Development of ultrasonic feedback phased array tactile display

超声反馈相控阵触觉显示器的研制

基本信息

批准号：
20K19819
负责人：
藤原正浩
金额：
$ 2.83万
依托单位：
Nanzan University (2022)The University of Tokyo (2020-2021)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本年度は、前年度までに製作したULFPAT（Ultrasonic feedback phased array tactile display）の試作機に対し、その性能評価を継続的に行った。超音波フェーズドアレイは非常に高い音場生成の自由度があり、センシングにおいても同様に空間感度分布の設計自由度があるはずだが、単一焦点/単一点感度以外の音場/感度分布は非凸な目的関数の最適化問題となり、大域的な最適解を求めることが困難であった。それに対し局所解を求める方法としてLevenberg-Marquardt法などが有効であり、その他にも複数の手法が提案されている。しかし、得られた解の大域的な位置づけや幾何学的なイメージに基づく考察は困難であった。本年度はこの超音波フェーズドアレイによる音場生成問題を、複素多様体上の大域的最適化問題として定式化できることを明らかにし、国際会議(SICE Annual Conference 2023)にて口頭発表した。また、ULFPATの主目的である刺激位置の妥当性検証について、昨年度発見したサーモグラフィー・カメラに基づくセンシング手法についても、そのメカニズムの詳細を明らかにした。皮膚を音響放射圧により加圧する際、皮膚表面の温度分布が音圧分布を反映しており、それをサーモグラフィーとして確認されることを実験及び熱伝導論に基づき明らかにした。これにより、非常に高い解像度で空間分布が得られ、また時間解分解能も高くリアルタイムで分布を確認できることを確認した。その一方で、皮膚表面の発熱や発汗など、音響照射によるものでない温度外乱が存在する場合、ULFPATによる焦点位置検証が妥当であると考えられる。

今年，我们继续评估去年生产的 ULFPAT（超声波反馈相控阵触觉显示器）原型的性能。超声波相控阵在声场产生方面具有非常高的自由度，传感在设计空间灵敏度分布时应该具有类似的自由度，但除单焦点/单点灵敏度之外的声场/灵敏度分布是不存在的这是一个具有凸目标函数的优化问题，很难找到全局最优解。另一方面，Levenberg-Marquardt 方法作为寻找局部解的方法是有效的，并且还提出了几种其他方法。然而，很难考虑所获得的解和几何图像的全局定位。今年，我们阐明了利用超声相控阵产生声场的问题可以表述为复杂流形上的全局优化问题，并在国际会议（SICE Annual Conference 2023）上进行了口头报告。此外，为了验证刺激位置的有效性（ULFPAT的主要目的），我们还阐明了基于去年发现的热成像相机的传感方法的机制细节。基于实验和热传导理论，我们发现当皮肤受到声辐射压力加压时，皮肤表面的温度分布反映了声压分布，这可以通过热成像来证实。我们证实，这使我们能够获得具有非常高分辨率的空间分布，并且还具有高时间分辨率，使我们能够实时确认分布。另一方面，如果存在非声辐射引起的温度扰动，例如皮肤表面发热或出汗，则认为使用 ULFPAT 验证焦点位置是适当的。