CN103984425A - 用于立体显示交互的操作棒和操作棒的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于立体显示交互的操作棒和一种操作棒的控制方法，其中，操作棒包括：外壳；可伸缩结构，所述可伸缩结构具有一活动端，所述活动端活动插设于所述外壳内；电活性聚合物单元，设置在所述外壳内，产生形变时，用于改变所述活动端在所述外壳内的运动；控制单元，用于控制所述电活性聚合物单元的形变。通过本发明的技术方案，可以根据用户通过操作棒实际触碰的虚拟物体的软硬度，灵活地控制操作棒产生相应感触的阻尼力，以更加真实地对虚拟物体的软硬度进行模拟，进而提升用户在使用操作棒进行立体显示交互时的真实感。
Description
技术领域
本发明涉及立体显示交互技术领域，具体而言，涉及到一种用于立体显示交互的操作棒和一种操作棒的控制方法。
背景技术
电活性聚合物(Electroactive Polymers，EAP)是一类能够在电场作用下，改变形状或大小的聚合物材料。这类材料常见应用在执行器和传感器上。电活性聚合物的典型特性是能够在维持巨大受力作用的同时进行大幅度的变形。
目前，用于立体显示交互的操作棒的伸缩大部分是为了形成操作棒进入屏幕内的视差，以使用户产生通过操作棒直接与被操作对象进行交互的错觉，同时，在操作棒触碰虚拟物体时，也可以产生模拟真实触感的阻尼力。目前，现有技术提出的操作棒主要是通过电磁、气压或液压的方式实现阻尼力的产生，但是，操作棒以这些方式产生的阻尼力不能灵活地进行控制，导致不能更好地模拟虚拟物体的软硬度，影响用户在使用操作棒进行立体显示交互时的感触。具体地，提出的使用定栅电极和动栅电极相配合的操作棒结构中，是通过检测动栅电极与定栅电极之间相互感应形成的输出信号的变化量作为确定动栅电极相对于定栅电极的位移，由于动栅电极与定栅电极之间的相互感应会受到外界电场和/或磁场的干扰，因此测量结果存在较大的误差，造成操作棒不能准确地控制产生的阻尼力，同时操作棒只能根据动栅电极和定栅电极之间的位移产生相应的阻尼力，导致不能灵活地对产生的阻尼力大小进行控制。
因此，如何能够灵活地控制操作棒产生的阻尼力，以更好地对虚拟物体的软硬度进行模拟，提升用户在进行立体显示交互时的真实感，成为目前亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。
为此，本发明的一个目的在于提出了一种用于立体显示交互的操作棒。
本发明的另一个目的在于提出了一种操作棒的控制方法。
为实现上述目的，根据本发明的第一方面的实施例，提出了一种用于立体显示交互的操作棒，包括：外壳；可伸缩结构，所述可伸缩结构具有一活动端，所述活动端活动插设于所述外壳内；电活性聚合物单元，设置在所述外壳内，产生形变时，用于改变所述活动端在所述外壳内的运动；控制单元，用于控制所述电活性聚合物单元产生所述形变。
在该技术方案中，由于电活性聚合物单元能够在维持巨大受力作用的同时产生相应的形变，因此电活性聚合物单元的形变可用于改变活动端在外壳内的运动，能够有效地模拟操作棒与硬度较高的物体发生接触时所需要产生的刚性阻尼。同时电活性聚合物单元的形变特性具有功耗低，结构简单，且易于控制等优点。其中，电活性聚合物单元产生形变时可以改变活动端在外壳内的运动包括：可以改变活动端在外壳内运动时受到的阻碍，，或者可以改变活动端在外壳内的长度，或者还可以改变活动端在外壳内运动的方向。
通过控制单元对电活性聚合物单元的形变量进行控制，可以根据用户通过操作棒实际触碰的虚拟物体的软硬度，灵活地控制活动端的运动，更加真实地对虚拟物体的软硬度进行模拟，进而提升用户在使用操作棒进行立体显示交互时的真实感。具体地，若操作棒实际触碰的虚拟物体较硬，则可以控制电活性聚合物单元产生较大的形变，进而活动端在外壳内的运动将受到较大的阻碍，活动端产生较大的运动；而在操作棒实际触碰的虚拟物体较软时，可以控制电活性聚合物单元产生较小的形变，进而活动端在外壳内的运动将受到较小的阻碍，活动端产生较小的运动。
另外，根据本发明上述实施例的用于立体显示交互的操作棒，还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的一个实施例，所述控制单元具体用于：控制向所述电活性聚合物单元提供的电压方向，以控制所述电活性聚合物单元的形变方向；以及控制向所述电活性聚合物单元提供的电压值，以控制所述电活性聚合物单元的形变量。
在该技术方案中，由于电活性聚合物单元的形变方向和施加的电压方向有关，因此可以通过控制向电活性聚合物单元施加的电压方向，控制电活性聚合物单元的形变方向，即膨胀或收缩。同时，由于电活性聚合物单元的形变大小和施加的电压大小成正比例关系，因此可以通过控制向电活性聚合物单元施加的电压大小控制电活性聚合物单元的形变量。
根据本发明的一个实施例，还包括：驱动电路，用于接收所述控制单元发出的控制指令，驱动所述电活性聚合物单元产生形变，所述驱动电路的一端与所述控制单元连接，另一端与所述电活性聚合物单元连接。
优选地，所述驱动电路包括：H桥电路与PWM单元；或数模转换器与功率放大器。
在该技术方案中，为了控制电活性聚合物单元的形变方向，需要对施加在电活性聚合物单元上的电压方向进行控制，因此可以通过H桥电路驱动电活性聚合物单元的形变，具体地，在同一时间，控制H桥电路中仅位于对角线上的两个晶体管导通，以实现对施加在电活性聚合物单元上的电压方向进行控制。同时，可以通过控制PWM单元向H桥电路中晶体管输入的脉冲信号的占空比，以对电活性聚合物单元的形变量进行控制。通过使用H桥电路结合PWM单元作为电活性聚合物单元的驱动电路，使得仅通过改变H桥电路中导通的晶体管就能够方便地实现对电活性聚合物单元的形变方向进行控制，并且由于在PWM单元传送至H桥电路的PWM信号的占空比不同时，电活性聚合物单元的形变量是不同的，因此仅需要调整PWM信号的占空比就可以控制电活性聚合物单元的形变量，能够实现电活性聚合物单元较大的形变范围，同时，H桥电路的结构简单，易于实现。
此外，PWM单元传送至H桥电路的PWM信号是脉冲宽度调制信号，PWM信号的占空比是单个周期内高电平时长与周期的比例，因此可以通过调节单个周期内的高电平时长对PWM信号的占空比进行控制。控制单元发送至驱动电路的控制指令还可以包括换向控制信号，用于控制H桥电路中晶体管的导通的方向，以对施加在电活性聚合物单元上的电压方向进行控制，进而控制电活性聚合物单元的形变方向。
而通过使用数模转换器与功率放大器作为驱动电路，能够实现对电活性聚合物单元更加细微的形变量的控制，进而更加精确地控制可伸缩结构的活动端在外壳内的运动。具体地，控制单元发送的控制指令包括：电压幅度信号，主要用于驱动电活性聚合物单元的形变量，具体地，若电压幅度信号的幅度较小，则电活性聚合物单元的形变量较小，相对地，若电压幅度信号的幅度较大，则电活性聚合物单元的形变量较大，因此可以通过控制输出至数模转换器的数字信号的值，以对经过数模转换之后的电压幅度进行控制，进而对电活性聚合物单元的形变量进行控制。
作为本发明的一个优选实施例，所述电活性聚合物单元包括：第一电活性聚合物，设置在所述外壳的内壁上；所述操作棒还包括：摩擦件，设置在所述第一电活性聚合物与所述活动端之间，用于与所述活动端接触时，产生阻碍所述活动端运动的阻尼力。
在该技术方案中，通过将摩擦件设置在第一电活性聚合物与活动端之间，可以在第一电活性聚合物发生形变并促使摩擦件接触可伸缩结构的活动端时，在摩擦件的表面产生阻碍活动端运动的阻尼力，进而可以通过控制第一电活性聚合物的形变，控制活动端的运动。
其中，当操作棒的外壳为圆柱体时，第一电活性聚合物可围绕圆柱体的内壁设置，相应地，摩擦件也围绕圆柱体的内壁设置在第一电活性聚合物上；当操作棒的外壳为长方体时，可以仅在长方体内壁的相对的两个面上设置第一电活性聚合物，也可以在长方体内壁的所有面上设置第一电活性聚合物；类似地，当操作棒的外壳为其他形状时，也可以外壳的内壁上相应地设置第一电活性聚合物。其中，摩擦件是使用摩擦材料制成的，优选地，制作摩擦件的材料为软性摩擦材料。摩擦件的结构可以根据可伸缩结构的活动端的结构特点进行相应的设置，以使摩擦件和活动端配合使用，具体地，若活动端为长方体，则摩擦件与活动端接触的面优选为平面；若活动端为圆柱体，则摩擦件与活动端接触的面优选为凹面，以与活动端紧密接触。
在上述实施例中，优选地，所述第一电活性聚合物设置为两个，并相对设置于所述外壳内壁的两侧，两个所述第一电活性聚合物上均设置有所述摩擦件，所述活动端设置于两个摩擦件之间。
在该技术方案中，作为一种优选的设置方式，在操作棒的外壳内可以设置两个第一电活性聚合物，且两个第一电活性聚合物相对设置，两个第一电活性聚合物上均设置摩擦件，即活动端夹设于两个摩擦件之间，当两个第一电活性聚合物上的摩擦件与活动端接触时，活动端在两个摩擦件之间能够受力平衡。
根据本发明的一个实施例，所述电活性聚合物单元还包括：第二电活性聚合物，设置于所述外壳内，所述活动端抵触于所述第二电活性聚合物上，所述第二电活性聚合物发生形变时控制所述活动端在所述外壳内的长度。
在该技术方案中，第二电活性聚合物用于与活动端相抵触，产生相应的形变，进而可以对活动端在外壳内的长度进行控制。而在操作棒离开虚拟物体时，第二电活性聚合物也可在控制单元的控制作用下产生推动活动端伸出外壳的推动力。
具体来说，若第二电活性聚合物不发生形变，则活动端在外壳内的长度是固定的，若需要缩短活动端在外壳内的长度，则可以控制第二电活性聚合物膨胀；若需要增加活动端在外壳内的长度，则可以控制第二电活性聚合物收缩。
根据本发明的一个实施例，还包括：存储单元，预存储有多个电压及与所述多个电压相对应的阻尼力。
在该技术方案中，为了在确定需要对可伸缩结构的活动端施加的阻尼力之后，能够及时获取到对第一电活性聚合物施加的电压，可以预存储多个电压以及对应于多个电压中的每个电压的阻尼力。其中，预存储的每个电压均包括电压大小和电压方向。具体地，在需要摩擦件产生指定阻尼力时，控制单元可以从存储单元中查询到与该指定阻尼力对应的电压，然后产生与该电压对应的电压信号，并提供给第一电活性聚合物，以使第一电活性聚合物产生形变。
针对上述的实施例，所述控制单元具体还用于：在接收到对所述活动端产生指定阻尼力的指令时，从多个所述电压中，查找与所述指定阻尼力相对应的电压；以及在查找到与所述指定阻尼力相对应的电压时，向所述第一电活性聚合物提供与所述指定阻尼力相对应的电压，以控制所述第一电活性聚合物产生形变。
在该技术方案中，具体来说，比如预先存储了阻尼力0.1N对应于0.31V、阻尼力0.2N对应于0.42V、0.3N对应于0.48V、……则在需要对活动端产生0.2N的阻尼力时，可以直接查找到与0.2N对应的电压，即0.42V，然后将0.42V的电压施加在第一电活性聚合物上，其中，指定阻尼力是需要对活动端产生的阻尼力，在该例中，0.2N即为指定阻尼力。
优选地，所述控制单元还用于：在未查找到与所述指定阻尼力对应的电压时，获取与所述指定阻尼力最接近的两个阻尼力相对应的电压；对所述两个阻尼力相对应的电压进行线性拟合处理，以得到与所述指定阻尼力相对应的电压。
在该技术方案中，由于预存储的电压和对应的阻尼力是有限的，若未查找到与待提供的阻尼力对应的电压，则可以通过线性拟合得到近似值，而通过选取与待提供的阻尼力最接近的两个阻尼力值对应的电压进行线性拟合，能够得到较精确的近似值。具体来说，比如预先存储了阻尼力0.1N对应于0.31V、阻尼力0.2N对应于0.42V、0.3N对应于0.48V、……则在需要对活动端产生0.15N的阻尼力时，可以选取0.1N对应的电压0.31V和0.2N对应的电压0.42V进行线性拟合，以得到与0.15N对应的近似电压。
本发明还提出了另一种操作棒，包括：外壳；可伸缩结构，具有一活动端，所述活动端活动插设于所述外壳内；第一电活性聚合物，所述第一电活性聚合物发生形变时，阻碍所述活动端运动；第二电活性聚合物，所述第二电活性聚合物发生形变时，控制所述活动端在所述外壳内的长度；控制单元，用于控制所述第一电活性聚合物与所述第二电活性聚合物产生形变。
在该技术方案中，通过控制单元对第一电活性聚合物和第二电活性聚合物的形变进行控制，可以根据用户通过操作棒实际触碰的虚拟物体的软硬度，灵活地控制活动端的运动情况，以更加真实地对虚拟物体的软硬度进行模拟，进而提升用户在使用操作棒进行立体显示交互时的真实感。
具体地，若操作棒实际触碰的虚拟物体较硬，则可以控制第一电活性聚合物对活动端产生较大的阻尼力，进而活动端在外壳内的运动将受到较大的阻碍；而在操作棒实际触碰的虚拟物体较软时，可以控制第一电活性聚合物对活动端产生较小的阻尼力，进而活动端在外壳内的运动将受到较小的阻碍。同时，可以通过控制第二电活性聚合物的形变，以对活动端缩进外壳内的长度进行控制。
针对上述包括第一电活性聚合物和第二电活性聚合物的操作棒，本申请还提出了一种操作棒的控制方法，包括：获取待向所述活动端提供的指定阻尼力；向所述第一电活性聚合物提供对应于所述指定阻尼力的电压，控制所述第一电活性聚合物的形变。
在该技术方案中，由于对活动端提供的阻尼力大小与第一电活性聚合物的形变有关，而第一电活性聚合物的形变与施加在其上的电压有关，因此可以在确定需要对活动端提供的指定阻尼力时，将对应于该指定阻尼力的电压提供给第一电活性聚合物。
具体来说，比如阻尼力0.1N对应于0.31V、阻尼力0.2N对应于0.42V、0.3N对应于0.48V、……则在需要对活动端产生0.2N的阻尼力时，可以直接查找到与0.2N对应的电压，即0.42V，然后将0.42V的电压施加在第一电活性聚合物上，其中，指定阻尼力是需要对活动端产生的阻尼力，在该例中，0.2N即为指定阻尼力。
类似地，在对第二电活性聚合物进行控制时，可以按照以下方法：
获取向所述第二电活性聚合物提供的电压，控制所述第二电活性聚合物产生相应的形变。
作为一个优选的实施例，在向所述第一电活性聚合物提供对应于所述指定阻尼力的电压的步骤之前，还包括：预存储多个电压，向所述第一电活性聚合物提供所述电压时，对所述活动端产生的与所述电压相对应的阻尼力值；从已存储的所述多个电压中，查找对应于所述指定阻尼力的电压。
在该技术方案中，为了在确定需要对活动端施加的阻尼力之后，能够及时获取到对第一电活性聚合物施加的电压，可以预存储多个电压及与所述电压相对应的阻尼力。其中，预存储的每个电压均包括电压大小和电压方向。具体地，在需要摩擦件产生指定阻尼力时，可以从预存储的多个电压中查询到与该指定阻尼力对应的电压，然后产生与该电压对应的电压信号，并提供给第一电活性聚合物，以使第一电活性聚合物产生形变。
针对上述实施例，还包括：若在所述多个电压中，未查找到对应于所述指定阻尼力的电压，则获取与所述指定阻尼力最接近的两个阻尼力相对应的电压；对所述两个阻尼力对应的电压进行线性拟合处理，以得到对应于所述指定阻尼力的电压。
在该技术方案中，由于预存储的电压和对应的阻尼力值是有限的，若未查找到与待提供的阻尼力对应的电压，则可以通过线性拟合得到近似值，而通过选取与待提供的阻尼力值最接近的两个阻尼力值对应的电压进行线性拟合，能够得到较精确的近似值。具体来说，比如预先存储了阻尼力0.1N对应于0.31V、阻尼力0.2N对应于0.42V、0.3N对应于0.48V、……则在需要对可伸缩结构产生0.15N的阻尼力时，可以选取0.1N对应的电压0.31V和0.2N对应的电压0.42V进行线性拟合，以得到与0.15N对应的近似电压。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1A至图1C示出了根据本发明的实施例的操作棒的结构示意图；
图2示出了根据本发明的实施例的操作棒与显示屏幕交互过程示意图；
图3示出了根据本发明的实施例的电活性聚合物单元的一个换能单元的形变示意图；
图4A示出了根据本发明的实施例的H桥驱动电活性聚合物单元的换能单元进行膨胀的电路结构示意图；
图4B示出了根据本发明的实施例的H桥驱动电活性聚合物单元的换能单元进行收缩的电路结构示意图；
图5示出了根据本发明的一个实施例的驱动电路的结构示意图；
图6示出了根据本发明的实施例的测量操作棒的活动端受到的阻尼力的示意图；
图7示出了根据本发明的实施例的线性拟合过程示意图；
图8示出了根据本发明的一个实施例的操作棒的控制方法的示意流程图；
图9示出了根据本发明的另一个实施例的操作棒的控制方法的示意流程图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不限于下面公开的具体实施例的限制。
图1A至图1C示出了根据本发明的实施例的操作棒的结构示意图。
如图1A所示，根据本发明的实施例的操作棒100，包括：外壳102；可伸缩结构104，可伸缩结构104具有一活动端1042，活动端1042活动插设于外壳102内；电活性聚合物单元(图中未示出)，设置在外壳102内，产生形变时，用于改变活动端1042在外壳102内的运动；控制单元110，用于控制电活性聚合物单元的形变。
在该技术方案中，由于电活性聚合物单元能够在维持巨大受力作用的产生相应形变，因此电活性聚合物单元的形变可用于改变活动端1042在外壳102内的运动，能够有效地模拟操作棒100与硬度较高的物体发生接触时所需要产生的刚性阻尼。同时电活性聚合物单元的形变特性具有功耗低，结构简单，且易于控制等优点。其中，电活性聚合物单元产生在形变时可以改变活动端1042在外壳102内的运动包括：可以改变活动端1042在外壳102内运动时受到的阻尼力，可以改变活动端1042在外壳102内运动的长度，还可以改变活动端1042在外壳102内运动的方向。
通过控制单元110对电活性聚合物单元的形变量进行控制，可以根据用户通过操作棒100实际触碰的虚拟物体的软硬度，灵活地控制活动端1042的运动，更加真实地对虚拟物体的软硬度进行模拟，进而提升用户在使用操作棒100进行立体显示交互时的真实感。具体地，若操作棒100实际触碰的虚拟物体较硬，则可以控制电活性聚合物单元产生较大的阻碍，进而活动端1042在外壳102内的运动将受到较大的阻碍；而在操作棒100实际触碰的虚拟物体较软时，电活性聚合物单元产生较小的形变，进而活动端1042在外壳102内的运动将受到较小的阻碍。
具体地，如图2所示，操作棒100在未触碰显示屏幕202时，活动端1042在外壳102内的长度较短，当操作棒100触碰显示屏幕202内显示的虚拟物体204时，活动端1042’缩进外壳102’内，则在外壳102’内的长度较长(如图2中操作棒100’的结构所示)，同时控制单元110根据虚拟物体204的软硬度，对电活性聚合物单元的形变量进行控制，进而控制对活动端1042’产生的阻尼力，以增强用户在进行立体显示交互时的真实感。其中，显示屏幕202用于进行立体显示，立体显示是一种虚拟现实的实现方式，在显示屏幕202内显示虚拟物体204，用户可通过使用操作棒100’触碰显示屏幕202内的虚拟物体204，并由操作棒100’产生对应于触碰的虚拟物体204的阻尼力，以对虚拟物体204的软硬度进行模拟，增强用户对虚拟物体204触碰时的真实感。
另外，根据本发明上述实施例的用于立体显示交互的操作棒100，还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的一个实施例，控制单元110具体用于：控制向电活性聚合物单元提供的电压方向(即电压极性)，以控制电活性聚合物单元的形变方向；以及控制向电活性聚合物单元提供的电压，以控制电活性聚合物单元的形变量。
在该技术方案中，由于电活性聚合物单元的形变方向和施加的电压方向有关，因此可以通过控制向电活性聚合物单元施加的电压方向，控制电活性聚合物单元的形变方向，即膨胀或收缩。同时，由于电活性聚合物单元的形变大小和施加的电压大小成正比关系，因此可以通过控制向电活性聚合物单元施加的电压大小控制电活性聚合物单元的形变量，即膨胀形变量和收缩形变量。
具体地，如图3中(a)所示，以电活性聚合物单元的一个换能单元302为例，当对A电极向B电极施加正电压时，换能单元302的体积产生膨胀；如图3中(b)所示，当对B电极向A电极施加正电压时，换能单元302的体积产生收缩，因此可以通过控制换能单元302的电压方向，从而控制对换能单元302的形变方向，进而控制电活性聚合物单元的形变方向。
继续如图1A所示，根据本发明的一个实施例，还包括：驱动电路112，用于接收控制单元110发出的控制指令，驱动电活性聚合物单元产生形变，驱动电路112的一端与控制单元110连接，另一端与电活性聚合物单元连接。
优选地，驱动电路112包括：H桥电路与PWM单元；或数模转换器与功率放大器。
在该技术方案中，为了控制电活性聚合物单元的形变方向，需要对施加在电活性聚合物单元上的电压方向进行控制，因此可以通过H桥电路驱动电活性聚合物单元的形变，并通过控制PWM单元向H桥电路中晶体管输入的脉冲信号的占空比，以对电活性聚合物单元的形变量进行控制。
具体地，如图4A所示，在H桥电路中，向晶体管402的控制端输送预定占空比的脉冲信号，并开启晶体管406(即向晶体管406的控制端输送占空比为1的脉冲信号)，且关闭晶体管404和晶体管408(即分别向晶体管404和晶体管408的控制端输送占空比为0的脉冲信号)，则在电活性聚合物单元的一个换能单元410上对A电极向B电极施加正电压，因此换能单元410的体积产生膨胀，且膨胀的形变量与向晶体管402的控制端输送的脉冲信号的占空比成正比。
如图4B所示，在H桥电路中，向晶体管408的控制端输送预定占空比的脉冲信号，并开启晶体管404(即向晶体管404的控制端输送占空比为1的脉冲信号)，且关闭晶体管402和晶体管406(即分别向晶体管402和晶体管406的控制端输送占空比为0的脉冲信号)，则在电活性聚合物单元的一个换能单元410’上对B电极向A电极施加正电压，因此换能单元410’的体积产生收缩，且收缩的形变量与向晶体管408的控制端输送的脉冲信号的占空比成正比。
通过使用H桥电路结合PWM单元驱动电活性聚合物单元的形变，使得仅通过改变H桥电路中导通的晶体管就能够方便地实现对电活性聚合物单元的形变方向进行控制，并且由于在PWM单元传送至H桥电路的PWM信号的占空比不同时，电活性聚合物单元的形变量是不同的，因此仅需要调整PWM信号的占空比就可以控制电活性聚合物单元的形变量，能够实现电活性聚合物单元较大的形变范围，同时，H桥电路的结构简单，易于实现。
此外，PWM单元传送至H桥电路的PWM信号是脉冲宽度调制信号，PWM信号的占空比是单个周期内高电平时长与周期的比例，因此可以通过调节单个周期内的高电平时长对PWM信号的占空比进行控制。控制单元发送至驱动电路的控制指令还可以包括换向控制信号，用于控制H桥电路中晶体管的导通的方向，以对施加在电活性聚合物单元上的电压方向进行控制，进而控制电活性聚合物单元的形变方向。
当然，为了能够实现对电活性聚合物单元更加细微的形变量的控制，以更加精确地控制活动端1042在外壳102内的运动，可以通过如图5中所示的使用数模转换器502与功率放大器504，以对电活性聚合物单元的换能单元506的形变量进行控制。具体地，控制单元110发送的控制指令包括：电压幅度信号，主要用于驱动电活性聚合物单元的形变量，具体地，若电压幅度信号的幅度较小，则电活性聚合物单元的形变量较小，相对地，若电压幅度信号的幅度较大，则电活性聚合物单元的形变量较大，因此可以通过控制输出至数模转换器的数字信号的值，以对经过数模转换之后的电压幅度进行控制，进而对电活性聚合物单元的形变量进行控制。
作为本发明的一个优选实施例，如图1B所示，电活性聚合物单元包括第一电活性聚合物106，第一电活性聚合物106设置于外壳102的内壁与可伸缩结构104之间，通过控制第一电活性聚合物106的膨胀或收缩，以产生对应于操作棒100触碰的虚拟物体的阻尼力，进而对虚拟物体的软硬度进行模拟，增强用户对虚拟物体触碰时的真实感。
较佳地，如图1A所示，在一个变形实施例中，操作棒100中的第一电活性聚合物106与活动端1042之间还包括摩擦件108，第一电活性聚合物106设置在外壳102的内壁上，摩擦件108设置在第一电活性聚合物106与活动端1042之间，用于与活动端1042接触时，产生阻碍活动端1042运动的阻尼力。
作为一种优选的设置方式，如图1A所示，在操作棒100的外壳102内可以设置两个第一电活性聚合物106，，且两个第一电活性聚合物106相对设置，每一个第一电活性聚合物106上设置有一个摩擦件108，当第一电活性聚合物106上的摩擦件108与活动端1042接触时，活动端1042在两个摩擦件108之间能够受力平衡。
通过将摩擦件108设置在第一电活性聚合物106与活动端1042之间，可以在第一电活性聚合物106发生形变并促使摩擦件108接触活动端1042时，在摩擦件108的表面产生阻碍活动端1042运动的阻尼力，进而可以通过控制第一电活性聚合物106的形变，控制活动端1042的运动。
其中，当操作棒100的外壳102为圆柱体(图1A中未示出外壳102为圆柱体的实施方式)时，第一电活性聚合物106可围绕圆柱体的内壁设置，相应地，摩擦件108也围绕圆柱体的内壁设置在第一电活性聚合物106上；当操作棒100的外壳102为长方体(如图1A中所示)时，可以仅在长方体内壁的相对的两个面上设置第一电活性聚合物106，也可以在长方体内壁的所有面上设置第一电活性聚合物106；类似地，当操作棒100的外壳102为其他形状时，也可以在外壳102的内壁上相应地设置第一电活性聚合物106。其中，摩擦件108是使用摩擦材料制成的，优选地，制作摩擦件108的材料为软性摩擦材料。摩擦件108的结构可以根据活动端1042的结构特点进行相应的设置，以使摩擦件108和活动端1042配合使用，具体地，若活动端1042为长方体(如图1A中所示)，则摩擦件108与活动端1042接触的面优选为平面；若活动端1042为圆柱体，则摩擦件108与活动端1042接触的面优选为凹面，以与活动端1042紧密接触。电活性聚合物单元可以是离子交换树脂金属复合材料(ion-exchangepolymer metal composite，IPMC)。
摩擦件108设置在第一电活性聚合物106上时，可以仅设置在第一电活性聚合物106上朝向可伸缩结构104的面上(如图1A中所示)，也可以如图1C所示在第一电活性聚合物106的多个面上设置摩擦件108’。
根据本发明的一个实施例，如图1A至图1C中任一图所示，电活性聚合物单元还包括：第二电活性聚合物114，设置于外壳102内，活动端1042抵触于第二电活性聚合物114上，第二电活性聚合物114发生形变时控制活动端1042在外壳102内的长度。
在该技术方案中，第二电活性聚合物114用于与活动端1042相抵触，以产生相应的阻尼力，进而可以对活动端1042在外壳102内的长度进行控制。而在操作棒100离开虚拟物体时，第二电活性聚合物114也可在控制单元110的控制作用下产生推动活动端1042伸出外壳102的推动力。
具体来说，若第二电活性聚合物114不发生形变，则活动端1042在外壳102内的长度是固定的，若需要缩短活动端1042在外壳102内的长度，则可以控制第二电活性聚合物114膨胀；若需要增加活动端1042在外壳102内的长度，则可以控制第二电活性聚合物114收缩。
根据本发明的一个实施例，还包括：存储单元(图1A至图1C中未示出)，预存储有多个电压及与多个电压相对应的阻尼力。
在该技术方案中，为了在确定需要对可伸缩结构104的活动端1042施加的阻尼力之后，能够及时获取到对第一电活性聚合物106施加的电压，可以预存储多个电压以及对应于多个电压中的每个电压的阻尼力值。其中，预存储的每个电压均包括电压大小和电压方向。具体地，如图1A所示，在需要摩擦件108产生指定阻尼力时，控制单元110可以从存储单元中查询到与该指定阻尼力对应的电压，然后产生与该电压对应的电压信号，并提供给第一电活性聚合物106，以使第一电活性聚合物106产生形变。
作为本发明的另一个实施例，如图6所示，当两个第一电活性聚合物106处于无驱动的状态时，两个摩擦件108不对活动端1042发生挤压，此时对活动端1042产生的阻尼力为0。当其中一个第一电活性聚合物106受到电压驱动发生膨胀形变时，挤压相应的一个摩擦件108对活动端1042产生一个弹力Fn1，当另一个第一电活性聚合物106受到电压驱动发生膨胀形变时，挤压相应的另一个摩擦件108对活动端1042产生一个弹力Fn2。弹力Fn1和弹力Fn2在活动端1042缩进时对活动端1042产生一个滑动摩擦力FX，即产生对活动端1042的阻尼力，其中，FX＝U1×Fn1+U2×Fn2，其中U1、U2分别为两个摩擦件108对活动端1042的摩擦系数。
由于第一电活性聚合物106的形变量和摩擦件108对活动端1042产生的弹力之间是单调递增的关系。因此，向第一电活性聚合物106上施加的电压VX和摩擦件108对活动端1042产生的阻尼力FX之间同样为单调递增的关系。根据本发明的一个实施例，可以使用测力计602测得电压VX与阻尼力FX之间的关系，得到VX和FX的映射表，如表1所示：
| 阻尼力FX | 0.1N | 0.2N | 0.3N | …… | 1.2N | …… |
| 电压VX | 0.31V | 0.42V | 0.48V | …… | 1.64V | …… |
表1
针对上述的实施例，控制单元110还用于：在接收到对活动端1042产生指定阻尼力的指令时，从多个电压中，查找与指定阻尼力相对应的电压；以及在查找到与指定阻尼力相对应的电压时，向所述第一电活性聚合物提供与所述指定阻尼力相对应的电压，以控制所述第一电活性聚合物产生形变。
在该技术方案中，具体来说，在需要对活动端1042产生0.2N的阻尼力时，可以直接在表1中查找到与0.2N对应的电压，即0.42V，然后将0.42V的电压施加在第一电活性聚合物106上，以使其发生形变，其中，指定阻尼力即需要对可伸缩结构104产生的阻尼力，在该例中，0.2N即为指定阻尼力。
优选地，控制单元110还用于：在未查找到与指定阻尼力对应的电压时，获取与指定阻尼力最接近的两个阻尼力对应的电压；对两个阻尼力对应的电压进行线性拟合处理，以得到对应于指定阻尼力的电压。
在该技术方案中，由于预存储的电压和对应的阻尼力是有限的，若未查找到与待提供的阻尼力对应的电压，则可以通过线性拟合得到近似值，而通过选取与待提供的阻尼力最接近的两个阻尼力值对应的电压进行线性拟合，能够得到较精确的近似值。具体来说，若在需要对活动端1042产生0.15N的阻尼力时，可以选取0.1N对应的电压0.31V和0.2N对应的电压0.42V进行线性拟合，以得到与0.15N对应的近似电压。具体地，如图7所示，通过线性拟合处理，可以得到与0.15N对应的近似电压为0.365V。
以上实施例中的对第一电活性聚合物106进行控制，以对活动端1042产生可控阻尼力的过程可参照图8所示：
图8示出了根据本发明的一个实施例的操作棒的控制方法的示意流程图。
如图8所示，根据本发明的一个实施例的操作棒的控制方法，包括：
步骤802，判断是否对操作棒的可伸缩结构的活动端产生阻尼力，若是，则执行步骤804；否则，结束。
步骤804，在判定需要对活动端产生阻尼力时，获取待产生的阻尼力大小。
步骤806，查询预存储的阻尼力与电压映射表，其中，电压映射表标识了待产生的阻尼力与向驱动电路提供的电压的对应关系。
步骤808，判断是否有对应于待产生的阻尼力的电压，若是，则执行步骤812，否则，执行步骤810。
步骤810，在判定阻尼力与电压映射表中没有对应于待产生的阻尼力的电压时，对待产生的阻尼力所在区间两端的电压作线性拟合，以得到对应于待产生的阻尼力的电压。
步骤812，将对应于待产生的阻尼力的电压提供给驱动电路。
步骤814，驱动电路将对应于待产生的阻尼力的电压施加在电活性聚合物上，以产生上述待产生的阻尼力。
针对如图1A至图1C中任一图所示的包含外壳102、可伸缩结构1042、第一电活性聚合物106和第二电活性聚合物114的操作棒100的控制方法，可以如图9所示：
图9示出了根据本发明的另一个实施例的操作棒的控制方法的示意流程图。
如图9所示，根据本发明的另一个实施例的操作棒的控制方法，包括：步骤902，获取待向操作棒的可伸缩结构的活动端提供的指定阻尼力；步骤904，向第一电活性聚合物提供对应于指定阻尼力的电压，控制第一电活性聚合物的形变。
在该技术方案中，由于对活动端提供的阻尼力大小与第一电活性聚合物的形变有关，而第一电活性聚合物的形变与施加在其上的电压有关，因此可以在确定需要对活动端提供的指定阻尼力时，将对应于该指定阻尼力的电压提供给第一电活性聚合物。
具体来说，比如阻尼力0.1N对应于0.31V、阻尼力0.2N对应于0.42V、0.3N对应于0.48V、……则在需要对活动端产生0.2N的阻尼力时，可以直接查找到与0.2N对应的电压，即0.42V，然后将0.42V的电压施加在第一电活性聚合物上，其中，指定阻尼力是需要对活动端产生的阻尼力，在该例中，0.2N即为指定阻尼力。
类似地，在对第二电活性聚合物进行控制时，可以按照以下方法：
获取向第二电活性聚合物提供的电压，控制第二电活性聚合物的形变。
作为一个优选的实施例，在向第一电活性聚合物提供对应于指定阻尼力的电压的步骤之前，还包括：预存储多个电压，向第一电活性聚合物提供电压时，对活动端产生的与电压相对应的阻尼力；从以存储的多个电压中，查找对应于指定阻尼力的电压。
在该技术方案中，为了在确定需要对活动端施加的阻尼力之后，能够及时获取到对第一电活性聚合物施加的电压，可以预存储多个电压及与电压相对应的阻尼力。其中，预存储的每个电压均包括电压大小和电压方向。具体地，在需要摩擦件产生指定阻尼力时，可以从预存储的多个电压中查询到与该指定阻尼力对应的电压，然后产生与该电压对应的电压信号，并提供给第一电活性聚合物，以使第一电活性聚合物产生形变。
针对上述实施例，还包括：若在多个电压中，未查找到对应于指定阻尼力的电压，则获取与指定阻尼力最接近的两个阻尼力相对应的电压；对两个阻尼力对应的电压进行线性拟合处理，以得到对应于指定阻尼力的电压。
在该技术方案中，由于预存储的电压和对应的阻尼力值是有限的，若未查找到与待提供的阻尼力对应的电压，则可以通过线性拟合得到近似值，而通过选取与待提供的阻尼力值最接近的两个阻尼力值对应的电压进行线性拟合，能够得到较精确的近似值。具体来说，比如预先存储了阻尼力0.1N对应于0.31V、阻尼力0.2N对应于0.42V、0.3N对应于0.48V、……则在需要对可伸缩结构产生0.15N的阻尼力时，可以选取0.1N对应的电压0.31V和0.2N对应的电压0.42V进行线性拟合，以得到与0.15N对应的近似电压。
以上结合附图详细说明了本发明的技术方案，本发明提出了一种用于立体显示交互的操作棒和一种操作棒的控制方法，可以根据用户通过操作棒实际触碰的虚拟物体的软硬度，灵活地控制操作棒产生相应感触的阻尼力，以更加真实地对虚拟物体的软硬度进行模拟，进而提升用户在使用操作棒进行立体显示交互时的真实感。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种用于立体显示交互的操作棒，其特征在于，包括：
外壳；
可伸缩结构，所述可伸缩结构具有一活动端，所述活动端活动插设于所述外壳内；
电活性聚合物单元，设置在所述外壳内，产生形变时，用于改变所述活动端在所述外壳内的运动；
控制单元，用于控制所述电活性聚合物单元产生所述形变。
2.根据权利要求1所述的用于立体显示交互的操作棒，其特征在于，所述控制单元用于：
控制向所述电活性聚合物单元提供的电压方向，以控制所述电活性聚合物单元的形变方向；以及控制向所述电活性聚合物单元提供的电压值，以控制所述电活性聚合物单元的形变量。
3.根据权利要求1所述的用于立体显示交互的操作棒，其特征在于，还包括：
驱动电路，用于接收所述控制单元发出的控制指令，驱动所述电活性聚合物单元产生所述形变，所述驱动电路的一端与所述控制单元连接，另一端与所述电活性聚合物单元连接。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于立体显示交互的操作棒，其特征在于，所述电活性聚合物单元包括：
第一电活性聚合物，设置在所述外壳的内壁上；
所述操作棒还包括：
摩擦件，设置在所述第一电活性聚合物与所述活动端之间，用于与所述活动端接触时，产生阻碍所述活动端运动的阻尼力。
5.根据权利要求4所述的用于立体显示交互的操作棒，其特征在于，所述第一电活性聚合物设置为两个，并相对设置于所述外壳内壁的两侧，两个所述第一电活性聚合物上均设置有所述摩擦件，所述活动端设置于两个所述摩擦件之间。
6.根据权利要求4所述的用于立体显示交互的操作棒，其特征在于，所述电活性聚合物单元还包括：
第二电活性聚合物，设置于所述外壳内，所述活动端抵触于所述第二电活性聚合物上，所述第二电活性聚合物发生形变时改变所述活动端在所述外壳内的长度。
7.根据权利要求4所述的用于立体显示交互的操作棒，其特征在于，还包括：
存储单元，预存储有多个电压及与所述多个电压相对应的阻尼力。
8.根据权利要求7所述的用于立体显示交互的操作棒，其特征在于，所述控制单元还用于：
在接收到对所述活动端产生指定阻尼力的指令时，从多个所述电压中，查找与所述指定阻尼力相对应的电压；以及
在查找到与所述指定阻尼力相对应的电压时，向所述第一电活性聚合物提供与所述指定阻尼力相对应的电压，以控制所述第一电活性聚合物产生形变。
9.根据权利要求8所述的用于立体显示交互的操作棒，其特征在于，所述控制单元还用于：
在未查找到与所述指定阻尼力相对应的电压时，获取与所述指定阻尼力最接近的两个阻尼力相对应的电压；
对所述两个阻尼力相对应的电压进行线性拟合处理，以得到与所述指定阻尼力相对应的电压。
10.一种用于立体显示交互的操作棒，其特征在于，包括：
外壳；
可伸缩结构，具有一活动端，所述活动端活动插设于所述外壳内；
第一电活性聚合物，所述第一电活性聚合物发生形变时，阻碍所述活动端运动；
第二电活性聚合物，所述第二电活性聚合物发生形变时，改变所述活动端在所述外壳内的长度；
控制单元，用于控制所述第一电活性聚合物与所述第二电活性聚合物产生形变。
11.一种如权利要求10所述操作棒的控制方法，其特征在于，包括：
获取待向所述活动端提供的指定阻尼力；
向所述第一电活性聚合物提供对应于所述指定阻尼力的电压，控制所述第一电活性聚合物产生的形变。
12.根据权利要求11所述的操作棒的控制方法，其特征在于，还包括：获取向所述第二电活性聚合物提供的电压，控制所述第二电活性聚合物产生的形变。
13.根据权利要求11所述的操作棒的控制方法，其特征在于，在向所述第一电活性聚合物提供对应于所述指定阻尼力的电压的步骤之前，还包括：预存储多个电压及与所述多个电压相对应的阻尼力；
从已存储的所述多个电压中，查找对应于所述指定阻尼力的电压。
14.根据权利要求13所述的操作棒的控制方法，其特征在于，还包括：
若在所述多个电压中，未查找到对应于所述指定阻尼力的电压，获取与所述指定阻尼力最接近的两个阻尼力对应的电压；
对所述两个阻尼力对应的电压进行线性拟合处理，以得到与所述指定阻尼力相对应的电压。
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