一种摆钟式天鹅绒效应实验装置

摘要

本发明公开了一种摆钟式天鹅绒效应实验装置，该实验装置包括基座（1）、摆杆（2）、摆锤支撑板（3）、摆杆连接孔（4）、鱼丝线框架（5）、鱼丝线（6）、可调悬钮（7）、旋钮轨道（8）、配重箱（10）、操作者手放置区（13）；其中，鱼丝线框架（5）下端垂直固定在配重箱（10）上，摆锤支撑板（3）垂直固定于鱼丝线框架（5）上端，摆杆（2）固定于摆锤支撑板（3）上表面，基座（1）与摆杆（2）连接；鱼丝线（6）通过可调旋钮（7）固定在鱼丝线框架（5）上；摆杆（2）通过摆杆连接孔（4）将摆锤支撑板（3）悬挂在基座（1）上。本发明无需对其附加外部驱动，通过类钟摆的摆动就可以帮助操作者以被动方式感知“天鹅绒”效应。

说明书

技术领域

本发明涉及一种“天鹅绒”效应实验装置，尤其是以势能为动力，通过类钟摆的摆动， 帮助操作者以被动方式感知“天鹅绒”效应的实验装置。

背景技术

“天鹅绒”效应是一种触幻觉现象，是指通过物理装置的运动使操作者的皮肤得到“天 鹅绒”样感觉，而实际上皮肤并未接触到任何“天鹅绒”材质的现象。“天鹅绒”效应源于日 本民间游戏，该效应属于触觉显示技术的范畴。

触觉显示技术是一门研究如何以触觉方式使人类皮肤获得图像和文字信息的前沿技术。 一般认为，触觉显示技术源于具有凹凸感的盲用文字，技术性的研究则始于19世纪初，与人 们所熟知的视觉显示技术的萌生几乎同步，然而时至今日，特别是新世纪以来，视觉技术的 发展如梦如幻，而触觉显示技术总体上却进展不大。随着航天和海洋工业的发展、民用产品 人机交互技术的研究，以及盲人事业的技术需求，越来越多的学者开始将目光投向触觉显示 技术研究，以期形成技术突破，化解相关领域的应用困境，并形成新的经济增长点。

触觉现象是触觉显示技术研究的基础。人们发现的触觉现象较多，天鹅绒效应即是其中 一种，其他还包括皮肤兔子、鱼骨效应、梳子效应、漏斗效应及橡胶手等。研究分析触觉现 象的内在机理，可以为触觉显示器的设计提供理论依据和技术标准。天鹅绒效应中，当操作 者用双手来回合搓悬紧在一个固定框架上的网状鱼丝线或者并排的双弦鱼丝线时，操作者的 双手好像在触摸一个非常光滑且柔软的膜，与触摸天鹅绒的感觉类似，因此被称为“天鹅绒 效应”。这种现象可能源于双手搓动所引起鱼丝线振动，由于双手相对的缘故，鱼丝线引起的 空气振动被局限在手掌中间，从而形成一个纵向振动的气膜，所以使得皮肤产生了误以为接 触到了天鹅绒的幻感觉。

天鹅绒效应实验装置方面，现有文献资料所采用的主要为中空矩形框架内置网状或两根 并排鱼丝线的简易装置。日本的Rajaei Nader在“Investigation of Conditions Generating Velvet  Hand Illusion Toward Tactile Displays”论文中，提出了一种将悬有两根并排鱼丝线的框架固定 在可来回移动的基座上的实验装置，框架为中空矩形结构，上下两边各设计了三个两两相对 的对称孔，每个孔均设置有旋钮，以更换不同粗细的鱼丝线和对鱼丝线的松紧程度进行调节。 并排的两根鱼丝线可通过旋钮安装在任意两对孔中，以实验不同间距下的天鹅绒效应。该装 置具有一定新颖性，但存在以下几个方面的不足：1）双排鱼丝线之间的距离不能自由调节； 2）实验装置的往复运动是水平的，不能满足非水平的实验需求；3）无法在鱼丝线上耦合振 动，以研究外部强迫振动，特别是“驻波”效应等对“天鹅绒”效应的影响。

目前，尚无天鹅绒效应相关的专利，亦无可耦合外部强迫振动、可任意调节鱼丝线间距、 无需外部驱动的摆钟式天鹅绒效应实验装置。

发明内容

发明目的：本发明的目的是针对上述天鹅绒效应实验装置存在的问题，提供一种摆钟式 天鹅绒效应实验装置。该实验装置是基于钟摆的原理而设计，通过给“摆锤”提供一个初始 势能，再无需附加外部驱动，就可以帮助操作者以被动方式感知“天鹅绒”效应，并且通过 简单的操作，可以调整鱼丝线的摆动频率、在最低点的瞬时摆动速度、粗细、两鱼丝线间距、 松紧度、耦合的强迫振动等参数，进而实验上述因素对“天鹅绒”效应的影响。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供了摆钟式天鹅绒效应实验装置，该实验装 置包括基座、摆杆、摆锤支撑板、摆杆连接孔、鱼丝线框架、鱼丝线、可调悬钮、旋钮轨道、 配重箱、操作者手放置区；

其中，配重箱上表面与鱼丝线框架下端垂直固定，鱼丝线框架上端垂直固定于摆锤支撑 板的下表面，摆杆固定于摆锤支撑板上表面，基座与摆杆连接；

鱼丝线通过可调旋钮固定在鱼丝线框架上；摆杆通过摆杆连接孔将将摆锤支撑板悬挂在 基座上；

操作者手放置区设置于配重箱。

优选的，摆杆包括相互平行且固定连接于摆锤支撑板的两个滑动杆和将两个滑动杆连接 的滑动套筒，基座通过一对旋转副和基座的滑动套筒相连。

优选的，摆杆的滑动杆上有一段突出导轨，与滑动套筒上所开的一段导槽配合，构成一 对滑动副。

优选的，鱼丝线框架是一种中空矩形结构，四个边框以垂直接触方式相连，通过焊接构 成一个刚性的整体；在其上、下两个边框上，对称的设置了放置可调旋钮的旋钮轨道，两根 鱼丝线通过两对可调旋钮平行悬挂在鱼丝线框架的中空部分。

优选的，可调旋钮是一种圆柱形的双层螺旋副式结构，即在一个螺栓上依次从下到上套 有圆形螺帽和圆形套筒。

优选的，鱼丝线框架两个下边框的可调旋钮通过环形连接件加装了两个振动耦合器，以 给两根平行的鱼丝线施加强迫振动。

优选的，振动耦合器是由电机和凸轮构成，凸轮在电机的驱动下旋转时，其凸点碰触到 鱼丝线。

优选的，配重箱是一种矩形箱体结构，左右两侧面均匀设置了多层支撑轨道，其上放置 配重板，前后两面设置为敞开式。

有益效果：本发明可以很好的克服现有“天鹅绒”效应实验装置存在的问题，利用钟摆 的原理，以势能为动力，通过鱼丝线的摆动，帮助操作者被动感知“天鹅绒”效应，并且可 以通过简单的操作，就可以实验摆动速度、摆动频率、鱼丝线粗细、鱼丝线间距、鱼丝线松 紧度、鱼丝线耦合振动等因素对“天鹅绒”效应强度的影响。本发明将有助于“天鹅绒”效 应的产生机理研究，丰富触觉显示的技术手段，为触觉显示器的设计开发提供理论依据。

附图说明

图1是本发明摆钟式“天鹅绒”效应实验装置结构示意图，其中有“基座1”、“摆杆2”、 “摆锤支撑板3”、“摆杆连接孔4”、“鱼丝线框架5”、“鱼丝线6”、“可调悬钮7”、“旋钮轨道 8”、“振动耦合器9”、“配重箱10”、“操作者手放置区13”。

图2是本发明摆钟式“天鹅绒”效应实验装置的实验方法示意图，其中有“操作者14”、 “可控机构15”、“鱼丝线6”、“触觉显示器16”。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步说明。

参见图1，本发明提供的摆钟式天鹅绒效应实验装置，该实验装置包括基座1、摆杆2、 摆锤支撑板3、摆杆连接孔4、鱼丝线框架5、鱼丝线6、可调悬钮7、旋钮轨道8、配重箱 10）操作者手放置区13。

其中，配重箱10上表面与鱼丝线框架5下端垂直固定，鱼丝线框架5上端垂直固定于摆 锤支撑板3的下表面，摆杆2固定于摆锤支撑板3上表面，基座1与摆杆2连接。

鱼丝线6通过可调旋钮7固定在鱼丝线框架5上；摆杆2通过摆杆连接孔4将将摆锤支 撑板3悬挂在基座1上。

操作者手放置区13设置于配重箱10。

摆杆2包括相互平行且固定连接于摆锤支撑板3的两个滑动杆和将两个滑动杆连接的滑 动套筒，基座1通过一对旋转副和基座1的滑动套筒相连。

摆杆2的滑动杆上有一段突出导轨，与滑动套筒上所开的一段导槽配合，构成一对滑动 副。相配合的滑动杆和滑动套筒上设置有固定孔，调节到位后在固定孔上装配螺栓固定。调 节摆杆2的长度时，要使左右两个摆杆2调整后等长，以确保鱼丝线6在静止时处于竖直状 态。

鱼丝线框架5是一种中空矩形结构，四个边框以垂直接触方式相连，通过焊接构成一个 刚性的整体；在其上、下两个边框上，对称的设置了放置可调旋钮7的旋钮轨道8，两根鱼 丝线6通过两对可调旋钮7平行悬挂在鱼丝线框架5的中空部分。两平行鱼丝线6在静止状 态时的中心区域是操作者手放置区13，操作者双手在此处自然贴合，鱼丝线6在摆动到最低 点时，其竖直穿过操作者手心来回摆动，这样操作者就可以被动感知“天鹅绒”效应。

可调旋钮7是一种圆柱形的双层螺旋副式结构，即在一个螺栓上依次从下到上套有圆形 螺帽和圆形套筒。可调旋钮7在“旋钮轨道8”上的水平位置可调，中间的螺帽用于对其进 行调整后的位置固定，而顶部的套筒则在其外侧设置有螺纹和夹紧件用以安装鱼丝线6。鱼 丝线6在安装时，首先以缠绕的方式沿螺纹绕在套筒上，然后其末端再通过夹紧件固定。通 过可调旋钮7可以改变两平行鱼丝线6的间距和松紧度，并且能够方便的更换不同粗细的鱼 丝线6。

鱼丝线框架5两个下边框的可调旋钮7通过环形连接件加装了两个振动耦合器9，以给 两根平行的鱼丝线6施加强迫振动。环形连接件固定在可调旋钮7的中间圆形螺帽上，并且 绕螺帽可以旋转，旋转到位后通过螺栓固定，这样，通过旋转环形连接件可以方便的调整振 动耦合器9相对于鱼丝线6的安装角度，进而调整施加给鱼丝线6的强迫振动的振动方向。

振动耦合器9是由电机和凸轮构成，凸轮在电机的驱动下旋转时，其凸点碰触到鱼丝线 6。而且除凸点之外的其它部分碰触不到鱼丝线6，这样，凸轮旋转一周，其凸点就触碰鱼丝 线6一次，即振动耦合器9给鱼丝线6施加一次强迫振动，通过控制电机的转速就能方便的 控制强迫振动的振动频率。

配重箱10是一种矩形箱体结构，左右两侧面均匀设置了多层支撑轨道12，其上放置配 重板11，前后两面设置为敞开式。以便操作和观察。通过改变配重板11的放置位置，可以 改变配重箱10的质心，进而改变整个“摆锤”的质心，以间接的调整“摆锤”的摆长。

1、鱼丝线框架的端面与摆锤支撑板和配重箱的端面以垂直接触方式相连，通过焊接构成 一个刚性的工字型“摆锤”，而且，两根鱼丝线通过可调旋钮平行固定在鱼丝线框架上，给“摆 锤”一个初始势能，不需要再附加外部驱动，鱼丝线也就能随之摆动，这样就可以使操作者 以被动方式感知“天鹅绒”效应。在其它条件一定的情况下，通过改变初始势能的大小，可 以改变“摆锤”摆动到最低点的速度，也即改变鱼丝线穿过手心的瞬时速度，进而实验该参 数对“天鹅绒”效应的影响。

2、摆杆自身构成一对滑动副，通过上下滑动可以调节其长度。两个摆杆调节后一定要保 持等长，以使鱼丝线在摆动时能竖直穿过操作者手心。通过调节摆杆的长度，以改变“摆锤” 的摆动频率，进而实验摆动频率对“天鹅绒”效应的影响。

3、通过两对可调旋钮改变两根平行鱼丝线的粗细、间距和松紧度，以实验上述因素对“天 鹅绒”效应的影响。

4、通过加装在可调旋钮上振动耦合器，给鱼丝线施加强迫振动。通过环形连接件，调整 强迫振动的振动方向，以实验耦合振动的振动方向对“天鹅绒”效应的影响。

5、通过调节构成振动耦合器的电机的转速，以改变强迫振动的振动频率，进而实验耦合 振动频率对“天鹅绒”效应的影响。

6、通过调整配重箱内配重板的放置位置，可以改变“摆锤”的质量和质心，进而可以对 “摆锤”的摆动频率和摆动速度进行微调。

图1是本发明摆钟式“天鹅绒”效应实验装置结构示意图，其中“基座1”、“摆杆2”、 “摆锤支撑板3”、“摆杆连接孔4”、“鱼丝线框架5”、“鱼丝线6”、“可调悬钮7”、“旋钮轨 道8”、“振动耦合器9”、“配重箱10”、“操作者手放置区13”。其中，“鱼丝线框架5”的端 面和“摆锤支撑板3”、“配重箱10”的端面以垂直接触方式相连，通过焊接构成一个刚性的 工字型的“摆锤”，“鱼丝线框架5”就近似于“工”字的一竖；两根“鱼丝线6”通过上下两 对“可调旋钮7”固定在“鱼丝线框架5”上，同时“摆杆2”通过“摆杆连接孔4”将“摆 锤”悬挂在“基座1”上，而且“摆杆2”通过一对旋转副和“基座1”相连，这样整个装置 就构成一种“摆钟”式结构。图中，“摆杆2”由内外两个圆柱形杆件构成，两者构成一对滑 动副，通过内外杆件上下滑动调节“摆杆2”自身的长度。调节时，要使左右两个“摆杆2” 调整后等长，以确保“鱼丝线6”在静止时处于竖直状态。

“鱼丝线框架5”宜采用铝合金等轻便又结实的材料，其四个边框以垂直接触方式相连， 通过焊接构成一个中空矩形结构式的刚性整体；在其上、下两个边框上，对称的设置了放置 “可调旋钮7”的“旋钮轨道8”，然后两根“鱼丝线6”通过上下两对“可调旋钮7”平行安 装在“鱼丝线框架5”的中空部分。两平行“鱼丝线6”在静止状态时的中心区域是“操作者 手放置区13”，操作者双手在此处自然贴合，“鱼丝线6”在摆动到最低点时，其竖直穿过操 作者手心，即以最大摆动速度穿过操作者手心，这样操作者就可以通过被动方式感知“天鹅 绒”效应。

“可调旋钮7”上固定“鱼丝线6”的套筒可以旋转，以调整“鱼丝线6”的松紧度，而 且可以方便更换不同粗细的“鱼丝线6”；“可调旋钮7”在“旋钮轨道8”上的水平位置可调， 以改变两平行“鱼丝线6”的间距；

在实验“天鹅绒”效应时，两根平行鱼丝线尽量不要同时离开手心，以免影响实验效果。 而一般人的手掌大约长80～90mm，掌心大约55mm左右，所以两平行“鱼丝线6”的最大间距 l_ys可设置为55mm，而且“鱼丝线框架5”中空矩形的宽度ljx可以lys的值为参考，确保l_jx≥l_ys， 为了防止“鱼丝线6”在摆动时“鱼丝线框架5”的侧边框对人手进行干扰，尽量使l_jx≥3l_ys。

图中，两个下侧的“可调旋钮7”通过环形连接件分别加装了两个“振动耦合器9”，以 给两根平行的“鱼丝线6”施加强迫振动，通过旋转环形连接件可以方便的调整“振动耦合 器9”相对于“鱼丝线6”的安装角度，进而调整施加给“鱼丝线6”的强迫振动的振动方向。 “振动耦合器9”是由电机驱动凸轮旋转时，凸轮的凸点碰触到“鱼丝线6”，进而相当于给 其施加强迫振动。电机旋转一圈，凸轮的凸点就触碰“鱼丝线6”一次，即给“鱼丝线6”施 加一次强迫振动，通过控制电机的转速就能方便的控制强迫振动的振动频率。在这里，凸轮 也可以采用齿轮代替，假如齿轮有n个齿，则电机旋转一圈，齿轮的“齿”触碰“鱼丝线6” n次，也就是“振动耦合器9”给“鱼丝线6”施加n次强迫振动，通过控制电机的转速同样 可以控制强迫振动的振动频率。采用电机和齿轮制作成的“振动耦合器9”也属于本专利保 护范围。

“配重箱10”是一种矩形箱体结构，左右两侧面均匀设置了多层“支撑轨道12”，其上 可放置对应的“配重板11”，前后两面设置为敞开式，以便操作和观察。通过改变“配重板 11”的放置位置，可以改变“配重箱10”的质心，进而改变整个“摆锤”的质心，以间接的 调整“摆锤”的摆长。

图2是本发明摆钟式“天鹅绒”效应实验装置的实验方法示意图，其中有“操作者14”、 “可控机构15”、“鱼丝线6”、“触觉显示器16”。其中，“可控机构15”包括摆杆、可调旋钮、 振动耦合器、配重箱、初始势能。“操作者14”通过对摆杆、可调旋钮、振动耦合器、配重箱 等可控机构19进行手动或者自动设置，以配置“鱼丝线6”的摆动频率、粗细、间距、松紧度、 耦合振动的振动频率和振动方向；配置之后，“操作者14”给“摆锤”一个初始势能，双手就 放置到“触觉显示器16”的“操作者手放置区13”处，双手自然贴合，“触觉显示器16”摆动 到最低点时竖直穿过手心，即以最大摆动速度穿过操作者手心，进而使操作者以被动方式感 知“天鹅绒”效应。

实验时，“鱼丝线6”的摆幅无需太大，应该在最低点附近的小范围区间内来回摆动。根 据单摆理论，单摆在摆角小于10°范围内摆动时可以近似看作一个简谐振动，这样单摆的摆 动周期就只与摆长有关。假如“摆锤”的质心到基座中心的长度为L，那么“摆锤”的摆动周 期T的计算公式是T同样也就是“鱼丝线6”的摆动周期，由此可以得出，通过 调节摆杆2的长度就可以直接控制“鱼丝线6”的摆动周期和摆动频率同样，“摆 锤”在摆角小于10°范围内摆动时，其摆动到最低点的速度V只与其初始摆点到最低点的竖 直高度H有关，其计算公式是如果“操作者手放置区13”中心处到基座中心的 竖直长度为L1，则“鱼丝线6”摆动到最低点时，操作者的双手感知到的速度V1的计算公 式为从上面公式可以看出，在初始势能一定的情况下，V1和成正比，调整的值可以改变V1的大小。的值可以通过调整摆杆或者配重箱来实现，当“摆杆2”比较小 时，值也相对比较小，“配重箱10”通过将“配重板11”放置在“支撑板12”上不同的位 置，可以调节“摆锤”的质心，进而能够有效的改变值的大小；当“摆杆2”足够长时，近似为1，V1和V近似相等，这时“配重箱10”对质心的调节是起修正的作用。

本发明所提供的一种摆钟式“天鹅绒”效应实验装置，是利用钟摆的原理，给“摆锤” 一个初始势能，不需要再附加外部驱动，就可以帮助操作者以被动方式感知“天鹅绒”效应。 本发明将有助于“天鹅绒”效应的产生机理研究，并能丰富触觉显示的技术手段，为触觉显 示器的设计开发提供理论依据。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但 凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书 中记载的保护范围内。