３１は壊れ、その結果、シミュレートされた最終トランスデューサ配列２１１５はレイアウトから取り除かれる。

図２２は、「不都合な」トランスデューサが完全に取り除かれるのではなくアレイ内で移動されるという点で異なる、同様の状況を示す。左のレイアウト２２１０は、部品のないゾーンがない５つのシミュレートされた最終トランスデューサ配列２２１１、２２１２、２２１３、２２１４、２２１５を示す（初期トランスデューサ配列は示されない）。中央のレイアウト２２２０は、トランスデューサ配列における部品のないゾーン２２３５の効果を示す。ここで、４つの初期トランスデューサ配列２２２１、２２２３、２２４、２２２５と、シミュレートされた最終トランスデューサ配列２２１１、２２１３、２２１４、２２１５との接続は、各バネ２２２６、２２２７、２２３０、２２２９を用いてモデル化される。部品のないゾーン２２３５によって、これら４つのトランスデューサの移動が必要になる。部品のないゾーン２２３５によって必要になる中間左側トランスデューサ２２１２の移動は非常に遠いので、バネ２２２８を破壊する。これは、中間左側トランスデューサのアレイの反対側の位置２２２２への移動を促す。

右のレイアウト２２４０に示すように、前者の中間左側トランスデューサ２２１２はアレイの反対側の位置２２２２へ移動し、バネ２２３１は、部品のないゾーン２２３５に対してその配列をモデル化するために用いられる。右のレイアウト２２４０における残りの要素は、中央のレイアウト２２２０と同じである。

部品レイアウトに急激に制約を適用すると、物理的制約が即時かつ急に破られることによる不安定さが生じ得る。これを緩和するために、制約および部品は緩慢に定位置に移動および拡張するようにされ得る。この物理的解釈は、シミュレーションの自然な結果として、部品が緩慢に位置を取ることを可能にする。図２３は、初期トランスデューサ配列２３１５を示す左のレイアウト２３１０を示す。中央のレイアウト２３２０において、トランスデューサ配列２３２５をある程度再編成させる小部品のないゾーン２３１２が示される。右のレイアウト２３３０において、トランスデューサ配列２３４０を大幅に再編成させる拡張した小部品のないゾーン２３３５が示される。

図２４は、小部品２４１１、２４１２、２４１３を有する左のレイアウト２４１０を示す。中央のレイアウト２４２０には、拡張した部品２４２１、２４２２、２４２３が存在する。右のレイアウト２４３０において、最終的なサイズの部品２４３１、２４３２、２４３３は、バネ制約を用いて自身で自然に配列する。

シミュレーションは、部品の動的な生成および削除を可能にすることによって相互作用的であってもよい。これらの部品は物理的にもシミュレートされ、この相互作用性は、人間の要素が配列プロセスを制御することを可能にする。これらの場合、即時的な部品位置および関連するバネ制約の固定位置は修正され得る。

図２５は、ユーザ入力２５１２によって新たな部品が追加されている、部品のセット２５１４を有する左のレイアウト２５１０を示す。中央のレイアウト２５２０は、順応するように移動した他の部品２５２４の中に初期の新たな部品２５２２が生成される様子を示す。右のレイアウト２５３０は、全ての部品２５３４の新たなレイアウトを示す。

図２６は、ユーザ入力２６１２によって新たな部品が取り除かれている、部品のセット２６１４を有する左のレイアウト２６１０を示す。中央のレイアウト２６２０は、取り除かれる部品２６２２が他の部品２６２４の中から取り除かれる様子を示す。右のレイアウト２６３０は、残っている部品２６３４のレイアウトを示す。

上記方法を用いて改善されたレイアウトの例が図２７に示される。部品レイアウト２７００は、上記の図２０における１７９の部品に比べて合計２３７の部品数をもたらす。より効率的なレイアウトの結果、領域２７１０、２７２０、２７３０、２７４０は空ではなく、多数の部品を含む。

ＩＩＩ．浮揚基準を用いるアレイの校正

１．入力校正ステップとしての浮揚

たとえばポリスチレンビーズなどの物体の浮揚は、アレイの上に生じた音響場を用いて可能である。小物体が捕捉され得る浮揚点を生成するために最適化が利用され得ることが示された。（Ｍａｒｚｏ他、Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｅｖｉｔａｔｅｄ ｏｂｊｅｃｔｓ、Ｎａｔｕｒｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ６：８６６１（２０１５））。浮揚点は、同じ位置に生成され得る同等の制御点からの予測可能なサブ波長オフセットにおいて、制御点と同様の方法で生成され得る。その後物体は、たとえばカメラであってよい、入力と同じセンサを用いて感知され得る。この物体はその後、自由空間に浮揚する基準マーカとして用いられ得る。この基準物体は、空間追跡機能を有する感知デバイスの入力座標空間と、音響出力座標空間との対応付けを提供し得る。

ビーズが浮揚点に捕捉されると、浮揚点は、制御点と同様の形式で緩慢に移動してよい。浮揚点がアレイの上の音響容積全体を移動すると、音響出力空間とセンサ入力空間との対応付けは精密化される。十分なセンサ校正を提供するために、物体は、３次元全てにわたって移動しなければならず、時間とともに入力空間と出力空間との対応付けを記録する。物体の経路の例は、アレイの上を浮揚する四面体の頂点間であってよい。音響的透明構造が予め定義された初期位置に基準を固定し、アレイが物体を把持し浮揚させ得る場合、システムは人手介入なしで動作してよい。

２．出力校正ステップとしての浮揚

位置の客観測定と入力センサ空間との対応付けが既知である場合、浮揚物体は、アレイの出力空間を校正するために用いられ得る。浮揚点のフォーメーションは制御点のフォーメーションと同様であるので、前者は、音響的仮定が音響容積全体で持続する方法を測定するために用いられてよい。これは、アレイが焦点を合わせる位置が正しいか、および焦点が空間内で線形または非線形に変換されるイベントにおける補正係数の計算が可能であるかを確かめるために用いられてよい。入力および出力校正ステップの両者は同時に実行されてよい。

Ｖ．結論

上述した実施形態の様々な特徴は、改善された触覚システムの数々の変形例を生成するために選択され組み合わされてよい。

本明細書において、特定の実施形態が説明された。ただし、当業者は、以下の特許請求の範囲に記載されるような本発明の範囲から逸脱することなく様々な修正例および変更例が作られ得ることを理解する。したがって、本明細書および図面は、限定的ではなく例示的な意味で考慮されるべきであり、そのような修正例は全て本教示の範囲内に含まれることが意図される。

利益、利点、問題に対する解決策、および任意の利益、利点、または解決策を生じさせ、またはより明確にする任意の要素（複数も可）は、任意のまたは全ての請求項の重要、必要、または不可欠な特徴または要素と解釈すべきではない。本発明は、本出願の係属中になされる任意の補正および発行されたこれらの請求項の均等物全てを含む特許請求の範囲によってのみ定義される。

また、本文書において、たとえば第１および第２、上部および下部などの相関的用語は、１つのエンティティまたはアクションを他のエンティティまたはアクションと区別するためにのみ用いられてよく、必ずしもそのようなエンティティまたはアクション間の任意の実際のそのような関係性または順序を暗示し、または必要とするものではない。「備える」、「備えている」、「有する」、「有している」、「含む」、「含んでいる」、「包含する」、「包含している」という用語、またはこれらの他の任意の変形は、要素の一覧を備え、有し、含み、包含するプロセス、方法、物品、または装置が、それらの要素だけではなく、明確に記載されない、またはそのようなプロセス、方法、物品、または装置に固有の他の要素も含んでよいように、非排他的な含意を包括することが意図される。「・・・を備える」、「・・・を有する」、「・・・を含む」、「・・・を包含する」が後続する要素は、更なる制約なしで、要素を備え、有し、含み、包含するプロセス、方法、物品、または装置における追加の同一要素の存在を排除するものではない。「ａ」および「ａｎ」という語は、本明細書において、例外が明記されない限り、１または複数として定義される。「実質的に」、「基本的に」、「およそ」、「約」という用語、またはこれらの他の任意の変形は、当業者が理解するものに近いものとして定義される。本明細書において用いられる「結合」という用語は、接続として定義されるが、必ずしも直接的接続ではなく必ずしも機械的接続ではない。特定の方法で「構成された」デバイスまたは構造は、少なくともそのように構成されるが、記載されない方法で構成されてもよい。
本開示における発明の概要は、読み手が技術的開示の性質を迅速に確認できるように提供される。これは、特許請求の範囲の意味または範囲を説明または限定するために用いられるものではないという理解の下、提示される。更に、上記の発明を実施するための形態において、本開示を合理的にするために様々な特徴が様々な実施形態にまとめてグループ分けされていることが分かる。この開示方法は、特許請求対象である実施形態が各請求項に明記されたもの以外の特徴を必要とするという意図を反映するものとして解釈すべきではない。むしろ、以下の特許請求の範囲が示すように、発明の主題事項は、開示された単一の実施形態の全ての特徴よりも少ない特徴にある。したがって、以下の特許請求の範囲は発明を実施するための形態に組み込まれ、各請求項は、個別に特許請求される主題事項として独自的なものである。

Claims (21)

1. 空中音響場を発生するための既知の相対位置および配向を有する複数のトランスデューサを有するトランスデューサアレイと、
   前記トランスデューサアレイに対して各々が既知の空間的関係を有する複数の制御点と
   を備え、
   前記複数のトランスデューサは、前記複数の制御点において所望の振幅で前記空中音響場を発生し、
   前記複数のトランスデューサの少なくとも一部は、部分的な葉序螺旋パターンに配列される、装置。
2. 前記部分的な葉序螺旋パターンは、前記空中音響場における誤った極大値を最小化する、請求項１に記載の装置。
3. 前記トランスデューサアレイは、直線的なフォーマットに配列される、請求項１に記載の装置。
4. 前記トランスデューサアレイは、フレームフォーマットに配列される、請求項１に記載の装置。
5. 前記複数のトランスデューサは、第１の配向を有する第１のトランスデューサおよび第２の配向を有する第２のトランスデューサを含み、前記第１の配向は前記第２の配向と等しくない、請求項１に記載の装置。
6. 前記第１の配向と前記第２の配向との差は約９０度である、請求項５に記載の装置。
7. 前記複数のトランスデューサの少なくとも１つは、前記空中音響場内の所定の点に向けられる、請求項１に記載の装置。
8. 前記部分的な葉序螺旋パターンにおける前記複数のトランスデューサの分布は、無理数の角度割合に基づく、請求項１に記載の装置。
9. 前記無理数は約０．６１８の値を有する、請求項８に記載の装置。
10. 前記部分的な葉序螺旋パターンにおける前記複数のトランスデューサの前記分布はほぼ等しい、請求項８に記載の装置。
11. 前記部分的な葉序螺旋パターンにおける前記複数のトランスデューサの前記分布は、前記部分的な葉序螺旋パターンのエッジに向かって疎らになる、請求項８に記載の装置。
12. 既知の相対位置および配向を有する空中音響場を発生するための複数の模擬トランスデューサを有する回路基板におけるトランスデューサアレイの構成をシミュレートすることを備え、
    前記複数のトランスデューサの各々は、前記複数のトランスデューサのうち２つが同時に同じ空間を占めることを防ぐために剛体シミュレーションを用いてシミュレートされる、方法。
13. 前記シミュレーションにおける前記複数の模擬トランスデューサの少なくとも１つに拘束力を加えることを更に備える、請求項１２に記載の方法。
14. 前記拘束力は、前記複数の模擬トランスデューサの少なくとも１つを理想的な位置の方へ引き寄せるバネとしてシミュレートされる、請求項１３に記載の方法。
15. 前記バネは、予め定義された点において壊れるようにシミュレートされ、前記シミュレーションからの前記複数の模擬トランスデューサの少なくとも１つの削除をもたらす、請求項１４に記載の方法。
16. 前記バネは、予め定義された点において壊れるようにシミュレートされ、前記シミュレーションからの前記複数の模擬トランスデューサの少なくとも１つの再配置をもたらす、請求項１４に記載の方法。
17. 前記回路基板は、模擬トランスデューサがない少なくとも１つの領域を含む、請求項１２に記載の方法。
18. 前記複数の模擬トランスデューサの一部は、初期的に部分的な葉序螺旋パターンに配列される、請求項１７に記載の方法。
19. 前記回路基板における前記トランスデューサアレイ配置の前記構成は、模擬トランスデューサがない前記少なくとも１つの領域の周囲における前記複数の模擬トランスデューサの効率的配列を含む、請求項１７に記載の方法。
20. 空中音響場を発生するための既知の相対位置および配向を有する複数のトランスデューサを有するトランスデューサアレイと、
    前記複数のトランスデューサが所望の振幅で空中音響場を発生する複数の浮揚点と、
    浮揚点の付近に浮揚する少なくとも１つの空中基準マーカと、
    前記空中音響場内に前記浮揚点を配置するための感知デバイスと、
    前記空中音響場内の前記空中基準マーカの少なくとも１つの位置の追跡に基づいて前記感知デバイスを校正するための校正器と
    を備える装置。
21. 前記空中音響場内の前記空中基準マーカの少なくとも１つの前記位置を追跡することは、前記空中基準マーカの少なくとも１つの３次元における移動を含む、請求項２０に記載の装置。

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