CN115836201A - 用于配置材料测试系统的触觉反馈 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种材料测试系统，该系统包括被配置成通过马达的操作而移动的输出轴，该输出轴能够联接到试样，使得输出轴的移动对试样施加机械力。材料测试系统包括触觉反馈系统，该触觉反馈系统被配置成在设置期间向材料测试系统的操作者提供与输出轴相对于试样的位置或状态相关的触觉反馈。本发明还公开了使用触觉反馈的测试方法。

Description

用于配置材料测试系统的触觉反馈

相关申请

本申请要求于2021年7月24日提交的名称为“用于配置材料测试系统的触觉反馈(Haptic Feedback for Configuring Materials Testing Systems)”的美国临时专利申请序列号63/055,978的在先申请日的权益，该申请的全部内容以引用方式并入本文。

技术领域

本发明整体涉及材料测试。更具体地，本发明涉及材料测试系统，该材料测试系统提供反馈以帮助设置和配置。

背景技术

材料测试系统通常包括延伸到夹具或保持装置的一个或多个轴或其他施加载荷的致动器，在测试之前，试样可放置或以其他方式接收在该夹具或保持装置内。当设置此类材料测试机时，过程可能需要操作者遵循若干步骤，每个步骤需要致动器的不同位置。操作者通常经由仪器控制面板或通过用手操纵致动器或其输出轴来调节致动器的位置。当用手操纵致动器时，需要操作者将注意力分散在致动器和夹持或保持装置上的位置和/或载荷的量表或GUI显示之间。这种分散的注意力可能导致更长的设置时间、设置的错误以及在一些情况下对系统和/或试样的意外损坏。

因此，在设置和配置方面为用户提供帮助的材料测试系统将在本领域中深受欢迎。

发明内容

在一个示例性实施方案中，材料测试系统包括输出轴，该输出轴被配置成通过马达的操作而移动，该输出轴能够联接到试样，使得该输出轴的移动对该试样施加机械力；和触觉反馈系统，该触觉反馈系统被配置成在设置期间向该材料测试系统的操作者提供与该输出轴相对于该试样的位置或状态相关的触觉反馈。

除此之外或另选地，该输出轴被配置成通过经由该输出轴发送的触觉响应向操作者提供触觉反馈。

除此之外或另选地，该触觉响应包括通过马达使输出轴移动。

除此之外或另选地，该触觉响应是该输出轴中的低能量振动。

除此之外或另选地，该输出轴能够通过由操作者使用的间接控制器移动，其中该间接控制器被配置成在设置期间调节该输出轴的位置，并且其中该间接控制器被配置成通过经由该间接控制器发送的触觉响应向操作者提供触觉反馈。

除此之外或另选地，该触觉响应被配置成通过在该输出轴接触试样时增加触觉响应来模拟该材料测试系统的测试空间中的样品响应。

除此之外或另选地，该材料测试系统是轴向载荷系统、扭转载荷系统、动态力学分析系统和流变仪系统中的至少一者。

除此之外或另选地，该触觉反馈系统被配置成提供第一触觉响应以指示满足该输出轴的位置或样品上的载荷。

除此之外或另选地，该触觉反馈系统被配置成针对该设置在该输出轴的移动极限或力极限处或在该移动极限或力极限附近提供第二触觉响应，其中第二触觉响应不同于第一触觉响应。

除此之外或另选地，第一触觉响应和第二触觉响应是选自由以下项组成的组的响应：单脉冲、快速连续脉冲、对该输出轴的进一步移动的增加的阻力、以预定时间间隔重复的脉冲以及与输出轴的位置成比例的阻力。

在另一个示例性实施方案中，材料测试系统包括第一样本接触体；第二样本接触体，其中试样被配置成放置在第一样本接触体和第二样本接触体之间；和输出轴，该输出轴附接到第一样本接触体并且从第一样本接触体延伸，该输出轴被配置成通过马达的操作而移动，其中该输出轴被配置成在测试过程的设置期间向触摸该输出轴的操作者提供触觉反馈。

在另一个示例性实施方案中，材料测试方法包括：提供包括输出轴的材料测试系统；由该材料测试系统接收试样；通过使该输出轴相对于试样移动来设置用于该试样的测试过程；以及在该设置期间向该材料测试系统的操作者提供与该输出轴相对于试样的位置或状态相关的触觉反馈。

除此之外或另选地，该方法还包括由该输出轴通过经由该输出轴发送的低能量振动来提供该触觉反馈。

除此之外或另选地，该方法还包括由马达控制通过该输出轴发送的低能量振动，该马达被配置成在测试期间使该输出轴移动。

除此之外或另选地，该方法还包括通过由操作者使用的间接控制器使该输出轴移动；在设置期间利用该间接控制器来调节该输出轴的位置；以及通过经由该间接控制器发送的触觉响应向操作者提供该触觉反馈。

除此之外或另选地，该方法还包括通过在该输出轴接触试样时增加该触觉响应由该间接控制器来模拟该材料测试系统的测试空间中的样品响应。

除此之外或另选地，该方法还包括以下步骤中的至少一个：通过该材料测试系统对该试样进行轴向载荷测试；通过该材料测试系统对该试样进行扭转载荷测试；通过该材料测试系统对该试样进行动态力学分析；通过该材料测试系统对该试样进行流变测试。

除此之外或另选地，该方法还包括向操作者提供第一触觉响应；以及利用该第一触觉响应指示满足该输出轴的位置。

除此之外或另选地，该方法还包括向操作者提供第二触觉响应；以及利用该第二触觉响应指示用于该设置的该输出轴的移动限制，其中该第二触觉响应不同于该第一触觉响应。

除此之外或另选地，该提供第一触觉响应和第二触觉响应还包括下列中的至少一个：提供单脉冲中的至少一个脉冲；提供快速连续脉冲；提供对该输出轴的进一步移动的增加的阻力；提供以预定时间间隔重复的脉冲；以及提供与该输出轴的位置成比例的阻力。

附图说明

通过结合附图参考下面的描述，可以更好地理解本发明的上述优点和其他优点，附图中相同的附图标号是指各个附图中相同的元件和特征。为清楚起见，并非每个元件都在每个附图中标记。附图不一定按比例绘制，而重点在于示出本发明的原理。

图1描绘了根据一个实施方案的具有触觉反馈系统的材料测试系统的示意图。

图2描绘了根据一个实施方案的具有触觉反馈系统的另一材料测试系统的示意图。

图3描绘了根据一个实施方案的具有触觉反馈系统的另一材料测试系统的示意图。

图4描绘了根据一个实施方案的具有触觉反馈系统的流变仪的示意图。

图5A描绘了根据一个实施方案的具有处于回缩位置的输出轴的另一材料测试系统的侧视图。

图5B描绘了根据一个实施方案的具有处于回缩位置输出轴与附接的夹具系统的图5A的材料测试系统的侧视图。

图5C描绘了根据一个实施方案的具有处于伸出位置的输出轴与附接的夹具系统的图5A和图5B的材料测试系统的侧视图。

图6描绘了根据一个实施方案的从触觉反馈系统接收触觉反馈的图5A至图5C的材料测试系统的操作者的透视图。

图7描绘了根据一个实施方案的持有间接控制器并从触觉反馈系统接收触觉反馈的图2的材料测试系统的操作者的透视图。

图8A描绘了图5A至图6的材料测试系统的输出轴随时间推移达到位置水平的触觉响应的图形表示。

图8B描绘了在与图8A的图形表示相同的时间范围内，图5A至图6的材料测试系统的输出轴的轴位置的图形表示。

图9A描绘了对图5A至图6的材料测试系统的输出轴随时间推移越过位置极限水平的触觉响应的图形表示。

图9B描绘了在与图9A的图形表示相同的时间范围内，图5A至图6的材料测试系统的输出轴的轴位置的图形表示。

图10A描绘了对图5A至图6的材料测试系统的输出轴随时间推移越过位置极限水平的成比例触觉响应的图形表示。

图10B描绘了在与图10A的图形表示相同的时间范围内，图5A至图6的材料测试系统的输出轴的轴位置的图形表示。

图11描绘了触觉脉冲随时间推移的示例性加速度的图形表示。

具体实施方式

在本说明书中提到“一个实施方案”或“实施方案”表示结合实施方案描述的特定特征、结构或特性包括在本教导的至少一个实施方案中。对本说明书内的特定实施方案的引用不一定都指代相同的实施方案。

现在将参考如附图所示的本教导的示例性实施方案来更详细地描述本教导。虽然结合各种实施方案和示例描述了本教导，但是本教导不旨在限制于此类实施方案。相比之下，本教导涵盖各种替代、修改和等同物，如本领域的技术人员将理解。能够使用本文教导的普通技术人员将认识到在如本文所述的本公开的范围内的附加实施方式、修改和实施方案，以及其他使用领域。

简言之，本发明涉及在达到预定设置位置或系统极限时向操作者提供触觉反馈的测试系统。对于其中操作者用手手动移动致动器的轴的系统而言，可以设想将系统的致动器配置成针对各种条件提供各种形式的触觉反馈。例如，当致动器轴移动到特定点(例如，距中心10mm)时，致动器可被配置成提供触觉“轻击”以让用户知道已经到达特定点。

如果存在操作者已利用系统设置的位移限制或力限制，则触觉反馈可被提供为更持续(例如，更高频率)的一组轻击，或者可提供随操作者接近极限而成比例增加的阻力。这既可经由触觉响应将该极限传达给操作者，也可帮助防止操作者实际上超过该极限。

一些材料测试系统能够以非常高的力操作。这些系统在通电的情况下用手设置可能是不安全的，或者移动致动器所需的力太大而无法用手实现。在此类系统中，设想将触觉反馈响应施用于由操作者使用的间接(例如，手持)控制器。在此类控制器中，可存在用于调节致动器位置的系统类似物(例如，滚轮、触摸板、操纵杆等)。设想设置这种类似物以向操作者提供触觉反馈。这可向用户提供模拟体验，以在夹具与试样接触时效仿试样的阻力。这种模拟体验可基于从现有系统传感器测量的载荷和位移。

如本文所述的，“材料测试系统”包括用于通过向任何试样或样品施加力来执行材料测试的任何类型的系统。材料测试系统可以是使用电磁线性马达的载荷框架。此类装置的示例包括来自TA Instruments^TM的ElectroForce^TM系列测试仪器。材料测试系统可包括多样本疲劳测试系统、心血管测试仪器和/或组织工程仪器。还可设想竖直轴致动器系统和水平轴致动器系统两者。另外，设想了在可变形材料上施加应力或应变的流变仪器，诸如流变仪。

如本文所述的，“触觉反馈系统”是被配置成向操作者提供通信的系统，该通信由操作者通过触摸感觉接收。本文所述的触觉反馈系统可被配置成向材料测试系统的操作者提供触觉反馈，诸如力、振动、运动或任何其他触觉响应中的一个或多个。触觉响应可由触觉反馈系统响应于操作者的输入(例如，当操作者移动致动器或将试样或样品夹持到材料测试系统中时)而提供给操作者。

现在参见附图，图1描绘了根据一个实施方案的具有触觉反馈系统12的材料测试系统10的示意图。材料测试系统包括基座14，两个框架柱16a、16b从该基座延伸。柱16a、16b延伸到线性马达壳体单元18，线性马达20位于该线性马达壳体单元内。从线性马达20和壳体单元18向下延伸的是竖直配向的输出轴22。输出轴22延伸至上夹具机构24，该上夹具机构被配置成对接、保持或以其他方式夹持试样26，该试样表示能够由材料测试系统10测试的任何样品。试样26被保持在上夹具机构24和下夹具机构28之间，该下夹具机构从下轴30延伸，该下轴附接到基座14并且从该基座向上延伸。

材料测试系统10被示出为单马达系统，其中单个轴线(即，竖直输出轴22)被配置成在测试序列期间竖直地移动。然而，设想竖直配向的材料测试系统的其他实施方案，其中本文中所述的触觉反馈系统可能是可用的。例如，竖直配向的材料测试系统可包括两个线性马达：一个用于移动竖直输出轴22，另一个用于移动从下方延伸到下夹具28的竖直输出轴。

力传感器可位于基座14内和/或安装在基座14上方，以便检测通过由输出轴22的移动在试样26上施加力而传递到下轴30的力以及所产生的传递到下夹具28的力。另外，力传感器和/或位移传感器可安装在单元18内，该单元被配置成检测输出轴22上的力和/或位移。材料测试系统10可包括各种传感器，以便测试试样(诸如试样26)的物理特性。

控制系统32可连接到材料测试系统10。控制系统32可经由有线或无线连接而连接到线性马达20单元和材料测试系统10的传感器系统。控制系统32可包括运行控制软件的一个或多个外部计算设备，该控制软件被配置成控制材料测试系统10。可由操作者使用控制系统32的软件来查看和解释在测试序列期间由材料测试系统10收集的信息。此外，可由操作者使用控制系统32的软件在测试程序之前和/或期间对材料测试系统10进行编程或控制。控制系统32还可连接到触觉反馈系统12。控制系统32能够对触觉反馈系统12进行编程，以便定制触觉响应，以及触觉反馈系统12向操作者提供触觉响应的条件。

在操作中，材料测试系统10可被配置成接收位于包括两个夹具24、28的夹具系统之间的试样26。夹具24、28可分别以可移除方式附接至输出轴22和下轴30。在设置过程期间，在试样26在夹具24、28之间处于适当位置之前或之后，可需要操作者(未示出)用手移动输出轴22。触觉反馈系统12可被配置成当操作者达到预定的设置位置和/或系统极限时向操作者提供触觉反馈和/或触觉响应。例如，当输出轴22移动到某个点(例如，距中心10mm)时，输出轴22可向操作者提供触觉“轻击”以让操作者知道已经到达某个点。这可避免操作者在与输出轴22和/或试样26相互作用的同时必须观看屏幕。

材料测试系统10可表示用于测试材料的任何材料测试系统或载荷框架。例如，材料测试系统10可以为落地式仪器或放置在工作台或桌上的仪器。材料测试系统10可表示具有任何输出轴运动范围、力范围、频率范围等的系统。材料测试系统10能够附接测试室仪器，轴22、30和夹具24、28在该测试室仪器内延伸，并且试样在测试期间在特定环境条件下容纳在该测试室仪器内。材料测试系统10可包括可调节特征部或本领域已知的任何特征部。此外，线性马达20可被旋转马达或扭转马达替代。在由此基座14容纳马达的双马达系统中，两个马达均可以为线性马达，或者一个马达可以为扭转运动以用于对输出轴施加旋转，从而经由旋转夹具向试样施加旋转。任何测试配置都是可能的，并且触觉反馈可适用于操作者需要在测试序列的设置或配置阶段期间手动操纵、移动或配置的任何输出轴。

材料测试系统10还可表示被配置为通过提供模拟体内条件的测试室来测试生物材料的仪器。此外，材料测试系统10被示为具有单个输出轴和单个马达。在其他实施方案中，多个输出轴和/或马达可与对应的下轴和夹具一起使用，以同时测试多个试样。在此类实施方案中，触觉反馈系统12可被配置成向在手动设置期间由操作者触摸的任何轴或致动器提供反馈。

应当理解，触觉反馈系统(诸如触觉反馈系统12)可施用于各种不同类型的材料测试系统。虽然图1示出了作为由此操作者直接与输出轴接合的示例性动态力学分析(DMA)系统的材料测试系统10的示意图，但是图2描绘了根据一个实施方案的具有另一触觉反馈系统112的另一材料测试系统100的示意图，其中操作者在设置期间不与机器直接接合。相反，材料测试系统100包括具有控制器140的机器，该控制器允许操作者与材料测试系统100之间的间接相互作用。

被配置成具有允许与系统(诸如材料测试系统100)间接相互作用的控制器的材料测试系统在高力应用中可能是特别必要的。在此类应用中，操作者用手触摸机器或输出轴可能是不安全的。相反，控制器140可包括用于间接调节输出轴位置的系统类似物(例如，滚轮、触摸板、操纵杆等)。

如同材料测试系统10，材料测试系统100包括基座114，两个框架柱116a、116b从该基座延伸。柱116a、116b延伸到线性马达壳体单元118，线性马达120位于该线性马达壳体单元内。从线性马达120和壳体单元118向下延伸的是竖直配向的输出轴122。输出轴122延伸至上夹具机构124，该上夹具机构被配置成对接、保持或以其他方式夹持试样126，该试样表示能够由材料测试系统100测试的任何样品。试样126被保持在上夹具机构124和下夹具机构128之间，该下夹具机构从下轴130延伸，该下轴附接到基座14并且从该基座向上延伸。

材料测试系统100的触觉反馈系统112被示出为包围线性马达120、力传感器和/或位移传感器以及间接控制器140中的每一者。触觉反馈系统112还可包括材料测试系统100中的一些或所有传感器，该传感器可与上文所述的材料测试系统10中的传感器相同。触觉反馈系统112可被配置成向控制器140(并且具体地讲其类似物)提供触觉响应。在一些实施方案中，该触觉反馈或触觉响应可被配置成向操作者提供模拟体验，以在夹具124、128接触时效仿或以其他方式模拟试样126的阻力。这种触觉反馈可基于来自材料测试系统100的力传感器和/或位移传感器的所测量载荷和位移。

图3描绘了根据一个实施方案的具有触觉反馈系统212的另一材料测试系统200的示意图。材料测试系统200可以是水平测试系统，而不是如上文所述的材料测试系统10、100的竖直测试系统。材料测试系统200包括第一马达220a和第二马达220b，每个马达都位于桌子或工作台214上。马达220a、220b可沿着工作台214可调节地移动或重新定位，以便适应不同的测试。在所示实施方案中，两个马达220a、220b可各自为相同类型的线性马达。在其他实施方案中，马达220a、220b可以是不同的。例如，一个马达可以是线性马达，然而另一马达可以是能够在夹具上施加旋转并由此使所附接的试样旋转的扭转马达。在其他实施方案中，可能仅单个马达是必要的。在这些实施方案中，马达220a、220b中的一个马达可由安装到固定轴的固定基座代替。

材料测试系统200包括触觉反馈系统212，该触觉反馈系统包括触觉反馈系统212a和触觉反馈系统212b中的每一者。触觉反馈系统212a被配置成沿输出轴222a和/或其夹具提供触觉反馈或触觉响应，而触觉反馈系统212b被配置成沿输出轴222b和/或其夹具提供触觉反馈或触觉响应。该触觉反馈可由控制系统240控制，该控制系统可被配置成控制两个马达220a、220b中的每一者以及触觉反馈系统212中的触觉反馈。输出轴222a、222b中的触觉反馈和触觉响应可以以与上文在先前实施方案中所述方式类似的方式提供。

图4描绘了根据一个实施方案的具有触觉反馈系统312的流变仪300的示意图。流变仪300可包括驱动输出部356的驱动马达354和具有输出轴322的换能器320。换能器320可包括扭矩再平衡换能器和法向力再平衡换能器中的一者或两者。样品室352的周围主体350被示出为附接到驱动马达354的输出部356，而位于样品室352内的转子324被示出为附接到换能器320的输出部322。控制系统340被示出为可操作地连接到驱动马达354、换能器320和触觉反馈系统312中的每一者。

驱动马达354可被配置成在宽范围的角位移和速度上递送输出部356的准确旋转运动。例如，驱动马达354可包括空气轴承系统、高扭矩无摩擦无刷直流马达、光学编码器和温度感测系统。驱动马达354及其特征部可由控制系统340基于操作者输入来控制。

换能器320可包括扭矩再平衡换能器，该扭矩再平衡换能器可被配置成基于输出部322上保持零位所需的扭矩来测量准确的样品应力。扭矩再平衡换能器可包括空气轴承、高分辨率电容式角度传感器和温度感测系统。与驱动马达354一样，扭矩再平衡换能器及其特征部可由控制系统340控制并且由操作者输入引导。换能器320可包括法向力再平衡换能器，该法向力再平衡换能器可被配置成测量输出部322上来自样品室352内的样品的准确法向力。法向力再平衡换能器可利用位置反馈来将输出部322的轴保持在零位。法向力再平衡换能器及其特征部可由控制系统340控制并且引导操作者输入。另外，法向力再平衡换能器可配备有用于测量样品室352中的压力的压力感测系统。

周围主体350、样品室352和转子324可以是流变仪100的整体部件。流变仪还可包括用于向样品室352提供压缩空气的压缩空气系统(未示出)。另选地，可以设想的是，这些部件是可附接到输出部322、356并且可从该输出部拆卸的压力单元的可单独附接的附加特征部。无论实施方案如何，限定样品室352的周围主体350能够附接到驱动马达354及其输出部356，以便随着输出部356的旋转而旋转。同样，转子324能够附接到换能器320的输出部322并且可被配置成随着输出部322的移动而移动。转子324可被配置成相对于限定样品室352的周围主体350旋转。

控制系统340可被配置成控制和监测系统的部件上的应力、应变、力、速度等。控制系统340可被配置成提供与在样品室352内的材料或样品的测试期间进行的测量相关的输出信息。控制系统340可被配置成控制输出部322、356的运动，并且通过控制压缩空气系统(未示出)进一步控制样品室352内的压力。

控制系统340还可与触觉反馈系统312可操作地通信。控制系统340可被配置成接收来自系统的信息以便确定例如附接到输出轴322的转子324何时充分浸没在样品室352内的样品内。例如，在许多实施方案中，样品室352可在样品已经被沉积在其中之后被完全封闭。在这种情况下，可能期望将输出轴降低到低于样品深度的特定位置。控制系统340可被配置成接收来自样品室352内的感测信息并且可由此在输出轴352被降低到相对于样品深度的期望位置中时提供触觉反馈。在一些情况下，例如，可能期望转子324的顶部与样品深度齐平。在其他情况下，可能期望在测试开始之前将转子324的顶部浸没预定量。触觉反馈系统312可被配置成当满足适当位置时向用手降低输出轴的操作者提供触觉响应。虽然这是在流变仪300上的触觉反馈312的一种示例性用途，但是可以设想期望向触摸输出轴322或输出轴356的操作者提供信号的任何用途。

图5A描绘了根据一个实施方案的具有处于回缩位置的输出轴422的另一材料测试系统400的侧视图。材料测试系统400可以为与上文示意性描述的具有所描述的控制系统32和触觉反馈系统12的材料测试系统10相似的实施方案。

材料测试系统400可包括容纳在线性马达壳体单元418内的单个马达(未示出)，该马达操作输出轴422。上壳体418还可包括适当的传感器，以用于将从测试收集的信息提供回控制系统(未示出)。示出将特定夹具系统附接到输出轴422的端部中的每一者和下轴430之前的材料测试系统400。下轴430被示出为利用固定机构472附接到可调节测试基座415。一个或多个力传感器470被示出处于下轴430的基座处，该下轴可与控制系统32通信。

材料测试系统400包括下基座414，两个侧部框架柱416a、416b和背部框架柱416c从该下基座延伸。柱416a、416b、416c延伸到线性马达壳体单元418，线性马达(未示出)位于该线性马达壳体单元内。附接到侧柱416a、416b中的每一者并在该侧柱间延伸的是可调节测试基座415，该可调节测试基座用于改变下轴430相对于上输出轴422的高度。可调节测试基座415包括轴承系统460a、460b，该轴承系统用于允许该可调节测试基座415与侧柱416a、416b之间的可滑动运动。后框架柱416c可以以足够的间隙位于可调节测试基座415后面，以便不触摸或以其他方式干扰可调节测试基座415沿侧柱416a、416b的移动。锁定机构462a、462b可设置在轴承系统460a、460b中的每一者上的可调节测试基座415下方，以用于将可调节测试基座415锁定到沿侧框架柱416a、416b的适当位置中。

材料测试系统400可包括上文关于图1示意性示出和描述的触觉反馈系统12。触觉反馈系统12可被配置成以上文关于图1描述的方式向输出轴422提供触觉反馈。在一些实施方案中，可以设想的是，触觉反馈系统12还可在沿侧柱416a、416b调节可调节测试基座415的高度时或在附接和调节下轴430时向操作者提供触觉响应。

图5B描绘了根据一个实施方案的具有处于回缩位置输出轴422与附接的夹具系统的图5A的材料测试系统400的侧视图。附接的夹具系统包括上夹具424，该上夹具附接到输出轴422并且包括延伸到试样接口的细长轴。同样地，附接的夹具系统包括下夹具428，该下夹具附接到下轴430并且包括延伸到试样接口的细长轴。夹具系统可被配置成通过发送到其输出轴422和/或下轴430的任何触觉响应接收来自触觉反馈系统12的触觉响应。应当理解，所示夹具系统是示例性的，并且材料测试系统可包括本领域已知的任何类型的试样接口。图5C描绘了根据一个实施方案的具有处于伸出位置或下降位置的输出轴422与附接的夹具系统的图5A和图5B的材料测试系统400的侧视图。如图所示，输出轴422可通过手动向上或向下移动或调节，以便将上夹具424移动得更靠近下夹具428，以便在测试之前配置材料测试系统。

图6描绘了根据一个实施方案的从触觉反馈系统12接收触觉反馈或触觉响应的图5A至图5C的材料测试系统的操作者11的透视图。在该实施方案中，操作者11被示出为触摸附接到输出轴422的上夹具424。触觉响应可通过输出轴422提供给操作者，并且以单次“轻击”、多次快速“轻击”、成比例的阻力等形式提供给附接于其上的上夹具424。下文将提供触觉响应的各种示例。触觉反馈可指示各种事情。例如，单次“轻击”可指示已满足输出轴或致动器中的某个位置。多次轻击可指示达到(或几乎达到)位移或载荷的极限以在过度行进或过度负载之前警告操作者11。成比例的阻力可提供增加的反馈或阻力以避免操作者11使上夹具424下降太远，即太接近已知极限。触觉反馈系统12可应用各种触觉响应和相应的含义来与操作者11通信。

图7描绘了根据一个实施方案的持有间接控制器140并从触觉反馈系统112接收触觉反馈的图2的材料测试系统的操作者的透视图。间接控制器140被示为具有呈可移动拨动装置或拨盘形式的系统类似物142。此外，间接控制器140包括紧急停止按钮143。间接控制器140包括向和从控制系统132和触觉反馈系统112通信的线144。在系统用手致动是不实际或不安全的材料测试情况下(例如，高力系统)，触觉反馈系统112可被配置成通过间接控制器140向操作者11提供触觉通信(即，触觉响应)。除了由上文在直接触觉反馈系统中描述的输出轴提供的轻击或阻力之外，控制器140还可被配置成模拟测试空间中正在发生的情况。例如，当输出轴接触测试空间中的试样时，对控制器类似物142的运动的阻力可具有阶跃增加。

图8A描绘了图5A至图6的材料测试系400的输出轴422随时间推移达到位置水平的触觉响应510的图形表示500。具体地讲，横坐标501指示以秒为单位的时间，而纵坐标502指示以伏特为单位测量的触觉水平。图8B描绘了在与图8A的图形表示相同的时间范围内，图5A至图6的材料测试系统400的输出轴422的轴位置的图形表示550。具体地讲，横坐标551指示在与横坐标501相同的时间段内以秒为单位的时间。纵坐标552指示输出轴422相对于完全回缩位置的轴位置。如图8A所示，示出了表示图8B中轴移动的时间段范围内的触觉响应的触觉响应510的曲线，该曲线具有第一电压“轻击”512和第二电压“轻击”514。参见图8B，第一电压“轻击”512发生在轴位置的曲线560在时间562处越过10mm点的时间处。该轴位置(10mm)可以是阈值轴位置，触觉反馈系统12可被配置成高于该阈值轴位置提供触觉“轻击”512、514。第二触觉“轻击”514可在经过特定预定时间间隔之后，在轴位置保持高于该阈值时提供。因此，单个“轻击”512、514可指示满足输出轴422中的位置(例如，10mm)。当该轴保持高于该10mm阈值时，“轻击”被示出为缓慢重复。

图9A描绘了对图5A至图6的材料测试系统的输出轴随时间推移越过位置极限水平的触觉响应的图形表示600。具体地，横坐标601指示以秒为单位的时间，而纵坐标602指示以伏特为单位测量的触觉水平。图9B描绘了在与图9A的图形表示相同的时间范围内，图5A至图6的材料测试系统400的输出轴422的轴位置的图形表示650。具体地讲，横坐标651指示在与横坐标501相同的时间段内以秒为单位的时间。纵坐标652指示输出轴422相对于完全回缩位置的轴位置。如图9A所示，示出了表示在图9B中轴移动的时间段范围内的触觉响应的触觉响应610的曲线，该曲线具有在正好3秒之后开始直至10秒的时间内的多次快速“轻击”612。参见图9B，多次快速“轻击”612的第一电压“轻击”发生在轴位置的曲线660在时间662处越过10mm点的时间处。该轴位置(10mm)可以是阈值轴位置，触觉反馈系统12可被配置成高于该阈值轴位置提供触觉“轻击”612。这些多次快速“轻击”612可向操作者11指示达到(或几乎达到)位移或载荷的极限，以在超程或超负载之前警告操作者11。

图10A描绘了对图5A至图6的材料测试系统400的输出轴422随时间推移越过位置极限水平的成比例触觉响应的图形表示。如同先前的示例，横坐标701指示以秒为单位的时间，而纵坐标702指示以伏特为单位测量的触觉水平。图10B描绘了在与图10A的图形表示相同的时间范围内，图5A至图6的材料测试系统400的输出轴422的轴位置的图形表示。如同先前的示例，横坐标751指示在与横坐标701相同的时间段内的以秒为单位的时间，并且纵坐标752指示输出轴422相对于完全回缩位置的轴位置。如图10A所示，示出了表示在图10B中轴移动的时间段范围内的触觉响应的触觉响应710的曲线，该曲线具有在时间762处，在轴位置越过10mm点之后的成比例的阻力反馈。

在轴位置继续增加超过10mm点的响应时间段712内，随着施加到输出轴422的负电压的增加而发生阻力的增加。该负电压可适用于张力样品情况，由此负电压降低轴，而正电压升高轴。因此，图10A中所示的负电压可实际上被配置成降低轴以减小样本上的张力。正好在6秒之后，轴位置停止增加，如随时间推移轴位置的曲线760的部分764所示。在该时间期间，在响应710的部分714处，触觉响应水平保持在其负最大值而不改变。当位置接近最大值时，以这种方式增加阻力可以为操作者提供增加的保护。

应当理解，图8A、图9A和图10A中所示的电压可以是与维持轴在预期当前位置处“浮动”所需的电压的增加或减少相关的相对电压。取决于该轴的位置，这种轴“浮动”可能需要已知的预定电压。来自如图8A、图9A、图10A中所示的触觉反馈的电压被配置成将电压临时改变将向操作者提供触觉响应的量。虽然图8A至图10B中的上述图形示例涉及轴位置，但是触觉反馈可类似地响应于由材料测试系统的控制系统所接收的力信息或由控制系统接收的任何其他感测信息来施用。

图11描绘了触觉脉冲随时间推移的示例性加速度曲线810的图形表示800。图形表示800包括沿横坐标801的时间和沿纵坐标802的以重力(g)为单位测量的触觉脉冲加速度。曲线810包括在0.6g处的正峰值812，而负峰值814在-0.3g处。加速度曲线810在约0.05秒-0.1秒的过程中进行调节。这可以被认为是“低能量”反馈。由于持续时间短，所以在单次低能量轻击的触觉响应期间仅可输出0.003J的机械能。为机械测试系统提供低能量(例如，小于0.01J)的触觉响应在试样已经处于与系统接触或张紧并且触觉响应不旨在在测试之前操纵试样或测试系统的情况下可以是特别有利的。

如上所述，描述了材料测试的方法，包括设置和配置材料测试系统和/或测试序列。在材料测试中使用触觉反馈的方法可包括提供材料测试系统，诸如系统10、100、200、300、400中的一个系统，包括输出轴，诸如输出轴22、122、222a、222b、322、422中的一个输出轴。方法包括通过材料测试系统接收试样，并且通过相对于试样移动输出轴来设置用于该试样的测试过程。方法包括在设置期间向该材料测试系统的操作者(诸如操作者11)提供与该输出轴相对于试样的位置或状态相关的触觉反馈。

方法还包括由该输出轴通过经由该输出轴发送的低能量振动来提供该触觉反馈，诸如在图11中示出并且在上文描述的触觉反馈。方法还可包括由马达(诸如马达20、120、220a、220b、320、354中的一个马达)控制通过输出轴发送的低能量振动，该马达被配置成在测试期间使输出轴移动。

方法还可包括通过间接控制器(诸如由操作者使用的控制器140)使输出轴移动，并且利用间接控制器调节设置期间的输出轴的位置。方法可包括通过经由该间接控制器发送的触觉响应向操作者提供该触觉反馈。方法还可包括通过在该输出轴接触试样时增加该触觉响应由该间接控制器来模拟该材料测试系统的测试空间中的样品响应。

方法可包括以下步骤中的至少一个：通过该材料测试系统对该试样进行轴向载荷测试；通过该材料测试系统对该试样进行扭转载荷测试；通过该材料测试系统对该试样进行动态力学分析；通过该材料测试系统对该试样进行流变测试。

方法还可包括向操作者提供第一触觉响应；以及由该第一触觉响应指示满足该输出轴的位置，诸如图8A和图8B所示的触觉响应。方法还可包括向操作者提供第二触觉响应；以及由该第二触觉响应指示用于该设置的该输出轴的移动极限。第二触觉响应不同于第一触觉响应，诸如图9A和图9B中所示的触觉响应。

方法还可包括提供单脉冲中的至少一个(诸如图8A和图8B中所示的响应)、提供快速连续脉冲(诸如图9A和图9B中所示的响应)、提供对输出轴的进一步移动的增大的阻力(诸如图10A和图10B中所示的响应)、提供以预定时间间隔重复的脉冲(诸如图8A和图8B中所示的响应)、以及提供与该输出轴的位置成比例的阻力(诸如图10A和图10B中所示的响应)。

虽然已经参考特定实施方案示出和描述了本发明，但是本领域的技术人员应理解，在不脱离如所附权利要求中叙述的本发明的实质和范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。例如，在一些实施方案中，可移除密封装置可以不包括支撑套筒，或者可包括不是由金属材料制成的支撑套筒。在不脱离本文所述的发明范围的情况下，可以设想其他变型。

Claims (20)

1.一种材料测试系统，包括：

输出轴，所述输出轴被配置成通过马达的操作而移动，所述输出轴能够联接到试样，使得所述输出轴的移动对所述试样施加机械力；和

触觉反馈系统，所述触觉反馈系统被配置成在设置期间向所述材料测试系统的操作者提供与所述输出轴相对于所述试样的位置或状态相关的触觉反馈。

2.根据权利要求1所述的材料测试系统，其中所述输出轴被配置成通过经由所述输出轴发送的触觉响应向所述操作者提供所述触觉反馈。

3.根据权利要求2所述的材料测试系统，其中所述触觉响应包括通过所述马达使所述输出轴移动。

4.根据权利要求2所述的材料测试系统，其中所述触觉响应是所述输出轴中的低能量振动。

5.根据权利要求1所述的材料测试系统，其中所述输出轴能够通过由所述操作者使用的间接控制器移动，其中所述间接控制器被配置成在设置期间调节所述输出轴的位置，并且其中所述间接控制器被配置成通过经由所述间接控制器发送的触觉响应向所述操作者提供所述触觉反馈。

6.根据权利要求5所述的材料测试系统，其中所述触觉响应被配置成通过在所述输出轴接触所述试样时增加所述触觉响应来模拟所述材料测试系统的测试空间中的样品响应。

7.根据权利要求1所述的材料测试系统，其中所述材料测试系统是轴向载荷系统、扭转载荷系统、动态力学分析系统和流变仪系统中的至少一者。

8.根据权利要求1所述的材料测试系统，其中所述触觉反馈系统被配置成提供第一触觉响应以指示满足所述输出轴的位置或样品上的载荷。

9.根据权利要求8所述的材料测试系统，其中所述触觉反馈系统被配置成针对所述设置在所述输出轴的移动极限或力极限处或在所述移动极限或力极限附近提供第二触觉响应，其中所述第二触觉响应不同于所述第一触觉响应。

10.根据权利要求9所述的材料测试系统，其中所述第一触觉响应和第二触觉响应是选自由以下项组成的组的响应：单脉冲、快速连续脉冲、对所述输出轴的进一步移动的增加的阻力、以预定时间间隔重复的脉冲以及与所述输出轴的位置成比例的阻力。

11.一种材料测试系统，包括：

第一样本接触体；

第二样本接触体，其中试样被配置成放置在所述第一样本接触体和所述第二样本接触体之间；和

输出轴，所述输出轴附接到所述第一样本接触体并且从所述第一样本接触体延伸，所述输出轴被配置成通过马达的操作而移动，其中所述输出轴被配置成在测试过程的设置期间向触摸所述输出轴的操作者提供触觉反馈。

12.一种材料测试的方法，包括：

提供包括输出轴的材料测试系统；

由所述材料测试系统接收试样；

通过使所述输出轴相对于所述试样移动来设置用于所述试样的测试过程；以及

在所述设置期间向所述材料测试系统的操作者提供与所述输出轴相对于所述试样的位置或状态相关的触觉反馈。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括：

由所述输出轴通过经由所述输出轴发送的低能量振动来提供所述触觉反馈。

14.根据权利要求13所述的方法，还包括：

由马达控制通过所述输出轴发送的所述低能量振动，所述马达被配置成在测试期间使所述输出轴移动。

15.根据权利要求12所述的方法，还包括：

通过由所述操作者使用的间接控制器使所述输出轴移动；

在设置期间利用所述间接控制器来调节所述输出轴的所述位置；以及

通过经由所述间接控制器发送的触觉响应向所述操作者提供所述触觉反馈。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括：

通过在所述输出轴接触所述试样时增加所述触觉响应由所述间接控制器来模拟所述材料测试系统的测试空间中的样品响应。

17.根据权利要求12所述的方法，还包括以下步骤中的至少一个：

通过所述材料测试系统对所述试样进行轴向载荷测试；

通过所述材料测试系统对所述试样进行扭转载荷测试；

通过所述材料测试系统对所述试样进行动态力学分析；以及

通过所述材料测试系统对所述试样进行流变测试。

18.根据权利要求12所述的方法，还包括：

向所述操作者提供第一触觉响应；以及

利用所述第一触觉响应来指示满足所述输出轴的位置。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括：

向所述操作者提供第二触觉响应；以及

利用所述第二触觉响应来指示用于所述设置的所述输出轴的移动限制，其中所述第二触觉响应不同于所述第一触觉响应。

20.根据权利要求19所述的方法，其中提供所述第一触觉响应和所述第二触觉响应还包括以下步骤中的至少一个：

提供单脉冲中的至少一个脉冲；

提供快速连续脉冲；

提供对该输出轴的进一步移动的增加的阻力；

提供以预定时间间隔重复的脉冲；以及

提供与所述输出轴的位置成比例的阻力。

Images