CN108956113A - 指尖触觉性能测试实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种指尖触觉性能测试实验装置。触摸组件装在机架顶部中间的通槽中，触摸组件下方设有测试件。测试件固定在前后移动模块上，前后移动模块安装在左右移动模块上，左右移动模块安装在竖直移动模块上，竖直移动模块、左右移动模块和前后移动模块构成三自由运动平台，实现精细运动；触摸组件上的众多触点圆柱杆与测试件上表面相接触，随着测试件的三维运动，以点阵形状呈现出测试件上表面的外形轮廓。指尖通过触觉感知触点刺激(触点高度、点阵密度和触点高度落差)来辨识点阵形状。本发明能够满足手指主动触摸和手指被动感受这两种交互模式，提供精细的触点刺激，可以用于指尖触觉性能的测试实验。

Description

指尖触觉性能测试实验装置

技术领域

本发明涉及触觉显示技术领域，特别是涉及了一种指尖触觉性能测试实验装置。

背景技术

目前点阵式触觉显示器无论在装置成本，还是在识别正确率和识别速度等方面遇到了严峻的挑战，与应用需求和期望仍然存在着较大差距。主要原因在于点阵式触觉显示器提供的触点刺激与指尖触觉性能之间没能较好的匹配，导致指尖识别图文的错误率高、效率低、体验感差。

目前人们还不知道点阵密度、触点高度、触点高度落差对指尖触觉识别形状的影响，本发明旨在提供一种指尖触觉性能测试实验装置，可以生成不同的触点高度、点阵密度和触点高度落差等触点刺激，让指尖通过触觉感知触点刺激来辨识点阵形状，进而分析评价指尖的触觉性能。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种指尖触觉性能测试实验装置，能够提供触点高度、点阵密度和触点高度落差等刺激，满足手指主动触摸和手指被动感受这两种交互模式，实验研究指尖识别形状的触觉性能，具有一定的通用性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一、一种指尖触觉性能测试实验装置：

装置包括机架、竖直移动模块、左右移动模块、前后移动模块、触摸组件和测试件；触摸组件安装在机架上，触摸组件下方设有测试件，测试件固定在前后移动模块上，前后移动模块安装在左右移动模块上，左右移动模块安装在竖直移动模块上，竖直移动模块、左右移动模块和前后移动模块构成三自由运动平台，测试件在三自由运动平台带动下实现上下、左右和前后的精细运动。

所述的机架顶部中间开有通槽，所述触摸组件安装在通槽中。

所述的触摸组件包括有多块触摸底板和五种不同直径的触点圆柱杆；各块触摸底板中部开有不同直径和间距的若干小孔，同一触摸底板上的小孔的直径和间距相同，触点圆柱杆间隙配合安装在小孔中；触摸底板上的小孔直径设置有1.0mm、1.2mm、1.5mm、1.8mm和2.0mm的五种不同直径，每种直径下触摸底板上的小孔的间距设置有1.5mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm的四种，小孔按照方形阵列排布，每种直径及其对应的间距下的小孔数量设置有40*40＝1600个、30*30＝900个、24*24＝576个和20*20＝400个的多种；五种不同直径的触点圆柱杆和触摸底板上的小孔直径的设置相吻合，也设置有1.0mm、1.2mm、1.5mm、1.8mm和2.0mm的五种直径，每种直径的触点圆柱杆均有两种长度30和60mm，触点圆柱杆的两端均为半球形结构，触点圆柱杆的中部为阶梯圆柱轴结构，阶梯圆柱轴结构的上端为大端且直径大于触摸底板上的小孔直径，阶梯圆柱轴结构的下端为小端且直径小于触摸底板上的小孔直径，使得触点圆柱杆依靠自身重力悬挂在触摸底板上的小孔内。

本发明通过触摸组件上的众多触点圆柱杆与测试件上表面相接触，随着测试件的三维运动，以点阵形状呈现出测试件上表面的外形轮廓。指尖通过触觉感知触点刺激(触点高度、点阵密度和触点高度落差)来辨识点阵形状。

结合触摸底板上的小孔直径、间距和阵列排布数量，共形成具有16种不同点阵密度的触摸底板与其对应的触点圆柱杆，即形成16种不同点阵密度的触摸组件。

所述的测试件包括6个二维基本形体、7个三维基本形体、10个阿拉伯数字“0-9”形体、26个英文字母“A-Z”形体，共计49个；所述的二维基本形体包括正方形、圆形、等边三角形、直角三角形、菱形和十字形；所述的三维基本形体包括长方体、圆柱体、圆锥体、球体、直角三棱柱、三棱锥和四棱锥。

所述的测试件的上表面可以为曲面，而非平面。

所述的竖直移动模块包括第一电机、第一联轴器、竖直固定支座、第一丝杆支座固定侧块、第一丝杆、第一丝杆螺母、底板连接片、第一丝杆滑块、第一丝杆支座支撑侧块、左右移动模块的电机连接板、左右移动模块的底板、导轨支座、第一滚珠直线滑块和第一滚珠直线导轨；底板周围侧方设有一个竖直固定支座和两个导轨支座，一个竖直固定支座和两个导轨支座间隔均布在底板周围；第一电机安装在竖直固定支座上，第一电机的输出轴朝下与第一丝杆通过第一联轴器连接，第一丝杆上下端分别通过第一丝杆支座固定侧块和第一丝杆支座支撑侧块安装于竖直固定支座。

第一丝杆通过螺纹套装有第一丝杆螺母，第一丝杆螺母通过螺钉与第一丝杆滑块固接，第一丝杆滑块通过螺钉与底板连接片固联，底板连接片通过螺钉连接到底板；第一滚珠直线导轨通过螺钉竖直安装在导轨支座上，第一滚珠直线滑块嵌装在第一滚珠直线导轨上，第一滚珠直线滑块和底板连接片通过螺钉固接，底板连接片通过螺钉与底板固接；底板上固定有电机连接板。

所述左右移动模块包括第二电机、第二联轴器、第二丝杆支座固定侧块、第二丝杆、中间板、第二丝杆滑块、第二丝杆螺母、第二丝杆支座支撑侧块、第二滚珠直线导轨和第二滚珠直线滑块；第二电机通过螺钉安装在电机连接板上，第二电机的输出轴水平朝向并通过第二联轴器和第二丝杆连接，第二丝杆水平两端分别通过第二丝杆支座固定侧块和第二丝杆支座支撑侧块安装于底板上；第二丝杆通过螺纹套装有第二丝杆螺母，第二丝杆螺母通过螺钉与第二丝杆滑块固接，第二丝杆滑块通过螺钉与中间板一端固联，第二滚珠直线导轨通过螺钉安装在底板上且平行于第二丝杆，第二滚珠直线滑块嵌装在第二滚珠直线导轨上并沿第二滚珠直线导轨水平移动，第二滚珠直线滑块与中间板另一端通过螺钉固接。

所述的前后移动模块包括水平板、第三电机、第三电机连接板、第三联轴器、第三丝杆支座固定侧块、第三丝杆、第三丝杆滑块、测试件支架、第三丝杆螺母和第三丝杆支座支撑侧块；水平板通过螺钉固接在中间板上，第三电机通过第三电机连接板固定于水平板，第三电机的输出轴水平朝向并且与第三丝杆通过第三联轴器连接，第三丝杆水平两端分别通过第三丝杆支座固定侧块和第三丝杆支座支撑侧块安装于水平板上；第三丝杆通过螺纹套装有第三丝杆螺母，第三丝杆螺母通过螺钉与第三丝杆滑块固接，第三丝杆滑块通过螺钉与测试件支架固联，测试件支架顶端安装测试件。

本发明装置中，左右移动模块实现测试件的左右精细运动，前后移动模块实现测试件的前后精细运动，竖直移动模块实现测试件的竖直精细运动。

触摸组件上的众多触点圆柱杆与测试件上表面相接触，随着测试件的三维运动，以点阵的形式仿形出测试件上表面的外形轮廓。触摸组件上的众多触点圆柱杆可以仿形出测试件的外形，人手通过触觉感知和认知点阵形状，来评价指尖触觉性能。

此装置能够组合出不同触点高度、点阵密度和触点高度落差的点阵形状，供人手主动触摸点阵形状，或者被动感受点阵形状，提供精细的触点刺激，开展指尖触觉性能的测试实验。

二、一种指尖触觉性能测试实验方法

本发明通过不用控制不同触点高度、点阵密度和触点高度落差的触摸组件5实现不同的触点刺激并进行指尖触觉性能测试，可以分析在不同触点刺激下测试指尖触觉性能。

手指被动感受交互模式的实验步骤为：

1.从多个不同测试件中选择某一测试件；

2.从多种不同触摸组件中选择某一触摸组件；

3.把测试件和触摸组件安装在三自由度运动平台上；

4.手指静态放置在触摸组件的中间位置；

5.精细驱动竖直移动模块、竖直移动模块和左右移动模块，生成点阵形状，

让手指被动感受点阵形状的刺激并反馈；

6.记录手指触觉辨识点阵形状的正确率。

手指主动触摸交互模式的实验步骤为：

1.从多个不同测试件中选择某一测试件；

2.从多种不同触摸组件中选择某一触摸组件；

3.把测试件和触摸组件安装在三自由度运动平台上；

4.精细驱动竖直移动模块，生成点阵形状；

5.手指主动触摸点阵形状；

6.记录手指触觉辨识点阵形状的正确率。

本发明的有益效果是：

相对于现有技术，本发明驱动三个移动模块的精细运动，实现了测试件外形的点阵表达，构造出点阵形状，仿形出测试件的外形。

相对于现有技术，本发明能够组合出不同触点高度、点阵密度和触点高度落差的点阵形状，对同一测试件外形，可出组合出多种点阵形状。

相对于现有技术，本发明提供精细的触点刺激，可以实验研究指尖识别形状的触觉性能，具有一定的通用性。

相对于现有技术，本发明能够满足人手主动触摸点阵形状或者被动感受点阵形状的交互需求，分析不同交互条件下，指尖触觉识别形状的差异。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的竖直移动模块意图。

图3是本发明的左右移动模块示意图。

图4是本发明的前后移动模块示意图。

图5是本发明的触摸组件结构示意图。

图6是本发明的部分测试件。

图7是不同圆柱触点之间的距离变化示意图。

图8是有空洞字母“A”的点阵形状示意图。

图9是无空洞字母“A”的点阵形状示意图。

图10是具体实施中四分之一球测试件示意图。

图11是具体实施中四分之一球点阵形状示意图。

图中：1.机架，2.竖直移动模块，3.左右移动模块，4.前后移动模块，5.触摸组件，6.测试件，2-1.电机，2-2.联轴器，2-3.竖直固定支座，2-4.丝杆支座固定侧块，2-5.丝杆，2-6.丝杆螺母，2-7.底板连接片，2-8.丝杆滑块，2-9.丝杆支座支撑侧块，2-10.电机连接板，2-11.左右移动模块的底板，2-12.2×导轨支座，2-13.2×滚珠直线滑块，2-14.2×滚珠直线导轨，3-1.电机，3-2.联轴器，3-3.丝杆支座固定侧块，3-4.丝杆，3-5.中间板，3-6.丝杆滑块，3-7.丝杆螺母，3-8.丝杆支座支撑侧块，3-9.滚珠直线导轨，3-10.滚珠直线滑块，4-1.水平板，4-2.电机，4-3.电机连接板，4-4.联轴器，4-5.丝杆支座固定侧块，4-6.丝杆，4-7.丝杆滑块，4-8.测试件支架，4-9.丝杆螺母，4-10.丝杆支座支撑侧块，5-1.触摸底板，5-2.触点圆柱杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细描述。

如图1所示，本发明具体实施包括机架1、竖直移动模块2、左右移动模块3、前后移动模块4、触摸组件5和测试件6；触摸组件5安装在机架1上，机架1顶部中间开有通槽，触摸组件5安装在通槽中。触摸组件5下方设有测试件6，测试件6固定在前后移动模块4上，前后移动模块4安装在左右移动模块3上，左右移动模块3安装在竖直移动模块2上，竖直移动模块2、左右移动模块3和前后移动模块4的移动方向相互垂直，竖直移动模块2、左右移动模块3和前后移动模块4构成三自由运动平台，测试件6在三自由运动平台带动下实现上下、左右和前后的精细运动。

每块触摸底板5-1为正方形板，四角各有通孔，四角的通孔通过螺栓与通槽周围的顶板1-1四个螺纹孔相连接，使得触摸底板5-1固定在顶板1-1上。

如图5所示，触摸组件5包括有多块触摸底板5-1和五种不同直径的触点圆柱杆5-2；各块触摸底板5-1中部开有不同直径和间距的若干小孔，同一触摸底板5-1上的小孔的直径和间距相同，触点圆柱杆5-2间隙配合安装在小孔中；触摸底板5-1上的小孔直径设置有1.0mm、1.2mm、1.5mm、1.8mm和2.0mm的五种不同直径，每种直径下触摸底板5-1上的小孔的间距设置有1.5mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm的四种，小孔按照方形阵列排布，每种直径及其对应的间距下的小孔数量设置有40*40＝1600个、30*30＝900个、24*24＝576个和20*20＝400个的多种；五种不同直径的触点圆柱杆5-2和触摸底板5-1上的小孔直径的设置相吻合，也设置有1.0mm、1.2mm、1.5mm、1.8mm和2.0mm的五种直径，每种直径的触点圆柱杆5-2均有两种长度30和60mm，触点圆柱杆5-2的两端均为半球形结构，触点圆柱杆5-2的中部为阶梯圆柱轴结构，阶梯圆柱轴结构的上端为大端且直径大于触摸底板5-1上的小孔直径，阶梯圆柱轴结构的下端为小端且直径小于触摸底板5-1上的小孔直径，这样阶梯圆柱轴结构的下端插装到触摸底板5-1上的小孔中，阶梯圆柱轴结构大小端之间形成的轴肩直径大于触摸底板5-1上的小孔直径，使得触点圆柱杆5-2依靠自身重力悬挂在触摸底板5-1上的小孔内。

结合触摸底板5-1上的小孔直径、间距和阵列排布数量，共形成具有16种不同点阵密度的触摸底板5-1与其对应的触点圆柱杆5-2，即形成16种不同点阵密度的触摸组件5。

如图6所示，测试件6为由表面形状拉伸形成的结构，表面形状包括6个二维基本形体、7个三维基本形体、10个阿拉伯数字“0-9”形体、26个英文字母“A-Z”形体，共计49个；二维基本形体包括正方形、圆形、等边三角形、直角三角形、菱形和十字形；三维基本形体包括长方体、圆柱体、圆锥体、球体、直角三棱柱、三棱锥和四棱锥。

初始时，触摸组件5上的触点圆柱杆5-2底端与测试件6上表面相接触，三自由运动平台带动测试件6向上运动，测试件6的表面形状带动触摸组件5中与其相接触的部分触点圆柱杆5-2向上运动，触点圆柱杆5-2以点阵的形式仿形出测试件6表面形状的外形轮廓，供指尖触觉辨识点阵所表达的形状。

如图2所示，竖直移动模块2包括第一电机2-1、第一联轴器2-2、竖直固定支座2-3、第一丝杆支座固定侧块2-4、第一丝杆2-5、第一丝杆螺母2-6、底板连接片2-7、第一丝杆滑块2-8、第一丝杆支座支撑侧块2-9、左右移动模块的电机连接板2-10、左右移动模块的底板2-11导轨支座2-12、第一滚珠直线滑块2-13和第一滚珠直线导轨2-14；底板2-11周围侧方设有一个竖直固定支座2-3和两个导轨支座2-12，竖直固定支座2-3和导轨支座2-12固定在水平的地面上，一个竖直固定支座2-3和两个导轨支座2-12间隔均布在底板2-11周围；第一电机2-1安装在竖直固定支座2-3上，第一电机2-1的输出轴朝下与第一丝杆2-5通过第一联轴器2-2连接，第一丝杆2-5竖直布置，第一丝杆2-5上下端分别通过第一丝杆支座固定侧块2-4和第一丝杆支座支撑侧块2-9安装于竖直固定支座2-3第一丝杆支座固定侧块2-4和第一丝杆支座支撑侧块2-9通过螺钉固接在竖直固定支座2-3上，第一丝杆2-5两端套装在第一丝杆支座固定侧块2-4和丝杆支座支撑侧块2-9中；第一丝杆2-5通过螺纹套装有第一丝杆螺母2-6，第一丝杆螺母2-6通过螺钉与第一丝杆滑块2-8固接，第一丝杆滑块2-8通过螺钉与底板连接片2-7固联，底板连接片2-7通过螺钉连接到底板2-11；第一滚珠直线导轨2-14通过螺钉竖直安装在导轨支座2-12上，第一滚珠直线滑块2-13嵌装在第一滚珠直线导轨2-14上，第一滚珠直线滑块2-13和底板连接片2-7通过螺钉固接，底板连接片2-7通过螺钉与底板2-11固接；底板2-11上固定有电机连接板2-10。

如图3所示，左右移动模块包括第二电机3-1、第二联轴器3-2、第二丝杆支座固定侧块3-3、第二丝杆3-4、中间板3-5、第二丝杆滑块3-6、第二丝杆螺母3-7、第二丝杆支座支撑侧块3-8、第二滚珠直线导轨3-9和第二滚珠直线滑块3-10；第二电机3-1通过螺钉安装在电机连接板2-10上，第二电机3-1的输出轴水平朝向并通过第二联轴器3-2和第二丝杆3-4连接，第二丝杆3-4水平布置，第二丝杆3-4水平两端分别通过第二丝杆支座固定侧块3-3和第二丝杆支座支撑侧块3-8安装于底板2-11上，第二丝杆支座固定侧块3-3和第二丝杆支座支撑侧块3-8通过螺钉固接在底板2-11上，第二丝杆3-4两端套装在第二丝杆支座固定侧块3-3和第二丝杆支座支撑侧块3-8中；第二丝杆3-4通过螺纹套装有第二丝杆螺母3-7，第二丝杆螺母3-7通过螺钉与第二丝杆滑块3-6固接，第二丝杆滑块3-6通过螺钉与中间板3-5一端固联，第二滚珠直线导轨3-9通过螺钉安装在底板2-11上且平行于第二丝杆3-4，第二滚珠直线滑块3-10嵌装在第二滚珠直线导轨3-9上并沿第二滚珠直线导轨3-9水平移动，第二滚珠直线滑块3-10与中间板3-5另一端通过螺钉固接。

如图4所示，前后移动模块包括水平板4-1、第三电机4-2、第三电机连接板4-3、第三联轴器4-4、第三丝杆支座固定侧块4-5、第三丝杆4-6、第三丝杆滑块4-7、测试件支架4-8、第三丝杆螺母4-9和第三丝杆支座支撑侧块4-10；水平板4-1通过螺钉固接在中间板3-5上，第三电机4-2通过第三电机连接板4-3固定于水平板4-1，第三电机4-2的输出轴水平朝向并且与第三丝杆4-6通过第三联轴器4-4连接，第三丝杆4-6水平布置，第三丝杆4-6水平两端分别通过第三丝杆支座固定侧块4-5和第三丝杆支座支撑侧块4-10安装于水平板4-1上，第三丝杆支座固定侧块4-5和第三丝杆支座支撑侧块4-10通过螺钉固接在水平板4-1上，第三丝杆4-6两端套装在第三丝杆支座固定侧块4-5和第三丝杆支座支撑侧块4-10中；第三丝杆4-6通过螺纹套装有第三丝杆螺母4-9，第三丝杆螺母4-9通过螺钉与第三丝杆滑块4-7固接，第三丝杆滑块4-7通过螺钉与测试件支架4-8固联，测试件支架4-8顶端安装测试件6。

第一丝杆2-5、第二丝杆3-4和第三丝杆4-6的两两相垂直布置，第一丝杆2-5竖直布置，第二丝杆3-4和第三丝杆4-6均水平布置且相垂直。

具体实施中，前后移动模块通过连接板安装在左右移动模块上，可以实现前后精细运动。左右移动模块安装在竖直移动模块的底板上，可以实现左右精细运动。竖直移动模块固定在地面上，带动左右移动模块的底板，可以实现上下精细运动。

如图5所示，触摸组件5包括有16块触摸底板5-1和4种不同直径的触点圆柱杆5-2；每块触摸底板5-1为正方形板；16块触摸底板5-1中间都开有不同直径和间距的若干小孔，与触点圆柱杆5-2间隙配合安装；

a)触点圆柱杆5-2有二种长度30和60mm，直径分别为1.0，1.2，1.5，1.8，2.0mm，两头均为圆柱半球形，靠近顶端一侧的杆上有轴肩，略大于触摸底板5-1上的小孔直径，能让触点圆柱杆5-2依靠自身重力悬挂在触摸底板5-1上的小孔内。

b)触摸底板5-1上的小孔的间距分别为1.5，2.0，2.5，3.0mm，触点数分别为40*40＝1600个，30*30＝900个，24*24＝576个，20*20＝400个，与不同直径的触点圆柱杆5-2组合出16种不同点阵密度的触摸组件5，如下表所示，

16种触摸组件

如图6所示，测试件6包括6个二维基本形体、7个三维基本形体、阿拉伯数字“0-9”的10个形体、英文字母“A-Z”的26个形体，共49个；二维基本形体包括正方形、圆形、等边三角形、直角三角形、菱形和十字形；三维基本形体包括长方体、圆柱体、圆锥体、球体、直角三棱柱、三棱锥和四棱锥；触摸组件5上的众多触点圆柱杆5-2的低端与测试件6上表面相接触，当三自由运动平台带动测试件6运动时，以点阵的形式仿形出测试件6上表面的外形轮廓，供指尖触觉辨识点阵所表达的形状。

如图2所示，所述的竖直移动模块2包括电机2-1，联轴器2-2，竖直固定支座2-3，丝杆支座固定侧块2-4，丝杆2-5，丝杆螺母2-6，底板连接片2-7，丝杆滑块2-8，丝杆支座支撑侧块2-9，电机连接板2-10，左右移动模块的底板2-11，2×导轨支座2-12，2×滚珠直线滑块2-13，2×滚珠直线导轨2-14；电机2-1安装在竖直固定支座2-3上，输出轴与丝杆2-5通过联轴器2-2连接，丝杆支座固定侧块2-4和丝杆支座支撑侧块2-9通过螺钉固接在竖直固定支座2-3上，丝杆2-5安装在丝杆支座固定侧块2-4和丝杆支座支撑侧块2-9之中，其上有丝杆螺母2-6，丝杆滑块2-8通过螺钉与丝杆螺母2-6固接，丝杆滑块2-8通过螺钉与底板连接片2-7固联，滚珠直线导轨2-14通过螺钉安装在导轨支座2-12上，滚珠直线滑块2-13间隙配合在滚珠直线导轨2-14上，底板连接片2-7通过螺钉与滚珠直线滑块固接，左右移动模块的底板2-11通过螺钉与三片底板连接片2-7固接，竖直固定支座2-3固定在水平的地面上。

如图3所示，左右移动模块包括电机3-1，电机连接板2-10，联轴器3-2，丝杆支座固定侧块3-3，丝杆3-4，中间板3-5，丝杆滑块3-6，丝杆螺母3-7，丝杆支座支撑侧块3-8，滚珠直线导轨3-9，滚珠直线滑块3-10；电机3-1通过螺钉安装在电机连接板2-10，电机连接板2-10通过螺钉与左右移动模块的底板2-11固接，电机3-1的输出轴与丝杆3-4通过联轴器3-2连接，丝杆支座固定侧块3-3和丝杆支座支撑侧块3-8通过螺钉固接在左右移动模块的底板2-11上，丝杆3-4安装在丝杆支座固定侧块3-3和丝杆支座支撑侧块3-8之中，其上有丝杆螺母3-7，丝杆滑块3-6通过螺钉与丝杆螺母3-7固接，丝杆滑块3-6通过螺钉与中间板3-5固联，滚珠直线导轨3-9通过螺钉安装在底板2-11上，滚珠直线滑块3-10间隙配合在滚珠直线导轨3-9上，并与中间板3-5通过螺钉固接。

如图4所示，所述的前后移动模块包括水平板4-1，电机4-2，电机连接板4-3，联轴器4-4，丝杆支座固定侧块4-5，丝杆4-6，丝杆滑块4-7，测试件支架4-8，丝杆螺母4-9，丝杆支座支撑侧块4-10；水平板4-1中间的有四个螺纹孔，通过螺钉与中间板3-5固接，电机4-2通过螺钉安装在电机连接板4-3，电机连接板4-3通过螺钉与水平板4-1固接，电机4-2的输出轴与丝杆4-6通过联轴器4-4连接，丝杆支座固定侧块4-5和丝杆支座支撑侧块4-10通过螺钉固接在水平板4-1上，丝杆4-6安装在丝杆支座固定侧块4-5和丝杆支座支撑侧块4-10之中，其上有丝杆螺母4-9，丝杆滑块4-7通过螺钉与丝杆螺母4-9固接，丝杆滑块4-7通过螺钉与测试件支架4-8固联，测试件支架4-8顶端放置测试件6。

如图2所示的竖直移动模块2，当电机2-1工作时，电机输出轴通过联轴器2-2带动丝杆2-5旋转，丝杆螺母2-6在竖直方向上运动，与丝杆螺母2-6固接的丝杆滑块2-8也随之运动，固接在丝杆滑块2-8上的连接板2-7也随之运动。由于左右移动模块的底板2-11还与另外两个连接板2-7固接，而连接板2-7分别与两个滚珠直线滑块2-13连接，当丝杆螺母2-6在竖直方向上升或下降时，左右移动模块的底板2-11、滚珠直线滑块2-13也随之在竖直方向上升或下降。因此，竖直移动模块2能够带动左右移动模块3以及固定在左右移动模块3上的前后移动模块4一起上下移动，从而可以带动固定在前后移动模块4上的测试件6进行上下精细移动。

如图3所示左右移动模块3，当电机3-1工作时，电机输出轴通过联轴器3-2带动丝杆3-4旋转，丝杆螺母3-7在左右方向上运动，与丝杆螺母3-7固接的丝杆滑块3-6也随之运动，固接在丝杆滑块3-6上的中间板3-5也随之运动。由于中间板3-5还与滚珠直线滑块3-10固接，而滚珠直线滑块3-10间隙配合在滚珠丝杆导轨3-9上，形成移动副。当丝杆螺母3-7在左右方向上移动时，丝杆螺母3-6、中间板3-5、滚珠直线滑3-10也随之在左右方向上移动。因此，左右移动模块3可以带动前后移动模块4作左右移动，从而可以带动固定在前后移动模块4上的测试件6进行左右精细运动。

如图4所示前后移动模块4，当电机4-2工作时，电机输出轴通过联轴器4-4带动丝杆4-6旋转，丝杆螺母4-9在前后方向上运动，与丝杆螺母4-9固接的丝杆滑块4-7也随之运动，固接在丝杆滑块4-7上的测试件支架4-8也随之运动，从而带动固定在测试件支架4-8上的测试件6前后精细运动。

触摸组件5上的众多触点圆柱杆5-2与测试件6上表面相接触，随着测试件6的上下、左右、前后精细运动，以点阵的形式仿形出测试件6上表面的外形轮廓。指尖通过触觉感知触点刺激(触点高度、点阵密度和触点高度落差)来辨识点阵所表达的形状。

本发明能够提供触点高度、点阵密度和触点高度落差等触点刺激，通过不用控制不同触点高度、点阵密度和触点高度落差的触摸组件5实现不同的触点刺激，通过手指主动交互或被动感受多个触点组成的形状，可以分析在不同触点刺激下，分析评价指尖的触觉性能。

本发明用于表征分析评价指尖触觉性能的指尖触觉性能测试如下：

由于本发明三自由度平台对测试件的移动带了无比的灵活性，可以通过研究盲人在触摸时的认知。

点阵高度太低，不利于指尖正确识别出形状，点阵高度太高，会损害指尖触摸的舒适度。如图8，本发明通过竖直移动模块，可以呈现不同点阵高度的字母“A”的点阵形状。相对于触摸底板，图8中字母“A”的点阵高度为5mm。因此，可以用来评价点阵高度对指尖触觉识别图形的影响，这个触点高度可以由测试件以及触点圆柱杆的高度变化而产生变化(例如采用60mm长的触点圆柱杆，以及加高测试件的文字高度，都可以得到更多的高度差)。

而盲人利用指尖在进行触摸时，可以清晰地分辨触点的高低属性，从而识别文字。在对盲人进行实验的过程中，如图7所示，通过改变竖直的高度，可以测量不同高度差的对于指尖触觉识别的影响：例如，在高度落差为0.5mm的情况下，盲人是否能正确识别字母；在高度落差为1mm的情况下，正常人对于这个高度是否可以和盲人一样通过触摸，识别出不同的文字或者图案。

如图8，图9所示，字母“A”的测试件在不同点阵密度下，可以呈出不同的点阵形状，比如，因为图8的点阵密度比较高，在图8的点阵中能呈现出“A”的空洞；但是因为图9的点阵密度比较低，在图9的点阵中不能呈现出“A”的空洞。当指尖在识别字母“A”时，有空洞“A”的点阵形状就容易识别，没有空洞“A”的点阵形状容易判断错误，因此，可以用来评价点阵密度对指尖触觉识别图形的影响。

如图9所示，触摸测试件的水平位置和盲文点阵密度所限而造成字母A中间的空白无法形成。这相当于，视觉正常人士面对一个分辨率较低的屏幕，或像是图像打了马赛克。

视觉正常人士在识别低分辨率图像时往往是仔细看外在轮廓，通过随意猜测和合理的推理推断进行识别的，由此基础上，通过相机记录盲人触觉时候的路径，来推测盲人在面对模糊(又如很低的触点高度差)的触觉型号时，是如何进行识别的。来推测当盲人在面对，由于点高度的不同而对前后会产生认知偏差的触觉型号时，是如何进行识别的。尤其如仿形碗的形状，当触点高度差很小时只能被认为是一个圆形，而当圆柱杆之间的落差不断加大时，才可以体现出碗的形状。

如图7，图10，图11所示，呈现出四分之一球形测试件的点阵形状。指尖通过感知各触点圆柱杆之间的触点高度落差，来识别四分之一球形。本发明可以通过测试件的上下精细运动，可以得到同一测试件的不同触点高度落差的点阵形状，供指尖识别，因此，可以用来评价触点高度落差对指尖触觉识别图形的影响。

触点圆柱杆，依靠重力作用，和靠近顶端的部分突起，挂在触摸组件上。当一个四分之一球，如图10所示，在处与低位(测试件只有顶部少部分与触点圆柱杆的底部相接触)，通过触点圆柱杆的仿形，只能看出是一个很小的弧形，如图11所示。只有当四分之一球体的大部分都将触点圆柱杆顶起时，盲人才可能通过触摸来认知到“四分之一球形。”。

手指被动感受交互模式的实验步骤为：

7.从49个测试件中选择某一测试件；

8.从16种触摸组件中选择某一触摸组件；

9.把测试件和触摸组件安装在三自由度运动平台上；

10.手指静态放置在触摸组件的中间位置；

11.精细驱动竖直移动模块、竖直移动模块和左右移动模块，生成点阵形状，

让手指被动感受点阵形状的刺激；

12.记录手指触觉辨识点阵形状的正确率。

手指主动触摸交互模式的实验步骤为：

7.从49个测试件中选择某一测试件；

8.从16种触摸组件中选择某一触摸组件；

9.把测试件和触摸组件安装在三自由度运动平台上；

10.精细驱动竖直移动模块，生成点阵形状；

11.手指主动触摸点阵形状；

12.记录手指触觉辨识点阵形状的正确率。

由上述实施可见，本发明能够组合出不同触点高度、点阵密度和触点高度落差的点阵形状，供人手主动触摸点阵形状，或者被动感受点阵形状，提供精细的触点刺激，开展指尖触觉性能的测试实验。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，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 (6)

1.一种指尖触觉性能测试实验装置，其特征在于：包括机架(1)、竖直移动模块(2)、左右移动模块(3)、前后移动模块(4)、触摸组件(5)和测试件(6)；触摸组件(5)安装在机架(1)上，触摸组件(5)下方设有测试件(6)，测试件(6)固定在前后移动模块(4)上，前后移动模块(4)安装在左右移动模块(3)上，左右移动模块(3)安装在竖直移动模块(2)上，竖直移动模块(2)、左右移动模块(3)和前后移动模块(4)构成三自由运动平台，测试件(6)在三自由运动平台带动下实现上下、左右和前后的精细运动。

2.根据权利要求1所述的一种指尖触觉性能测试实验装置，其特征在于：所述的机架(1)顶部中间开有通槽，所述触摸组件(5)安装在通槽中。

3.根据权利要求1所述的一种指尖触觉性能测试实验装置，其特征在于：所述的触摸组件(5)包括有多块触摸底板(5-1)和五种不同直径的触点圆柱杆(5-2)；各块触摸底板(5-1)中部开有不同直径和间距的若干小孔，同一触摸底板(5-1)上的小孔的直径和间距相同，触点圆柱杆(5-2)间隙配合安装在小孔中；触摸底板(5-1)上的小孔直径设置有1.0mm、1.2mm、1.5mm、1.8mm和2.0mm的五种不同直径，每种直径下触摸底板(5-1)上的小孔的间距设置有1.5mm、2.0mm、2.5mm、3.0mm的四种，小孔按照方形阵列排布，每种直径及其对应的间距下的小孔数量设置有40*40＝1600个、30*30＝900个、24*24＝576个和20*20＝400个的多种；五种不同直径的触点圆柱杆(5-2)和触摸底板(5-1)上的小孔直径的设置相吻合，也设置有1.0mm、1.2mm、1.5mm、1.8mm和2.0mm的五种直径，每种直径的触点圆柱杆(5-2)均有两种长度30和60mm，触点圆柱杆(5-2)的两端均为半球形结构，触点圆柱杆(5-2)的中部为阶梯圆柱轴结构，阶梯圆柱轴结构的上端为大端且直径大于触摸底板(5-1)上的小孔直径，阶梯圆柱轴结构的下端为小端且直径小于触摸底板(5-1)上的小孔直径，使得触点圆柱杆(5-2)依靠自身重力悬挂在触摸底板(5-1)上的小孔内。

4.根据权利要求1所述的一种指尖触觉性能测试实验装置，其特征在于：所述的测试件(6)包括6个二维基本形体、7个三维基本形体、10个阿拉伯数字“0-9”形体、26个英文字母“A-Z”形体，共计49个；所述的二维基本形体包括正方形、圆形、等边三角形、直角三角形、菱形和十字形；所述的三维基本形体包括长方体、圆柱体、圆锥体、球体、直角三棱柱、三棱锥和四棱锥。

5.根据权利要求1所述的一种指尖触觉性能测试实验装置，其特征在于：所述的测试件(6)的上表面可以为曲面，而非平面。

6.根据权利要求1所述的所述的一种指尖触觉性能测试实验装置，其特征在于：所述的竖直移动模块(2)包括第一电机(2-1)、第一联轴器(2-2)、竖直固定支座(2-3)、第一丝杆支座固定侧块(2-4)、第一丝杆(2-5)、第一丝杆螺母(2-6)、底板连接片(2-7)、第一丝杆滑块(2-8)、第一丝杆支座支撑侧块(2-9)、左右移动模块的电机连接板(2-10)、左右移动模块的底板(2-11)、导轨支座(2-12)、第一滚珠直线滑块(2-13)和第一滚珠直线导轨(2-14)；底板(2-11)周围侧方设有一个竖直固定支座(2-3)和两个导轨支座(2-12)，一个竖直固定支座(2-3)和两个导轨支座(2-12)间隔均布在底板(2-11)周围；第一电机(2-1)安装在竖直固定支座(2-3)上，第一电机(2-1)的输出轴朝下与第一丝杆(2-5)通过第一联轴器(2-2)连接，第一丝杆(2-5)上下端分别通过第一丝杆支座固定侧块(2-4)和第一丝杆支座支撑侧块(2-9)安装于竖直固定支座(2-3)；

第一丝杆(2-5)通过螺纹套装有第一丝杆螺母(2-6)，第一丝杆螺母(2-6)通过螺钉与第一丝杆滑块(2-8)固接，第一丝杆滑块(2-8)通过螺钉与底板连接片(2-7)固联，底板连接片(2-7)通过螺钉连接到底板(2-11)；第一滚珠直线导轨(2-14)通过螺钉竖直安装在导轨支座(2-12)上，第一滚珠直线滑块(2-13)嵌装在第一滚珠直线导轨(2-14)上，第一滚珠直线滑块(2-13)和底板连接片(2-7)通过螺钉固接，底板连接片(2-7)通过螺钉与底板(2-11)固接；底板(2-11)上固定有电机连接板(2-10)。

所述左右移动模块包括第二电机(3-1)、第二联轴器(3-2)、第二丝杆支座固定侧块(3-3)、第二丝杆(3-4)、中间板(3-5)、第二丝杆滑块(3-6)、第二丝杆螺母(3-7)、第二丝杆支座支撑侧块(3-8)、第二滚珠直线导轨(3-9)和第二滚珠直线滑块(3-10)；第二电机(3-1)通过螺钉安装在电机连接板(2-10)上，第二电机(3-1)的输出轴水平朝向并通过第二联轴器(3-2)和第二丝杆(3-4)连接，第二丝杆(3-4)水平两端分别通过第二丝杆支座固定侧块(3-3)和第二丝杆支座支撑侧块(3-8)安装于底板(2-11)上；第二丝杆(3-4)通过螺纹套装有第二丝杆螺母(3-7)，第二丝杆螺母(3-7)通过螺钉与第二丝杆滑块(3-6)固接，第二丝杆滑块(3-6)通过螺钉与中间板(3-5)一端固联，第二滚珠直线导轨(3-9)通过螺钉安装在底板(2-11)上且平行于第二丝杆(3-4)，第二滚珠直线滑块(3-10)嵌装在第二滚珠直线导轨(3-9)上并沿第二滚珠直线导轨(3-9)水平移动，第二滚珠直线滑块(3-10)与中间板(3-5)另一端通过螺钉固接。

所述的前后移动模块包括水平板(4-1)、第三电机(4-2)、第三电机连接板(4-3)、第三联轴器(4-4)、第三丝杆支座固定侧块(4-5)、第三丝杆(4-6)、第三丝杆滑块(4-7)、测试件支架(4-8)、第三丝杆螺母(4-9)和第三丝杆支座支撑侧块(4-10)；水平板(4-1)通过螺钉固接在中间板(3-5)上，第三电机(4-2)通过第三电机连接板(4-3)固定于水平板(4-1)，第三电机(4-2)的输出轴水平朝向并且与第三丝杆(4-6)通过第三联轴器(4-4)连接，第三丝杆(4-6)水平两端分别通过第三丝杆支座固定侧块(4-5)和第三丝杆支座支撑侧块(4-10)安装于水平板(4-1)上；第三丝杆(4-6)通过螺纹套装有第三丝杆螺母(4-9)，第三丝杆螺母(4-9)通过螺钉与第三丝杆滑块(4-7)固接，第三丝杆滑块(4-7)通过螺钉与测试件支架(4-8)固联，测试件支架(4-8)顶端安装测试件(6)。