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PumpSpark喷泉开发套件
摘要
PumpSpark喷泉开发套件包括一个控制器、八个微型水泵和各种附件，允许快速原型化流体化用户界面。控制器提供USB和逻辑级串行接口可快速（~100ms），高分辨率（8位）控制高达约1米的水流。还介绍了使用PumpSpark工具包构建的许多示例应用程序。这个套件是一个有100多名学生参加的学生竞赛的主题，展示了它在流体快速成型系统中的实用性。
作者关键词
流体用户界面；流体；水基界面；PumpSpark；泵控制器；原型制作；学生竞赛。
学术分类关键词
H.5.2【用户界面】：原型制作
介绍
液态水是一种非凡的物质。它是无限变形的，但在很大程度上是不可压缩的。由于其极地性，水自然地自我吸引，使表面能量最小化。这也允许它被电荷吸引。虽然本质上是不导电的，但大多数水含有杂质，可以携带电能。它是透明的，可以作为光的向导。水有高热容量，并且是热传导的。它有很好的传声能力。为了实验的目的，它很方便，它也便宜，广泛使用，无毒，并且易于泵送。除了这些物理特性外，水在美学上也是令人愉悦的。滨水地产一直是最理想的房地产。城市公园通常设有喷泉和游泳池。仅仅是流水的声音是如此吸引人，以至于许多制造商都提供了可以播放海浪和潺潺的小溪录音的设备帮助人们睡觉。在炎热的天气里，一个孩子跑过喷水器，这种纯粹的快乐是显而易见的。
综上，在人机交互界面中不经常使用水资源难免会令人惊讶。原因之一可能这需要一种奇特的混合技巧：一个在泵、管道、固件和应用程序开发、电子设备方面拥有专业知识的个人并不多见；另一个基本原因是接触液体会让使用者的手或衣服湿掉，在某些特定情况下可能并不方便。
而这项制作的目标是创造一个简单，便宜，多泵系统，让研究人员开始探索流动液体的人机交互界面（FUIS）。PumpSpark喷泉开发套件（图1）包括8通道无刷泵控制器，8台微型泵及各种附件。控制器提供USB和逻辑级串行接口，并使用使用与标准业余爱好伺服相同的协议控制器，这使得它可以与现有的、现成的控制软件协同工作。有着8位分辨率和约为100毫秒的阶跃响应时间，系统既精确又快速。
我们提供了一些使用PumpSpark可以创建的FUIS示例。从简单的显示到复杂的交互系统。最后，我们参报了一次学生竞赛，以展示PumpSpark工具包的易用性和多才多艺。
相关工作
PumpSpark喷泉开发工具包是一个原型工具，允许非专家快速创建复杂系统。其他硬件开发系统如Arduino[1]、Gadgeer[15]和Parallax的基本图章[4]的成功给了我们灵感。这些使许多人能够专注于更大的系统设计，而不是实现细节。目前，那些希望探索流体界面的人别无选择，只能将自己沉浸在选择泵、管道附件和适当控制系统的任务中。当得知带内部控制无刷电机的泵与标准电机控制器不兼容时，许多人会感到沮丧。我们正在安排使PumpSpark工具包商业化，以使其他人能够在创建FUIS方面进行创新。
虽然本工作的目的不是提供详细的对流体界面的回顾，但有必要参考一些例子。可以说，最著名的水上展览是在内华达州拉斯维加斯的贝拉吉奥酒店举行的。这座8英亩的喷泉是由湿设计建造的，其特点是精心设计的水流运动、声音和光线。迪士尼在另一个非常受欢迎的水上乐园迪士尼加州冒险乐园（Disney California Adventure）举办的《色彩世界》（World of Color Show）增加了火、投影和其他各种效果。
流体也经常用于创建短暂的用户界面。这些界面可能只会持续一段时间，例如由落水、上升的气泡或瞬间的肥皂泡生成的文本。例如空间打印机，水幕、信息过滤器和肥皂泡界面。人们也进行了利用了室内和室外游戏用水的特性的尝试。水上游戏鼓励孩子们一起玩，为了启动一个喷泉，孩子们不得不把手围成一个圈，然后绕着喷泉旋转。探索也利用了室内和室外游戏用水的特性。水上游戏鼓励孩子们一起玩。为了启动一个喷泉，孩子们需要把手围成一个圈，然后绕着喷泉旋转。水球Z允许孩子和年轻人在虚拟世界中互相“战斗”，利用水流提供身体反馈，而不需要佩戴装置。
“随意的亵渎”已展示了一些流动的雕塑，这些管道使用精心编织的透明管道，通过水泵输送液体段。其效果如同在迷宫中快速追逐的水流片段一样。 淹没技术由三个相互作用的水雕塑组成，每一个雕塑都从根本上利用水本身作为传感元件。钽喷泉使用水作为电容式近程探测器，从靠近的手上退出。水上竖琴和触摸池分别检测到水波导中受到阻碍的全内反射，并分别与声和光反应。后来的一个项目，Touche[27]进一步探索了电容式感应在水中的应用。
WaterTouch[20]还使用水波导管，但通过使用摄像头来查看手指插入水中的深度来添加深度信息。Aquatop[29]将水转换为交互式表面显示，用户可以在不使用任何电子设备的情况下与水上投射的信息进行交互。一些利用水作为扩散器的显示器也被提议用于娱乐和虚拟现实[2，3，11，12，13，30]。
最后，曼恩以其水基乐器而闻名。其中包括水龙电话[22]和水锤钢琴[21]。在这些仪器中，与水的相互作用产生谐振器，从而产生音调。
PumpSpark喷泉开发套件
PumpSpark喷泉开发套件包括泵控制器、13V/4A电源、8个泵和各种附件。
水泵：
水泵是主要的水控制机构。我们还考虑了基于阀门的设计。阀门速度快，价格便宜。然而，它们需要一个加压水源才能发挥作用。虽然这可以由公共供水提供，但这将阻止再循环，并需要排水。另一种方法是使用泵、蓄能器和控制系统来创建一个局部的、加压的、备用的系统。但这增加了相当大的复杂性和成本，除此之外，廉价的电磁阀也在开/关。我们找不到便宜的，潜水式的快速比例阀。
选择了DC30A-1230[32]泵作为套件。它成本极低（单台数量约10美元），而且非常小（5厘米x 5厘米x 5厘米，包括端口和安装支架）。该泵的性能特点如图2所示。DC30A-1230的最大流量可达4L/min。最大压头为3m，相当于4.35psi的压力。应该理解，这些代表了工作曲线上的两个不同点，可用流量取决于压力。有了适当的限制喷嘴，这些泵可以很容易地将一米长的水流射入空气中。DC30A-1230泵使用无刷直流电机，包括一个内部控制器来处理换向。由于这种内部控制器的设计，泵不能通过脉宽调制直接控制——直接打开和关闭电源会混淆内部电路。幸运的是，泵的输出受外加电压的良好控制。该泵至少需要4.5 V才能打开，额定值为12 V以下的连续运行。但是，一旦泵运行，电压可以降低到2.0 V并继续运行。这些泵不是自吸泵，这意味着必须向进口供应液体。方便的是，这些泵是完全潜水的，因此它们可以简单地放置在水下以提供进水口。
Pumpspark控制器
Pumpspark控制器（图3），具体来说是designed到功率和控制的八dc30a - 1230 pumps simultaneously。它提供两个USB接口和逻辑层次的串行接口。它essentially serves一个8通道，programmable电力供应。完整的细节在设计之控制器给在附录。
配件
Pumpspark开发套件中包括各种附件。这些使简单的快速原型喷泉和水基接口：3M 4952 VHB双面泡沫胶带，油管，T型连接器（用于分裂和组合流动），喷嘴，网筛（防止飞溅），和止回阀（防止回流）。除了随套件提供的项目外，我们还推荐一些可选配件。最近，市场上出现了价格低廉的（~50美元）防水伺服系统[17]。这些是创建包含物理运动的交互式水系统的理想选择。Hitec HS-5646WP在标准尺寸的伺服系统中提供超过10公斤厘米的扭矩和高达300度/秒的速度。这些可以很容易地堆积起来，形成高性能的用于导向喷嘴的云台/倾斜机构。一个不可选项是喷泉的容器。我们建议在床箱下面放塑料。这些都不包括在套件中，因为运输这样一个大项目的成本是无法实现的。
FUI实例
为了证明PumpSpark喷泉开发工具包的有效性，我们创建了许多示例Fluidic用户界面。这些显示了可以快速创建的系统的多样性。
水秀
拉斯维加斯的贝拉吉奥酒店（Bellagio Hotel）以一个现代的电脑控制喷泉为特色。它使用数字控制数据创建一个戏剧性的显示。同样，我们可以使用PumpSpark和Visual Show Automation[33]来快速创建一个桌面喷泉（图4a），它可以在不需要编写任何代码的情况下进行预先编写脚本的显示。使用Visual Show Automation（VSA），可以加载音频或视频文件。在回放时，可以使用操纵杆实时控制泵。这被记录到创建控制轨迹。可以用这种方式创建多个控制轨。还有一些编辑工具。使用这种技术的新手可以在几分钟内完成整个节目。由于VSA是一个动画控制软件包，所以在使用商业系统的节目中直接包含运动、灯光和其他效果。为了更加复杂，控制台是VSA的一个活动X控件，它允许以编程方式对其进行定向。例如，传感器可用于触发不同的节目；到达的电子邮件可根据发送者触发节目。
时钟
有许多显示时间的喷泉例子。喷泉钟[14]使用指针上的定向水流。被点燃的水流起着光的向导的作用，照亮了正确的数字。由Koei[19]创作的大阪站著名的喷泉钟将当前时间显示为由落水形成的一系列字符。我们的喷泉钟使用PumpSpark和Arduino（图4b）。两个泵向上流动-一个在左边持续数小时，另一个在右边持续数分钟。水的高度表示时间。
令人沮丧的喷泉
一个有趣，互动的FUI是令人沮丧的喷泉。这个测量装置（图4c）似乎是一个自动饮水机。当用户接近时，它会自动打开。但是，当他或她蘸着喝一杯时，水流会退去，总是停留在伸手勾不到的地方。这种效果是通过连接到Arduino控制PumpSpark控制器的光学测距仪实现的。
骨骼跟踪和手势识别
Kinect的骨骼跟踪提供了关于用户身体20个关节在相机视场中位置的详细信息。我们对用户的手进行跟踪，臀部以及肩关节，用于控制8台泵的水流高度（图5a）。检测到三个静态位置，手在肩膀上方，手在肩膀下方和臀部上方，手在臀部下方。每个位置都允许使用者像指挥管弦乐队一样举起和放下双手（以及相应的水流）。使用Kinect SDK的手势识别还可以检测其他手的交互作用，以控制水泵。一个金字塔的位置，双臂并拢，以祈祷的姿态，创造了一个三角形喷泉，滑动到身体的任何一边，创造水的瞬间爆发，朝着这个方向流动。在侧击中，双臂向外伸展，关闭泵，每次用随机的泵值发生器，一个手势就会激活不同的流型。
直接触水造型
水是一种固有的有形的媒介，但一旦被抓住，它就会迅速地从手指间滑落。在这个例子中，我们创造了一种永久性的假象，允许人们塑造水的形状。我们使用计算机视觉技术来跟踪用户的手的位置，通过直接触摸来雕刻喷泉。在这个设置中（图5b），Kinect深度相机指向喷泉交互区域，并且在每个流周围手动安装一个边界框。这些框之外的任何深度数据都将被丢弃。连接的组件标签将在剩余的深度像素上运行。然后绘制每个质心的垂直分量，以控制相应流的高度。
深度摄像头无法可靠地检测水流，因此使用手动两点校准过程将水的高度与手的位置匹配。通过使用不透明液体，可以用深度传感器或RGB彩色摄像机强烈感应。
我们的设置目前允许用户用多只手按下或提起单个水流，也可以立即将水流设置到所需高度。其他引人注目的用途包括控制声音或灯光混音器的滑块（例如DJS/VJS），以及直接塑造和编程喷泉表演。请参考我们的视频图（附件）来观看现场演示。
使用防水伺服系统进行运动跟踪
之前的示例都使用了固定位置喷嘴。然而，有许多有趣的应用，我们希望动态地将水流导向不同的方向。防水伺服系统使这很容易。使用一个简单的云台/倾斜机构，我们可以将喷嘴指向任何方向。如果泵的速度也被控制，水就可以被导向。在我们的演示系统（图5C）中，我们将喷嘴连接到Hitec HS-5646WP[17]防水伺服，并通过一小段非常灵活的管道将其连接到泵上。伺服通过Pololu Micro Maestro伺服控制器[25]连接到PC上。标准的网络摄像头用于查看彩色物体，系统跟踪并喷射。为了与我们的快速原型制作方法保持一致，本演示由Roborealm[26]驱动，Roborealm是一个用于原型机器人视觉系统的商业软件包。由于Roborealm已经了解PumpSpark使用的串行伺服控制器协议，因此不需要特殊的驱动程序。
7段数字显示
最近，艺术家们已经使用透明的管道来创建令人惊叹的视觉显示[8]。其基本思想是，油管可以被看作是一个视觉移位寄存器。通过在不同颜色、不混溶流体的连续段中加载，图案从油管中射出。通过仔细控制每个部分中的流体量，任何可视图形都可以连续显示。
我们创建了一个以无所不在的LED数字显示器为模型的7段式流体显示器（图6a）。将一段管道穿过一个框架，形成管段。使用两个带止回阀的泵（图6b）以受控方式将两种不同颜色的液体注入管道。液体是水（蓝色食用色素）和各种食用油（橄榄油、芝麻油和向日葵油）。之所以选择这些油，是因为它们与水不溶，并且在混合在一起时能很快地分层。出口位于储液罐中，分别泵送两种液体。这允许一个封闭的单罐系统。在湍流回流侧和平静出口侧之间的水箱中放置了一个格栅，改善了分离效果。视觉显示自动化被用来创建合适的泵序列来生成每个数字。因为油比水的粘性大得多，泵的速度也慢得多。泵向长管中注入液体的速度取决于管中当前的油量——油越多，泵就越难抽。因此，我们决定在每个数字之间刷新系统，以防止依赖于以前的显示。在未来的版本中，我们希望增加视觉反馈，使系统能够泵到某个体积通过，而不受机油负载的影响。
带有热反馈的旋钮
可以考虑为浴缸或房间设置温度的问题。恒温器允许设置一个所需的水平。通
资料编号：[4424]
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