一種伸縮裝置、手持設(shè)備及阻尼模擬方法、系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種伸縮裝置，包括殼體和安裝在所述殼體上的伸縮部件，還包括阻尼產(chǎn)生裝置和驅(qū)動控制裝置，其中：所述阻尼產(chǎn)生裝置固定安裝在所述殼體上，且在工作時與所述伸縮部件耦合，用于對所述伸縮部件施加與其運(yùn)動方向相反的阻力；所述驅(qū)動控制裝置與所述阻尼產(chǎn)生裝置耦合，用于根據(jù)阻尼控制信號對應(yīng)的驅(qū)動模式驅(qū)動所述阻尼產(chǎn)生裝置，從而調(diào)節(jié)所述阻力的大小。本發(fā)明還提供了包括該伸縮裝置的手持設(shè)備以及使用該手持設(shè)備的阻尼模擬方法和系統(tǒng)，可以在手持設(shè)備的虛擬延伸部分碰觸到虛擬物體時，更真實地模擬出物體對手持設(shè)備產(chǎn)生的阻力。
【專利說明】一種伸縮裝置、手持設(shè)備及阻尼模擬方法、系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種阻尼的產(chǎn)生和控制，更具體地，涉及一種可產(chǎn)生阻尼的伸縮裝置、手持設(shè)備及阻尼模擬方法、系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]在立體顯示技術(shù)中，用戶的人機(jī)交互已經(jīng)不再限制于二維空間，為了力求真實感，在三維尺度上的交互必須與視覺效果緊密結(jié)合起來。
[0003]在申請?zhí)枮镃N201110343305.9的中國專利申請中提到，如圖1所示。操作棒上具有一個可以伸縮的頭部，同時操作棒本身可以測量伸縮部分的長度。當(dāng)操作棒接觸到屏幕并且發(fā)生縮入的時候，屏幕內(nèi)會產(chǎn)生一個操作棒的虛擬的延伸部分，其長度取決于操作棒測量到的縮入長度。如果操作棒伸入屏內(nèi)距離已經(jīng)達(dá)到預(yù)設(shè)的屏內(nèi)視差所虛擬出來的物體時，客戶端程序會控制接下來將發(fā)生的所有互動更新。
[0004]為了模擬碰觸到屏內(nèi)虛擬物體時產(chǎn)生的變化的阻尼(或稱為阻力)，上述方案提到以力反饋的方式來產(chǎn)生相應(yīng)的觸感，但這種方式所產(chǎn)生的觸感與實際阻力產(chǎn)生的感受仍有相當(dāng)?shù)牟罹?，不能滿足真實模擬的效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種可控阻尼的伸縮裝置和手持設(shè)備。
[0006]為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種伸縮裝置，包括殼體和安裝在所述殼體上的伸縮部件，還包括阻尼產(chǎn)生裝置和驅(qū)動控制裝置，其中:
[0007]所述阻尼產(chǎn)生裝置固定安裝在所述殼體上，且在工作時與所述伸縮部件耦合，用于對所述伸縮部件施加與其運(yùn)動方向相反的阻力；
[0008]所述驅(qū)動控制裝置與所述阻尼產(chǎn)生裝置耦合，用于根據(jù)阻尼控制信號對應(yīng)的驅(qū)動模式驅(qū)動所述阻尼產(chǎn)生裝置，從而調(diào)節(jié)所述阻力的大小。
[0009]較佳地，
[0010]所述阻尼產(chǎn)生裝置為一電磁裝置或液壓伸縮裝置或氣動伸縮裝置。
[0011]較佳地，
[0012]所述阻尼產(chǎn)生裝置包括在所述伸縮部件上裝有永磁體或電磁鐵；
[0013]所述阻尼產(chǎn)生裝置還包括位于該永磁體或電磁鐵運(yùn)動軌跡一端外側(cè)的一電磁鐵，或者包括分別位于該運(yùn)動軌跡兩端外側(cè)的兩個電磁鐵，或者包括分別位于該運(yùn)動軌跡兩端外側(cè)的兩個電磁鐵以及環(huán)繞該運(yùn)動軌跡分布的一個或多個電磁鐵；
[0014]所述驅(qū)動控制裝置包括所述電磁鐵的線圈驅(qū)動電路。
[0015]較佳地，
[0016]所述可伸縮部件為一動桿，所述電磁鐵環(huán)繞著所述動桿的運(yùn)動軌跡設(shè)置；
[0017]所述驅(qū)動控制裝置還包括信號生成電路，用于根據(jù)給定的占空比生成脈寬調(diào)制信號；所述線圈驅(qū)動電路在所述脈寬調(diào)制信號和/或流向信號的作用下，改變輸出到相應(yīng)電磁鐵的電流大小和/或方向，從而調(diào)節(jié)所述阻尼的大小。
[0018]較佳地，
[0019]所述阻尼產(chǎn)生裝置為一氣動伸縮裝置，包括動力氣室，通過帶閥門連接管分別與所述動力氣室連通的正壓氣室和負(fù)壓氣室、將負(fù)壓氣室空氣抽至正壓氣室的正負(fù)壓交換裝置，所述動力氣室的輸出活塞與所述伸縮部件一端連接或在工作時通過電磁機(jī)構(gòu)吸合，所述動力氣室中設(shè)有一氣壓計；
[0020]所述驅(qū)動控制裝置包括所述氣動伸縮裝置的閉環(huán)控制電路，用于根據(jù)預(yù)期氣壓值和所述氣壓計檢測到的氣壓值控制正負(fù)壓交換裝置和閥門，使所述動力氣室的氣壓值符合所述預(yù)期氣壓值。
[0021]較佳地，
[0022]所述阻尼產(chǎn)生裝置為一液壓伸縮裝置，包括帶有兩個活塞的液壓室、與其中一活塞連接的推動裝置，另一活塞與所述伸縮部件一端連接或在工作時通過電磁機(jī)構(gòu)吸合，所述液壓室中設(shè)有一液壓計；
[0023]所述驅(qū)動控制裝置包括所述液壓伸縮裝置的閉環(huán)控制電路，用于根據(jù)預(yù)期液壓值和所述液壓計檢測到的液壓值控制所述推動裝置的運(yùn)動，使所述液壓室的液壓值符合所述預(yù)期液壓值。
[0024]相應(yīng)地，本發(fā)明提供的一種手持設(shè)備，包括上述任一伸縮裝置，還包括:
[0025]檢測裝置，用于檢測所述伸縮部件的姿態(tài)、及伸出或縮入長度的信息；
[0026]通信裝置，與所述驅(qū)動控制裝置電連接，用于接收外部主控裝置發(fā)送的阻尼信息；及將所述檢測裝置的檢測結(jié)果發(fā)送給外部主控裝置。
[0027]較佳地，
[0028]所述通信裝置接收的阻尼信息是所述阻尼控制信號，所述通信裝置將所述阻尼控制信號傳送到所述驅(qū)動控制裝置；或者
[0029]所術(shù)手持設(shè)備還包括:運(yùn)算裝置；所述通信裝置接收的阻尼信息是預(yù)期阻尼值，所述通信裝置將所述預(yù)期阻尼值傳送到所述運(yùn)算裝置；所述運(yùn)算裝置用于根據(jù)所述預(yù)期阻尼值，結(jié)合驅(qū)動控制裝置和/或阻尼產(chǎn)生裝置的參數(shù)計算出相應(yīng)的阻尼控制信號并傳送到所述驅(qū)動控制裝置。
[0030]較佳地，
[0031]所述阻尼產(chǎn)生裝置為一電磁裝置，所述阻尼控制信號為脈寬調(diào)制的占空比信號；或者
[0032]所述阻尼產(chǎn)生裝置為一氣動伸縮裝置，所述阻尼控制信號為給定的預(yù)期氣壓值；或者
[0033]所述阻尼產(chǎn)生裝置為一液壓伸縮裝置，所述阻尼控制信號為給定的預(yù)期液壓值。
[0034]上述方案通過在殼體上裝設(shè)阻尼產(chǎn)生裝置和及安裝相應(yīng)的驅(qū)動設(shè)備，可以在伸縮部件運(yùn)動方向上施加可控的阻力，達(dá)到可控阻尼的效果。
[0035]本發(fā)明要解決另一的技術(shù)問題是提供一種阻尼模擬方法及系統(tǒng)，可以在手持設(shè)備的虛擬延伸部分碰觸到虛擬物體時，更真實地模擬出物體對手持設(shè)備產(chǎn)生的阻力。
[0036]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種阻尼模擬系統(tǒng)，包括上述任一手持設(shè)備，還包括一主控裝置和一 3D顯示設(shè)備，其中:[0037]3D顯示設(shè)備，用于通過顯示屏顯示3D圖像，所述3D圖像中包括位于所述顯示屏內(nèi)部的屏內(nèi)虛擬物體；
[0038]手持設(shè)備用于在其伸縮部件碰觸到所述顯示屏后自由縮入，直到接收到所述主控裝置發(fā)送的阻尼信息后，根據(jù)所述阻尼信息產(chǎn)生對所述伸縮部件縮入的阻力；
[0039]主控裝置用于在所述手持設(shè)備的伸縮部件碰觸到所述顯示屏后，根據(jù)所述手持設(shè)備檢測的所述伸縮部件的姿態(tài)和縮入長度的信息生成所述伸縮部件的虛擬延伸部分，如判斷所述虛擬延伸部分碰觸到屏內(nèi)虛擬物體，向所述手持設(shè)備發(fā)送阻尼信息。
[0040]相應(yīng)地，本發(fā)明提供的一種阻尼模擬方法，用于模擬手持設(shè)備碰觸屏內(nèi)虛擬物體的過程中的阻力，該方法包括:
[0041]手持設(shè)備的伸縮部件碰觸到顯示屏后自由縮入；
[0042]根據(jù)檢測的所述伸縮部件的姿態(tài)和縮入長度的信息生成所述伸縮部件的虛擬延伸部分；
[0043]判斷所述虛擬延伸部分是否碰觸到屏內(nèi)虛擬物體，如碰觸到，向所述手持設(shè)備發(fā)送阻尼信息；
[0044]所述手持設(shè)備根據(jù)所述阻尼信息產(chǎn)生對所述伸縮部件縮入的阻力并傳遞給該手持設(shè)備的握持者。
[0045]上述阻尼模擬方法及系統(tǒng)，可以在手持設(shè)備的虛擬延伸部分碰觸到虛擬物體時，可以產(chǎn)生實際的阻力，從而更真實地模擬出物體對手持設(shè)備產(chǎn)生的阻力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0046]圖1是相關(guān)技術(shù)中操作棒碰觸屏內(nèi)虛擬物體的場景的示意圖；
[0047]圖2是本發(fā)明實施例一伸縮裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0048]圖3是本發(fā)明實施例二伸縮裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0049]圖4是本發(fā)明實施例三伸縮裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0050]圖5是本發(fā)明實施例四手持設(shè)備的模塊示意圖；
[0051]圖6是本發(fā)明實施例五阻尼模擬系統(tǒng)的示意圖；
[0052]圖7是本發(fā)明實施例五阻尼模擬方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0053]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，下文中將結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進(jìn)行詳細(xì)說明。需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互任意組合。
[0054]本發(fā)明實施方式中的伸縮裝置包括殼體和安裝在所述殼體上的伸縮部件，還包括阻尼產(chǎn)生裝置和驅(qū)動控制裝置，其中:阻尼產(chǎn)生裝置固定安裝在所述殼體上，且在工作時與所述伸縮部件耦合，用于對所述伸縮部件施加與其運(yùn)動方向相反的阻力。該阻尼產(chǎn)生裝置可以有很多種，如可以是一電磁裝置或液壓伸縮裝置或氣動伸縮裝置或機(jī)械抱合裝置。驅(qū)動控制裝置與所述阻尼產(chǎn)生裝置耦合，用于根據(jù)阻尼控制信號對應(yīng)的驅(qū)動模式驅(qū)動所述阻尼產(chǎn)生裝置，從而調(diào)節(jié)所述阻力的大小。其中的驅(qū)動模式可以由驅(qū)動參數(shù)(如電流、頻率等)、驅(qū)動狀態(tài)(如通斷狀態(tài)、啟停狀態(tài))等決定。[0055]實施例一
[0056]本實施例伸縮裝置中的阻尼產(chǎn)生裝置為一電磁式的阻尼產(chǎn)生裝置。
[0057]如圖2所示，該伸縮裝置包括:
[0058]伸縮部件101，圖中以一動桿作為示例，是整個伸縮裝置的軸心部分。
[0059]導(dǎo)軌部件102:圖中以一套筒作為示例，作為伸縮部件的導(dǎo)軌，也可起到支撐殼體(圖中未示出)的作用。在其他實施例中，導(dǎo)軌部件也可以是殼體或殼體的一部分。
[0060]前限位擋環(huán)103，后限位擋環(huán)109，安裝在動桿在套筒內(nèi)部分的兩端，共同構(gòu)成于動桿的限位結(jié)構(gòu)。容易理解，伸縮裝置中的限位結(jié)構(gòu)可以有很多種，并不局限于此示例。
[0061]永磁體105，圖中以一稀土永磁體棒為示例，永磁體可以套設(shè)在動桿內(nèi)(動桿為空心)或外，也可以作為動桿中的一段。該永磁體也可以用一電磁鐵代替。
[0062]第一電磁鐵104、第二電磁鐵106，固定在殼體上，環(huán)繞動桿裝設(shè)且裝設(shè)在永磁體運(yùn)動軌跡兩端的外側(cè)，即圖中鐵氧體在動桿伸出時不會運(yùn)動到第一電磁鐵的軸心位置，在動桿縮入時不會運(yùn)動到第二電磁鐵的軸心位置。永磁體、第一電磁鐵和第二電磁鐵共同構(gòu)成了電磁式的阻尼產(chǎn)生裝置，電磁鐵通電后產(chǎn)生磁場對永磁體產(chǎn)生在其伸出或縮入方向上的吸力。
[0063]第一驅(qū)動電路111、第一驅(qū)動電路112，分別是第一電磁鐵和第二電磁鐵的線圈驅(qū)動電路，與信號生成電路一起構(gòu)成阻尼產(chǎn)生裝置的驅(qū)動控制裝置。該信號生成電路用于根據(jù)給定的占空比生成脈寬調(diào)制信號(也可以是其他可以改變線圈驅(qū)動電路輸出電流的控制信號)；所述線圈驅(qū)動電路在脈寬調(diào)制信號和/或流向信號的作用下，改變輸出到相應(yīng)電磁鐵的電流大小和/或方向，從而調(diào)節(jié)所述阻尼的大小。
[0064]基于上述結(jié)構(gòu)，當(dāng)整個伸縮裝置向下運(yùn)動，碰觸到實際物體如顯示屏?xí)r，其伸縮部件會向內(nèi)縮入，如果在3D場景下此時并未碰觸到虛擬物體，伸縮部件自由縮入以模擬基于虛擬環(huán)境的效果，之后，如果伸縮部件的虛擬延伸部分碰觸到3D虛擬物體時，要模擬阻力，可以給第一驅(qū)動電路和/或第二驅(qū)動電路提供控制信號如PWM (脈寬調(diào)制)信號，使第一電磁鐵和/或第二電磁鐵通電,對永磁體105產(chǎn)生伸出方向上的力，也即對動桿施加縮入方向上的阻力。當(dāng)驅(qū)動電壓一定時，吸力大小正比與供給第一驅(qū)動電路和第二驅(qū)動電路的PWM信號的占空比成正比。
[0065]使用裝設(shè)在鐵氧體運(yùn)動軌跡一端外側(cè)的一個電磁鐵也可以產(chǎn)生上述動桿縮入方向上的阻力，但在動桿運(yùn)動過程中，隨著鐵氧體距離該電磁鐵的距離的變化，兩者之間磁場的變化很快，很難精確控制力的大小。因此本實施例在鐵氧體運(yùn)動軌跡的兩端分別設(shè)置一個電磁鐵，兩者的共同作用力隨鐵氧體位置的變化相對于設(shè)置一個電磁鐵時更容易控制。較佳地，還可以環(huán)繞鐵氧體運(yùn)動軌跡均勻設(shè)置一個或多個電磁鐵，使得整個磁場更為均勻，也更有利于對阻力的精確控制。
[0066]在需要動桿主動縮入或伸出的場景下也可以使用本實施例的伸縮裝置，只要為驅(qū)動控制裝置提供相應(yīng)的控制信號，上述阻尼產(chǎn)生裝置也可達(dá)到在動桿沒有碰觸到實際物體時，使動桿主動縮入或伸出的效果。當(dāng)一個電磁鐵即需要對鐵氧體產(chǎn)生使動桿伸出的力，又需要產(chǎn)生使動桿縮入的力時，可以增加一個對電流方向的控制信號來改變驅(qū)動電路輸出到電磁鐵的電流方向，從而改變力的方向。
[0067]本實施例方案特別適用于對阻尼大小要求不高的場景如平板電腦、手機(jī)上的手持輸入設(shè)備，控制簡單，成本低。
[0068]實施例二
[0069]本實施例伸縮裝置中的阻尼產(chǎn)生裝置為一氣壓式的阻尼產(chǎn)生裝置，用一氣動伸縮裝置來實現(xiàn)。
[0070]如圖3所示，本實施例的伸縮裝置包括:
[0071]伸縮部件201、導(dǎo)軌部件202，同實施例一中的伸縮部件和導(dǎo)軌部件，圖中以動桿和套筒為示例；
[0072]動力氣室活塞205，與動桿的一端連接，在動力氣室205的正負(fù)壓的驅(qū)使下對動桿產(chǎn)生力的作用，可以是施加到動桿運(yùn)動方向上的阻力，也可以是主動帶動動桿201做伸縮運(yùn)動的力。
[0073]動力氣室206，以可調(diào)節(jié)的正負(fù)壓推動動力氣室活塞205的密閉氣室。
[0074]負(fù)壓氣閥207，安裝在動力氣室206和負(fù)壓氣室208之間的連接管上，打開該閥門將連通動力氣室206和負(fù)壓氣室208，降低動力氣室206中的氣壓。
[0075]負(fù)壓氣室208，是用于儲存產(chǎn)生負(fù)壓的真空氣室。
[0076]正負(fù)壓交換裝置209，是一種將負(fù)壓氣室208中的空氣抽至正壓氣室210的裝置，典型的做法是在連通正壓氣室和負(fù)壓氣室的管道上安裝一個將氣體從負(fù)壓氣室208抽至正壓氣室210的氣泵。
[0077]正壓氣室210，用于儲存產(chǎn)生正壓的壓縮氣室。
[0078]正壓氣閥211，安裝在動力氣室206和正壓氣室208之間的連接管上，打開該閥門將連通動力氣室206和正壓氣室208，提高動力氣室206中的氣壓。
[0079]氣壓計212，用于測量動力氣室206中的氣壓，用于產(chǎn)生固定阻尼的測量。
[0080]上述動力氣室、正壓氣室、負(fù)壓氣室、正負(fù)壓交換裝置及上述連接管、閥門共同構(gòu)成了本實施例的阻尼產(chǎn)生裝置。圖中略去了該阻尼產(chǎn)生裝置的驅(qū)動控制裝置，該驅(qū)動控制裝置包括一個閉環(huán)控制電路，用于根據(jù)作為阻尼控制信號的預(yù)期氣壓值和所述氣壓計檢測到的氣壓值控制正負(fù)壓交換裝置和閥門，使所述動力氣室的氣壓值符合所述預(yù)期氣壓值。
[0081]特別地，動力氣室活塞也可以不與動桿的一端連接，而是在工作時通過電磁機(jī)構(gòu)吸合，如在動桿的該端裝設(shè)電磁鐵，在動力室活塞上裝設(shè)永磁體，或者相反，等等。這樣兩者可以在需要的時候再吸合在一起，產(chǎn)生阻力或者動力。而在不需要產(chǎn)生力的時候，如在動桿的自由縮入過程中，可以使兩者分離，無需其他控制即可達(dá)到自由縮入的效果。當(dāng)然，動力氣室活塞與動桿的一端連接時，也可以通過隨動控制來實現(xiàn)相似的效果。
[0082]在產(chǎn)生阻尼前，正負(fù)壓交換裝置將負(fù)壓氣室的空氣抽至正壓氣室，將負(fù)壓氣室和正壓氣室內(nèi)的壓力調(diào)整至工作狀態(tài)。如控制正壓氣閥打開，負(fù)壓氣閥關(guān)閉，正壓氣室內(nèi)的高氣壓將涌入動力氣室，在動桿碰觸實際物體而縮入的情況下，將通過動力室活塞產(chǎn)生阻止動桿縮入的阻力。在動桿沒有碰觸實際物體的情況下，將推動動桿主動“伸出”。相似的，如控制正壓氣閥關(guān)閉，負(fù)壓氣閥打開，動力氣室內(nèi)氣壓將降低，在動桿沒有碰觸實際物體的情況下，將帶動動桿主動“縮入”。
[0083]在動力室活塞移動的過程中，動力室內(nèi)的壓力會發(fā)生變化，為了對壓力進(jìn)行控制達(dá)到可控阻尼的效果，在動力室內(nèi)設(shè)置一氣壓計，實時采集動力室內(nèi)的氣壓的值，將檢測到的氣壓和給定的預(yù)期氣壓(與阻尼大小成正比)作為閉環(huán)控制電路的輸入，通過控制正負(fù)壓交換裝置和閥門，使檢測的氣壓符合給定的預(yù)期氣壓。比如，在檢測的氣壓低于預(yù)期氣壓時，控制正壓氣閥打開、負(fù)壓氣閉關(guān)閉，控制正負(fù)壓交換裝置處于持續(xù)抽取狀態(tài)。
[0084]本實施例采用2個正負(fù)壓儲存腔體，預(yù)處理未來可能需要的氣壓，能大幅提高目標(biāo)阻尼氣壓的生成速度。同時能產(chǎn)生較大的范圍可控伸縮阻尼，能產(chǎn)生真實的觸感，適用于對成本和尺寸不太敏感的領(lǐng)域。如手術(shù)模擬教學(xué)設(shè)備等，用于使用手術(shù)刀模擬人體解剖的過程。
[0085]實施例三
[0086]本實施例伸縮裝置中的阻尼產(chǎn)生裝置為一液壓式的阻尼產(chǎn)生裝置，用一液壓伸縮裝置來實現(xiàn)。
[0087]如圖4所示，本實施例的伸縮裝置包括:
[0088]伸縮部件301、導(dǎo)軌部件302，同實施例一中的伸縮部件和導(dǎo)軌部件，圖中以動桿和套筒為示例；
[0089]第一液壓活塞305，與動桿201的一端連接，在液壓室305的驅(qū)使下對動桿201產(chǎn)生力的作用，可以是施加到動桿201運(yùn)動方向上的阻力，也可以是主動帶動動桿201做伸縮運(yùn)動的力。
[0090]液壓室306，容納液壓裝置所需的液體。
[0091]第二液壓活塞307，用于產(chǎn)生液壓的活塞，由活塞推動裝置308推拉產(chǎn)生液壓。
[0092]活塞推動裝置308，用于產(chǎn)生直線位移推拉第二液壓活塞307產(chǎn)生液壓，典型的做法是一個絲桿+雙向電機(jī)的結(jié)構(gòu)。
[0093]液壓計309，安裝在液壓室306內(nèi)，用于測量液壓室306內(nèi)的壓力，該壓力可用于評估和反饋阻尼大小。
[0094]上述液壓室、第一液壓活塞、第二液壓活塞和活塞推動裝置共同構(gòu)成了本實施例的阻尼產(chǎn)生裝置。圖中略去了該阻尼產(chǎn)生裝置的驅(qū)動控制裝置，該驅(qū)動控制裝置為一閉環(huán)控制電路，根據(jù)作為阻尼控制信號的預(yù)期液壓值和所述液壓計檢測到的液壓值控制所述推動裝置的運(yùn)動(如方向、速度)，使所述液壓室的液壓值符合所述預(yù)期液壓值。
[0095]第一液壓活塞也可以不與動桿的一端連接，而是在工作時通過電磁機(jī)構(gòu)吸合。兩者在需要的時候再吸合在一起產(chǎn)生阻力或者動力。在不需要產(chǎn)生力的時候，如在動桿的自由縮入過程中，可以使兩者處于分離狀態(tài)，這樣無需控制即可達(dá)到自由縮入的效果。當(dāng)然，通過對液壓伸縮裝置的隨動控制也可以實現(xiàn)相似的效果。
[0096]在動桿碰觸實際物體而縮入的情況下，通過驅(qū)動控制裝置驅(qū)動活塞推動裝置推動第二液壓活塞，可以使液壓室內(nèi)壓力增大，進(jìn)而推動第一液壓活塞產(chǎn)生阻止動桿縮入的阻力，由于力的相互作用，如果有人握持該伸縮裝置的殼體，該阻力將傳遞到人的手上，感覺為阻止伸縮裝置壓下的力，有點類似于伸縮裝置內(nèi)有彈簧阻止伸縮部件縮入時產(chǎn)生的阻力。在動桿沒有碰觸實際物體的情況下，上述控制將推動動桿主動“伸出”。同理，如驅(qū)動活塞推動裝置拉動第二液壓活塞，使液壓室內(nèi)壓力減小，吸走第一液壓活塞，在動桿沒有碰觸實際物體的情況下，將帶動動桿主動“縮入”。
[0097]在第一液壓活塞移動的過程中，液壓室內(nèi)的壓力會發(fā)生變化，為了對壓力進(jìn)行控制達(dá)到可控阻尼的效果，在液壓室內(nèi)設(shè)置一液壓計，實時采集液壓室內(nèi)液壓的值，將檢測到的液壓和給定的預(yù)期液壓(與阻尼大小成正比)作為閉環(huán)控制電路的輸入，控制活塞推動裝置的運(yùn)動，使檢測的液壓符合給定的預(yù)期液壓。比如，在檢測的液壓低于預(yù)期液壓時，控制活塞推動裝置向動桿伸出方向做推動，而在檢測的液壓高于預(yù)期液壓時，控制活塞推動裝置向動桿縮入方向做拉動。 [0098]本實施例能產(chǎn)生的阻尼變化范圍是三個方案中最高的。根據(jù)液壓腔體內(nèi)填充的液體或者氣體的性質(zhì)不同，可產(chǎn)生近乎剛性的觸感，也可以產(chǎn)生非常柔軟的觸感，適用于對成本和尺寸不太敏感的領(lǐng)域。如手術(shù)模擬教學(xué)設(shè)備，用于使用手術(shù)刀模擬人體解剖的過程?’游戲互動，用于模擬刀劍砍殺等動作。等等。
[0099]上述3個實施例給出了伸縮裝置的結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)可控阻尼，同時還具備主動伸縮的功能。這意味著用戶在使用包含所述伸縮裝置的手持設(shè)備如操作棒與屏幕內(nèi)3D虛擬物體互動的時候，伸縮阻尼可控，用于模擬觸覺，甚至是一段操作過程，例如:使用操作棒劃過一片草地的梭梭感；模擬手術(shù)教學(xué)實驗時，解剖人體組織所感受到的不同阻力等等?？梢源蟠筇嵘摂M交互的真實性。
[0100]實施例四
[0101]本實施例提供一種手持設(shè)備，如可以是3D交互中使用的操作棒，其包括上述任一實施例的伸縮裝置。
[0102]為了實現(xiàn)在3D場景下的實際應(yīng)用，如圖5所示，本實施例手持設(shè)備的電路部分包括:
[0103]檢測裝置50，用于檢測伸縮裝置上伸縮部件的姿態(tài)、及伸出或縮入長度的信息。其中對伸出或縮入長度的測量可以使用微距直線位移測量系統(tǒng)來實現(xiàn)，也可以通過分別安裝在伸縮部件和殼體上的兩個空間位置傳感器件來檢測和計算。而對于伸縮部件的姿態(tài)的測量，可以借助對手持設(shè)備的姿態(tài)測量來實現(xiàn)，如采用慣性測量單元(Inertial measurementunit,簡稱IMU)來測量該手持設(shè)備的三軸姿態(tài)角(或角速率)。
[0104]通信裝置52，用于接收外部主控裝置發(fā)送的預(yù)期阻尼值并傳送給運(yùn)算裝置；及將所述檢測裝置的檢測結(jié)果發(fā)送給外部主控裝置。該通信裝置較佳地為一無線通信裝置，如WIFI，ZIGBEE，藍(lán)牙等近距離無線通信技術(shù)。
[0105]運(yùn)算裝置54，用于根據(jù)所述預(yù)期阻尼值，結(jié)合驅(qū)動控制裝置和/或阻尼產(chǎn)生裝置的參數(shù)計算出相應(yīng)的阻尼控制信號并傳送到所述驅(qū)動控制裝置。
[0106]驅(qū)動控制裝置56與阻尼產(chǎn)生裝置耦合，用于根據(jù)阻尼控制信號對應(yīng)的驅(qū)動模式驅(qū)動所述阻尼產(chǎn)生裝置，從而調(diào)節(jié)所述阻力的大小。
[0107]例如，對于采用電磁式阻尼產(chǎn)生裝置的實施例一，通信裝置接收外部主控裝置發(fā)送的預(yù)期阻尼值，轉(zhuǎn)發(fā)給運(yùn)算裝置；運(yùn)算裝置根據(jù)該預(yù)期阻尼值，結(jié)合驅(qū)動控制電路和電磁式阻尼產(chǎn)生裝置的參數(shù)(如電壓、線圈匝數(shù)、電磁鐵與鐵氧體的相對位置等等)，計算出可以得到所述預(yù)期阻尼的脈寬調(diào)制信號的占空比，作為阻尼控制信號提供給驅(qū)動控制電路。
[0108]又如，對于采用氣壓伸縮裝置產(chǎn)生阻尼的實施例二，通信裝置接收外部主控裝置發(fā)送的預(yù)期阻尼值，轉(zhuǎn)發(fā)給運(yùn)算裝置；運(yùn)算裝置根據(jù)該預(yù)期阻尼值，結(jié)合動力氣室中活塞的面積、大氣壓等參數(shù)，計算出對動桿產(chǎn)生該預(yù)期阻尼值所需的預(yù)期氣壓值，作為阻尼控制信號提供給所述氣壓伸縮裝置的閉環(huán)控制電路。
[0109]又如，對于采用液壓伸縮裝置產(chǎn)生阻尼的實施例三，通信裝置接收外部主控裝置發(fā)送的預(yù)期阻尼值，轉(zhuǎn)發(fā)給運(yùn)算裝置；運(yùn)算裝置根據(jù)該預(yù)期阻尼值，結(jié)合液壓室中活塞的面積、大氣壓等參數(shù)，計算出對動桿產(chǎn)生該預(yù)期阻尼值所需的預(yù)期液壓值，作為阻尼控制信號提供給所述液壓伸縮裝置的閉環(huán)控制電路。
[0110]在另一實施例中，如果外部主控裝置可以知道手持設(shè)備中的上述參數(shù)，也可以由該主控裝置根據(jù)預(yù)期阻尼值預(yù)先計算出相應(yīng)的阻尼控制信號再發(fā)送給手持設(shè)備，此時，手持設(shè)備不再具有上述運(yùn)算裝置，而通信裝置接收的阻尼信息是阻尼控制信號，通信裝置接收到該阻尼控制信號后直接轉(zhuǎn)發(fā)給驅(qū)動控制裝置。
[0111]實施例五
[0112]如圖6所示，本實施例的阻尼模擬系統(tǒng)包括實施例四中的手持設(shè)備，還包括一主控裝置和一 3D顯示設(shè)備，其中:
[0113]3D顯示設(shè)備1，用于通過顯示屏顯示3D圖像，所述3D圖像中包括位于所述顯示屏內(nèi)部的屏內(nèi)虛擬物體；
[0114]手持設(shè)備2，用于在其伸縮部件碰觸到所述顯示屏后自由縮入，直到接收到所述主控裝置發(fā)送的阻尼信息(如上述預(yù)期阻尼值或阻尼控制信號)后，根據(jù)所述阻尼信息產(chǎn)生對所述伸縮部件縮入的阻力；
[0115]主控裝置3，用于在所述手持設(shè)備的伸縮部件碰觸到所述顯示屏后，根據(jù)所述手持設(shè)備檢測的所述伸縮部件的姿態(tài)和縮入長度的信息生成所述伸縮部件的虛擬延伸部分，并判斷所述虛擬延伸部分是否碰觸到屏內(nèi)虛擬物體，如碰觸到，向所述手持設(shè)備發(fā)送阻尼信息。
[0116]關(guān)于上述內(nèi)容可以參見申請?zhí)枮镃N201110343305.9的中國專利申請，與該申請不同的是，本實施例采用了具有可控阻尼功能的手持設(shè)備，并且主控裝置會將阻尼信息發(fā)送到該手持設(shè)備。阻尼信息可以根據(jù)觸碰的虛擬物體的材料、彈性、壓下或深入的深度等等計算出當(dāng)時需要的阻尼信息，本發(fā)明對具體的算法不做任何局限。
[0117]如圖7所示，本實施例的阻尼模擬方法，用于模擬手持設(shè)備碰觸屏內(nèi)虛擬物體的過程中的阻力，該方法包括:
[0118]步驟110，手持設(shè)備的伸縮部件碰觸到顯示屏后自由縮入；
[0119]步驟120，根據(jù)檢測的所述伸縮部件的姿態(tài)和縮入長度的信息生成所述伸縮部件的虛擬延伸部分；
[0120]步驟130，如判斷所述虛擬延伸部分是否碰觸到屏內(nèi)虛擬物體，向所述手持設(shè)備發(fā)送阻尼信息；
[0121]步驟140，所述手持設(shè)備根據(jù)所述阻尼信息產(chǎn)生對所述伸縮部件縮入的阻力并傳遞給該手持設(shè)備的握持者。
[0122]上述碰觸可以是只接觸到虛擬物體的表面，也可以是進(jìn)入到虛擬物體的內(nèi)部。
[0123]本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解上述方法中的全部或部分步驟可通過程序來指令相關(guān)硬件完成，所述程序可以存儲于計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)中，如只讀存儲器、磁盤或光盤等?？蛇x地，上述實施例的全部或部分步驟也可以使用一個或多個集成電路來實現(xiàn)，相應(yīng)地，上述實施例中的各模塊/單元可以采用硬件的形式實現(xiàn)，也可以采用軟件功能模塊的形式實現(xiàn)。本發(fā)明不限制于任何特定形式的硬件和軟件的結(jié)合。
[0124]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種伸縮裝置，包括殼體和安裝在所述殼體上的伸縮部件，其特征在于，還包括阻尼產(chǎn)生裝置和驅(qū)動控制裝置，其中: 所述阻尼產(chǎn)生裝置固定安裝在所述殼體上，且在工作時與所述伸縮部件耦合，用于對所述伸縮部件施加與其運(yùn)動方向相反的阻力； 所述驅(qū)動控制裝置與所述阻尼產(chǎn)生裝置耦合，用于根據(jù)阻尼控制信號對應(yīng)的驅(qū)動模式驅(qū)動所述阻尼產(chǎn)生裝置，從而調(diào)節(jié)所述阻力的大小。
2.如權(quán)利要求1所述的伸縮裝置，其特征在于: 所述阻尼產(chǎn)生裝置為一電磁裝置或液壓伸縮裝置或氣動伸縮裝置。
3.如權(quán)利要求1所述的伸縮裝置，其特征在于: 所述阻尼產(chǎn)生裝置包括在所述伸縮部件上裝有永磁體或電磁鐵； 所述阻尼產(chǎn)生裝置還包括位于該永磁體或電磁鐵運(yùn)動軌跡一端外側(cè)的一電磁鐵，或者包括分別位于該運(yùn)動軌跡兩端外側(cè)的兩個電磁鐵，或者包括分別位于該運(yùn)動軌跡兩端外側(cè)的兩個電磁鐵以及環(huán)繞該運(yùn)動軌跡分布的一個或多個電磁鐵； 所述驅(qū)動控制裝置包括所述電磁鐵的線圈驅(qū)動電路。
4.如權(quán)利要求3所述的伸縮裝置，其特征在于: 所述可伸縮部件為一動桿，所述電磁鐵環(huán)繞著所述動桿的運(yùn)動軌跡設(shè)置； 所述驅(qū)動控制裝置還包括信號 生成電路，用于根據(jù)給定的占空比生成脈寬調(diào)制信號；所述線圈驅(qū)動電路在所述脈寬調(diào)制信號和/或流向信號的作用下，改變輸出到相應(yīng)電磁鐵的電流大小和/或方向，從而調(diào)節(jié)所述阻尼的大小。
5.如權(quán)利要求1所述的伸縮裝置，其特征在于: 所述阻尼產(chǎn)生裝置為一氣動伸縮裝置，包括動力氣室，通過帶閥門連接管分別與所述動力氣室連通的正壓氣室和負(fù)壓氣室、將負(fù)壓氣室空氣抽至正壓氣室的正負(fù)壓交換裝置，所述動力氣室的輸出活塞與所述伸縮部件一端連接或在工作時通過電磁機(jī)構(gòu)吸合，所述動力氣室中設(shè)有一氣壓計； 所述驅(qū)動控制裝置包括所述氣動伸縮裝置的閉環(huán)控制電路，用于根據(jù)預(yù)期氣壓值和所述氣壓計檢測到的氣壓值控制正負(fù)壓交換裝置和閥門，使所述動力氣室的氣壓值符合所述預(yù)期氣壓值。
6.如權(quán)利要求1所述的伸縮裝置，其特征在于: 所述阻尼產(chǎn)生裝置為一液壓伸縮裝置，包括帶有兩個活塞的液壓室、與其中一活塞連接的推動裝置，另一活塞與所述伸縮部件一端連接或在工作時通過電磁機(jī)構(gòu)吸合，所述液壓室中設(shè)有一液壓計； 所述驅(qū)動控制裝置包括所述液壓伸縮裝置的閉環(huán)控制電路，用于根據(jù)預(yù)期液壓值和所述液壓計檢測到的液壓值控制所述推動裝置的運(yùn)動，使所述液壓室的液壓值符合所述預(yù)期液壓值。
7.一種手持設(shè)備，其特征在于，包括如權(quán)利要求1或2或3或4或5或6所述的伸縮裝置,還包括: 檢測裝置，用于檢測所述伸縮部件的姿態(tài)、及伸出或縮入長度的信息； 通信裝置，與所述驅(qū)動控制裝 置電連接，用于接收外部主控裝置發(fā)送的阻尼信息；及將所述檢測裝置的檢測結(jié)果發(fā)送給外部主控裝置。
8.如權(quán)利要求7所述的手持設(shè)備，其特征在于: 所述通信裝置接收的阻尼信息是所述阻尼控制信號，所述通信裝置將所述阻尼控制信號傳送到所述驅(qū)動控制裝置；或者 所術(shù)手持設(shè)備還包括:運(yùn)算裝置；所述通信裝置接收的阻尼信息是預(yù)期阻尼值，所述通信裝置將所述預(yù)期阻尼值傳送到所述運(yùn)算裝置；所述運(yùn)算裝置用于根據(jù)所述預(yù)期阻尼值，結(jié)合驅(qū)動控制裝置和/或阻尼產(chǎn)生裝置的參數(shù)計算出相應(yīng)的阻尼控制信號并傳送到所述驅(qū)動控制裝置。
9.如權(quán)利要求7或8所述的手持設(shè)備，其特征在于: 所述阻尼產(chǎn)生裝置為一電磁裝置，所述阻尼控制信號為脈寬調(diào)制的占空比信號；或者 所述阻尼產(chǎn)生裝置為一氣動伸縮裝置，所述阻尼控制信號為給定的預(yù)期氣壓值；或者 所述阻尼產(chǎn)生裝置為一液壓伸縮裝置，所述阻尼控制信號為給定的預(yù)期液壓值。
10.一種阻尼模擬系統(tǒng)，其特征在于，包括如權(quán)利要求7或8或9所述的手持設(shè)備，還包括一主控裝置和一 3D顯示設(shè)備，其中: 3D顯示設(shè)備，用于通過顯示屏顯示3D圖像，所述3D圖像中包括位于所述顯示屏內(nèi)部的屏內(nèi)虛擬物體； 手持設(shè)備用于在其伸縮部件碰觸到所述顯示屏后自由縮入，直到接收到所述主控裝置發(fā)送的阻尼信息后，根據(jù)所述阻尼信息產(chǎn)生對所述伸縮部件縮入的阻力； 主控裝置用于在所述手持`設(shè)備的伸縮部件碰觸到所述顯示屏后，根據(jù)所述手持設(shè)備檢測的所述伸縮部件的姿態(tài)和縮入長度的信息生成所述伸縮部件的虛擬延伸部分，如判斷所述虛擬延伸部分碰觸到屏內(nèi)虛擬物體，向所述手持設(shè)備發(fā)送阻尼信息。
11.一種阻尼模擬方法，用于模擬手持設(shè)備碰觸屏內(nèi)虛擬物體的過程中的阻力，該方法包括: 手持設(shè)備的伸縮部件碰觸到顯示屏后自由縮入； 根據(jù)檢測的所述伸縮部件的姿態(tài)和縮入長度的信息生成所述伸縮部件的虛擬延伸部分； 判斷所述虛擬延伸部分是否碰觸到屏內(nèi)虛擬物體，如碰觸到，向所述手持設(shè)備發(fā)送阻尼信息； 所述手持設(shè)備根據(jù)所述阻尼信息產(chǎn)生對所述伸縮部件縮入的阻力并傳遞給該手持設(shè)備的握持者。
【文檔編號】G06F3/01GK103529940SQ201310465959
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年9月30日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月30日
【發(fā)明者】蔣凌鋒 申請人:深圳超多維光電子有限公司