基于水力古机械的交互装置的设计与制作1

文/周丰 周妍黎 刘小萱（河海大学 工业设计系）

基于水力古机械的交互装置的设计与制作1

文/周丰 周妍黎 刘小萱（河海大学 工业设计系）

DOl编码：10.3969/J.lSSN.1674-4187.2016.06.009

一、生态文明视角下水力古机械的美学价值

21世纪的今天，当人类的工业文明取得长足进步的同时，自然环境正遭受前所未有的破坏，人类社会面临着如何实现可持续发展的问题。当前，由于大规模的过度开发所带来的物种灭绝、PM2.5等温室气体排放、污染横行、水资源枯竭等危机频频出现，世世代代赖以生存的田园牧歌般的风景正从我们的视野里迅速地消失。人们千百年中在固定的地域、社会、生态的环境下形成的包括水力古机械在内的传统知识技能，需要到博物馆或文献才能见到。

中华民族有着上下五千年的悠久历史和文化，古人很早就懂得运用水力古机械解决灌溉、饮水等问题。在长期的生产生活中，中华各民族凭借对地域的气象、水资源的了解，积累了丰富的与水的利用相关的本土知识和经验，形成了丰富的地域知识技能，水力古机械就是最突出的亮点。从最初的桔槔、戽斗到逐渐成熟的水磨、水碓、龙骨水车等，在平原、丘陵、山区等不同地域，因地制宜的出现了不同形式及规模的水力古机械。从功能上古代水利机械可分为取水类机械、输水类机械和水力利用类机械三类。

图1　桔槔图（采自《天工开物》）

图2　卧轮上方石碾

a、取水类机械

汉代之后，利用杠杆原理的桔槔得到广泛使用，桔槔不仅进一步解决了取水的问题，更使取水变得省力（图1）。直至近代，一些边远地区仍然保留这种古老的取水装置。

b、输水类机械

筒车是古代效率较高的输水装置，发明于隋唐时期，又称为筒轮。筒车一般架设于比较湍急的水流之上，依靠水流自身冲击使水轮转动，将水从河流中运出，使用非常广泛。龙骨水车是靠一个一个的刮水片将水通过水槽刮向高处，龙骨水车直到近代的农村中都有使用。

c、水力利用类机械

水力的运用可以带来昼夜不停的工作。通过水轮将水力转换为转能，进而成为鼓风机、磨子、舂米机的动力来源，以此衍生出水排、水磨、水碓、砻等水力驱动装置。这些装置一般由两个部分组成：动力采集装置和动力输出装置。采集装置是带有扇叶的水轮，包括立轮和卧轮两种，通过水流的冲击转动。立轮一般需要复杂的传动装置才能将动能较好利用，卧轮则可以为其上方动力输出装置提供动力。（图2）动力输出装置主要是农业加工器具等，进行农作物的碾制工作。

水力古机械是古人经验的产物，是通过一次一次的实践最终调整到适宜形态，水力古机械结构有着不张扬，不多不少，恰到好处的美感，一切都服务于提水功能。体现了中国独特的农事器具审美文化，具有独特的美学价值。水力古机械与自然融为一体而不觉违和，水车转动的吱呀声与水流声交错，宛如自然的音乐，给人们带来“乡愁”的情感寄托。

二、水力古机械题材在交互装置设计的缺失

本研究对象水力古机械这样作为传统文化在交互装置的运用情况进行了广泛的调研。首先，交互（Interaction），指两个独立单元之间的交流、相互反馈，信息化时代下，狭义的定义指人与设备之间的交流，包括立即回应（immediacy of response）、回馈（feedback）等要素。交互装置涉及人体感应、动作识别和数字多媒体等现代技术的运用，设计者多倾向于对当代艺术的表现及当代事件的反思，其灵感及体裁多来源于当下热点，具有鲜明的现代艺术感与时代感。同时，当前的交互装置设计者多倾向于通过展示交互装置技术和趣味性来吸引观众达到广告、活动、庆祝节日的目的或纯粹只为展示能力和兴趣。涉及到的设计元素大都包括灯光、预制单元阵列排布、人体镜像、声音等。

国内近年来大型城市包括上海、北京、香港等地区都有交互装置作品的产生，一类主要用于商业宣传，如：爱的发声装置（Love cassette）、“非凡花漾季” 花海屏；一类出现于艺术展览，属于艺术家个人追求，如：姜延的交互装置复制我（Copy me）和王萱设计的关于爱与拥抱（About love embrace）；还有一类是高校老师或学生对于交互装置探索的研究。

在国际上，美国、德国、日本等国在交互装置上探索以各种形式出现以满足不同目的需要，除了大多以娱乐为目的的交互装置之外，国外设计者尝试将交互装置应用于公益宣传等活动中，既促进更好的公益宣传效果，又增添交互装置的实用性，如：位于德国汉堡机场的交互硬币捐款机、韩国的反虐童交互装置、基于墨西哥学生群体集体被害事件的交互装置置信程度（Level of Confidence）等。

综上调研分析，目前国内外交互装置的题材主要以娱乐为主，所调研的案例中仅有《新年午夜》和《行气》主题与传统文化相关，而使用到传统文化元素的仅有《Fan Mirror》，作品是以折扇为构成元素。可以说，既以传统文化为题材，并以传统文化为主要构成元素的作品尚未引起重视。本研究以水力古机械为切入点，从水力古机械的原理展示出发，利用交互装置技术传达人与自然和谐相处的理念的设计制作有其必要性。

图3　水力古机械交互装置组合方案

图4　卡纸安装示意图—侧视图

三、课题的研究目的

本课题研究的目的是：通过对交互装置的本土化、传统化的探索，寻觅传统的历史遗产对于现代社会有益的启示。具体是将水力古机械与现代交互技术相结合，创作一种实用性强、操作性高的交互装置，借用这个交互装置形式，再现古人使用传统机械与自然和谐相处的理念。本研究也是对博物馆等场所使用的教具进行制作与展示形式的探索。

四、水力古机械的交互装置的构思与设计

4.1交互装置的类型设定

交互装置按照其展现形式可划分为机械类和影像类两大类。由于水力古机械属于传统文化的一部分，具有历史感、厚重感。水力古机械的厚重情感，可以通过其具有时代特色的机械运动方式，机械本身使用材料的质感来体现，包括各类木材、竹子、石头等等。水力古机械的机械运动方式主要包括旋转、提拉等表达出来。虽然，影像类能模仿得及其逼真，但不能满足观众触觉、视觉要求及表达丰富的传统手工制作的气息，因此，本课题最终将作品定位于机械教育类交互装置。

4.2功能设定及水力古机械的确定

本设计方案将选取龙骨水车、桔槔、筒车和水磨，这四种具有代表性的水力古机械，这四种机械功能上涵盖取水装置、输水装置和水力利用装置，驱动来源包括人力与水力，运动方式包括旋转、提拉、平移，整体概括性和代表性比较强。通过交互装置展示水力古机械的运作原理及具体功能，通过该装置内部运作系统的整体设计，体现中国古代农村和谐生活的理念。水力古机械交互装置的功能上包括以下几个方面：

（1） 结构特征要求模型的材料符合实际机械的要求；

（2） 等比例缩小的模型不能由于体型缩小而损失连接件之间的精度；

（3） 展现水力古机械的功能性展示离不开水，各部分之间的整合也需要通过水连接；

（4） 整合各部分所需要的大环境应与自然相关；

（5） 水流在整体环境中以循环的方式存在；

（6） 互动的触发器为人体感应；

（7） 根据水的流动特性，各个机械应按顺序逐个开启。

4.3水力古机械交互装置组合方案设定

考虑到水力古机械所安置的自然环境，以及体现与自然和谐相处的理念，决定以“山”的形式对各个水力古机械交互装置进行组合，最终选取（图3）方案进行制作。

方案说明：此方案采用彩色的硬卡纸剪成山的轮廓，拉开距离层叠放置形成层峦叠嶂的视觉效果。四个水力古机械装置依图示（图4）放置于其上。彩色的卡纸可吸引观众目光，同时与四个装置拉开颜色差别，突出主体，每一层纸片后方可以隐藏电机等硬件设备。硬卡纸贴在薄木板上，并在后方制作支架支撑，同时制作一个底座加以固定，解决硬卡纸硬度不够问题。（图4）

4.4水力古机械装置的交互技术实现设定

图5　有效感应范围　

图6　本装置人体红外传感器安装位置

图7　Arduino UNO R3结构图

水力古机械装置的互动效果实现，需要硬件与软件两方面的配合，硬件包括适当的硬件设施选择及搭配，软件包括适配硬件的搭载环境和控制代码。

4.4.1硬件技术设定

水力古机械装置的硬件包括三个部分：信号接收装置，信号处理装置和行为输出装置。对于三个部分的硬件选择分别为a，人体红外感应器，光传感器；b，Arduino UNO R3控制板；c，步进电机和步进电机驱动板，继电器拓展板。

a、人体红外热释传感器

人体红外热释传感器由三个部分组成：敏感单元、阻抗变换器和滤光窗。普通人体红外热释感应器只能感应运动的人或者动物，当对象静止时会出现误判，通过寻找后发现改良版的人体红外热释传感器，可检测运动的或静止的人。

人体红外热释传感器感应范围以传感器本身为圆心，角度小于100度，边缘至直径3-4米，中间直径5-7米。（图5）由于人体红外释热传感器的特殊性，对于横向经过的人感应更加灵敏，竖直由远及近靠近装置会出现感应失效，本课题装置将使用两个人体红外热释传感器倾斜安装，并联入电路，不论哪个方向有人靠近，都能有平行于传感器方向的运动（图6）。水力古机械装置的人体红外热释传感器设置与装置的下方，不易被观众注意之处。

b、 水力古机械交互装置采用Arduino UNO R3控制板

水力古机械交互装置选用Arduino UNO R3，Arduino由一个小型微处理器和一个电路板构成，除却基本的USB接口、电源接口，还包括14个数字引脚——可以在程序中设置为输入或者输出功能，可用于灯光、电机输出端的控制；6个模拟输入引脚——可以读取各种模拟输入信号，并对应转换为0-1023之间的数值，连接各种传感器后可以读取具体数值交给控制器处理；6个模拟输出引脚（实际上是6个数字引脚），可以根据程序指定变为模拟的输出，包括电源输出。（图7）

c、步进电机和步进电机驱动板/继电器拓展板

本装置中的不同水力古机械的摩擦负载不尽相同，其中筒车摩擦负载最大，龙骨水车与水磨次之，桔槔最小，均可使用28BYJ-48型步进电机。步进电机是将电力转化为角位移或者线位移的输出装置，根据不同输出力矩，步进电机的转动通过“步”计算，每一“步”都是精确的角度，减小水力古机械交互装置出现误差的可能。步进电机大小需要根据具体情况的力矩大小进行选择，力矩大小与负载相关，一般是摩擦负载的2-3倍以内。

由于Arduino本身提供的电流过小，不足以ULN2003驱动步进电机，因此步进电机需要搭配对应型号驱动板才可使用。驱动通过弱电控制强电，Arduino提供电流控制驱动的运行，驱动板上外接较大电流用于电机转动。不同型号步进电机需要搭配固定驱动板，水力古机械交互装置中搭配ULN2003步进电机驱动板。

图8　Arduino基本操作流程

图9　“龙骨”结构示意　

图10　转轮结构示意

4.4.2软件开发环境

水力古机械装置的交互中Arduino开发板的软件开发环境采用官方的Arduino IDE Intergrated Development Environment集成开发环境）进行软件开发。IDE可以加载于微软Visual Studio环境下的Arduino for Microsoft Visual Studio插 件 和与Ardublock一样的图形化编程环境等。Arduino IDE软件基于Processing编程语言进行执行程序开发。（图8）

4.5材料及部件组合的优化设计

4.5.1材料的选择优化

本装置的整合需要水流循环贯穿四个不同的水力古机械，本交互装置采用二极管灯阵列模拟流水，目的既是丰富装置的表现形式，又有容易操作的好处。装置中水力古机械的模型细小零件较多，均由天然素材（例如：椴木，竹篾，麻绳等）制成，易于加工。本课题选用的筒车与水磨两种水力古机械中，水轮部分需要制作环形木条，选择弯折性好，色泽与木头接近的竹篾作为替换材料。

4.5.2局部组合优化

为保证选择的四种水力古机械所构成的交互装置能还原传统文化的韵味，包括连接轴在内的所有部件都将使用木头或竹篾制作，局部细节的组合方式也尽量与真实的水力古机械一样，以下就关键结构进行了详细说明：

a、龙骨水车刮水板链接结构

龙骨水车“龙骨”部分为闭合链式结构，每一个链节单元由刮水板、链式单元和连接轴组成。链式单元通过规格为3*10*30mm的木片锯成（图9）。

b、水磨转轮结构

水磨转轮的扇叶要承受水流冲击，需要比较牢固，衔接处是在轴上打孔，将扇叶嵌入轴内，嵌入部分不超过轴半径的二分之一（图10）。

c、筒车撑架部分捆绳

水力古机械交互装置中筒车撑架部分需要三根圆木棍通过捆绑组合，同时两端需要捆绳，以体现浓郁的乡土气息。

五、水力古机械交互装置的制作与效果测试

以下从水力古机械模型与交互功能两个方面介绍具体制作过程。交互功能分为硬件连接和软件编程；测试主要是模拟不同情景以测试装置的反馈能力与模型的运行流畅性。

5.1水力古机械模型制作

前期的制作过程包括1：1图纸绘制，四种水力古机械的模型制作过程主要包括部件制作，组合拼装，细节修改和整体组合。

a、部件制作

水力古机械交互装置的部件制造，主要包括将大木块按照尺寸细分为小木块，在木块上画出大形后锯出大致形状，用砂纸进行细节调整并打磨圆角，最后进行打孔。

b、组合拼装

水力古机械交互装置严格按照图纸进行组合拼装，主要包括轴连接、嵌入连接、麻绳捆扎连接等，例如：水车的龙骨部分通过打孔嵌入；并通过砂纸条细细打磨以调整。最终四个模型制作效果如图（图11-14）所示：

图11　龙骨水车模型成品　

图12　水磨模型成品

图13　筒车模型成品

图14　桔槔模型成品　

图15　整体步进电机连接效果　

图16　LED矩阵示意图

c、整体组合

水力古机械交互装置的整体组合包括“背景的制作”和“水力古机械模型的整合组合”。组合背景用方案所述用的彩色硬卡纸进行制作，由于卡纸过于柔软无法直立与承重，本装置通过在硬卡纸背面粘贴宽木条的方式增强其稳固性，部分承重较多的部位用整块薄木板进行加固。四个水力古机械通过麻绳捆绑的方式固定于底座上。

5.2水力古机械交互装置硬件模块连接

5.2.1人体感应硬件模块连接

人体感应通过人体红外热释传感器实现，人体红外热释传感器有三个接口，其中两个连接电源正负极保证传感器的通电，第三个是信号输出口，传感器将感应结果通过信号输出口反馈给Arduino控制板，进而控制电机及水流灯的开关。

5.2.2电机部分硬件模块连接

该交互装置共有四个水力古机械，分别需要四个步进电机进行驱动。虽然每个水力古机械的传动原理不同，但每一个驱动模块连接原理相同（图15）。整体步进电机连接需要电源转接板接入外接电源，以提供步进电机所需电力。

5.2.3水流灯硬件模块连接

水力古机械交互装置中，水流灯的硬件模块连接由于涉及到的连接口较多比较复杂。一个Arduino控制板有14个数字引脚，除却电机和人体感应模块的需要，一个Arduino控制板至多10个数字引脚可用于灯光控制。因此本装置使用矩阵连接方法控制LED灯。

图17　LED矩阵连接原理示意图

图18　LED灯不同数量闪烁情况　

图19　人体感应模块程序

图20　单向电机控制代码

图21　方向轮换电机控制代码1（桔槔）

图22　方向轮换电机控制代码2（桔槔）

矩阵连接的原理即通过控制LED灯两个引脚处的高电平或者低电平来实现电路的开合，LED由四个组成一组，每一组的LED灯的正极共用同一个数字引脚，每组的第一个LED的负极共用同一个数字引脚，每组第二个的负极也共用统一个数字引脚，以此类推。如果有N个LED灯，只需（4+N/4）个数字引脚。（图16）电路连接示意图展示两组LED灯的连接。（图17）

由于矩阵连接法的限制，装置不能同时打开超过一个组的二极管灯，但装置需要多个灯同时点亮，因此利用视觉恒常性原理，通过高速轮换闪烁以达到效果。由于闪烁速度过快达到人眼不能追踪的速度，在视觉上形灯一直亮着的错觉（图18），以模拟水流的效果。

5.3水力古机械装置交互程序语言编写

5.3.1人体感应程序编写

由于有两个人体红外热释传感器同时检测周围是否有人，不论只有一个检测到或两个同时检测到都应触发开关，因此通过“if...else”语句将两个传感器输出信号连接（图19）。

本装置使用的电机为四相电机，均匀分布四组线圈。通过四组线圈的轮流通断电实现转子旋转。通过实验发现每次接通一组线圈电机力矩过小，不足以带动装置，因此本装置中电机一次接通两组线圈以达到所需力矩。

四个水力古机械中龙骨水车、筒车与水磨的电机为单向旋转，桔槔需要电机双向轮换旋转，对应代码有所不同。（图20-22）

5.3.3水流灯程序编写

图23　水流灯代码1

图24　水流灯代码2

水流灯按照前文（5.2.3）所述的矩阵方式控制，具体代码如下（图23-24）。

5.4水力古机械交互装置的模块整合与调整

程序模块整合需要重新安排逻辑结构。水力古机械交互装置一共使用三台步进电机，分别承载不同模块代码，大致分布为：人体感应模块；龙骨水车、筒车与水磨的电机共用1号Arduino；桔槔电机单独通过2号Arduino控制；所有LED灯共用3号Arduino。通过1号Arduino设置一个输出口分别连接2号与3号Arduino进行开关控制（图25）。

5.5交互装置作品测试

前期测试主要从装置对不同情况下人体的感应能力、反馈效果和四个水力古机械在步进电机驱动下运转的流畅性进行测试，通过测试过程中发现一些问题并进行调整，完成后的水力古机械交互装置如（图26）所示，可以平稳运行。

结论

本课题融合了机械科学技术史、交互技术、民间工艺等多学科的知识，通过将传统文化中的水力古机械知识与现代交互技术进行整合与探索，完成了可用于博物馆、学校等场所的水力古机械交互装置《车水》这样一件充满文化气息的教具。

本研究水力古机械交互装置《车水》作品的完成，《车水》作为水力古机械的交互组合装置，可以应用于水力古机械的教育教学的原理解说课程；也可以用于博物馆等场所的公开展示中。在观众与作品的交互过程中，《车水》的自然素材和传统制作工艺能够唤起人们内心“乡愁”的情感；同时，水力古机械利用自然之水传达了与自然和谐相处、可持续发展的理念。

图25　水力古机械交互装置整体控制结构

图26　水力古机械互动装置“车水”

交互装置作为新技术环境下形成的艺术形式，由于受众群体的年轻化，其艺术形式多以强烈现代感的视觉形式出现。然而，在全球化过程中，文化是本土设计葆有自身鲜明特色的利器。本课题将传统文化中的水力古机械融入交互装置，既是对水力古机械进行功能展示，又填补交互装置中传统元素（水力古机械）有效融合的空缺，是对传统技艺与现代技术的结合做出积极有益的探索，传统文化与现代技术的碰撞产生出新的感官效果。

由于传统文化题材的内容丰富，将现代交互技术与传统文化结合，将会产生一批具有文化气息与地域特色的交互装置作品。这样的本土化设计作为文化传播的载体，具备更强的传播力与感染力；从未来的教学视角看，利用交互装置制作某些原理展示类博物馆、学校教具可以更加直观与高效的进行教学活动。因此，此类互动装置具有广阔的未来发展空间。

未来将会有更多的传统文化与现代交互技术相结合的尝试，把传统文化以更加具有趣味性与吸引力的方式展现出来，时代的发展、科技的进步、数字化艺术的壮大、人们生活需要等造就了交互装置艺术设计的不断发展。

（责任编辑：张同标）

［1］.宋应星.天工开物［M］. 岳麓书社. 2004.

［2］.方立松.中国传统水车研究［D］.南京：南京农业大学. 科学技术史专业. 2010.

［3］.刘仙洲.中国古代农业机械发明史［M］.科学出版社，1963年6月；

［4］.陈新民. 龙骨水车的形制与审美文化研究［J］.艺术理论. 2009（11）.

［5］.［美］鲁道夫·P·霍梅尔 著，戴吾三 等 译.手艺中国：中国手工业调查图录（1921-1930）.北京理工大学出版社，2012年1月.

［6］.路甬祥，张柏春. 中国传统工艺全集-传统机械调查研究［M］. 大象出版社， 2006.

［7］.吴卫. 器以象制 象以圜生——明末中国传统升水器械设计思想研究［D］. 清华大学. 2004.

［8］.李四达.互动装置艺术的交互模式研究［J］.艺术与设计（理论）. 2011（08）.

［9］.胡玉多，李昌菊. 互动装置艺术·传统美术［J］. 艺术教育. 2012（05） ；

［10］.刘仙洲.中国机械工程发明史（第一编）.科学出版社，1962年5月；

［11］.米歇尔·麦克罗伯茨 著， 杨继志 等 译. Arduino从基础到实践. 电子工业出版社，2013 年3月；

［12］.李泽厚.美的历程（第1版）.生活·读书·新知三联书店，2009年7月；

［13］.李泽厚.华夏美学·美学四讲（增订本）.生活·读书·新知三联书店，2008年6月；

［14］.肖长富.农村简易水力机械.水利电力出版社，1958年9月；

［15］.陆敬严.中国古代机械文明史（第1版）.同济大学出版社，2012年5月；

［16］.瑞斯 等 著， 陈思明 等 译. 爱上Processing.人民邮电出版社，2014年7月。

Design of Interactive Device Based on Ancient Hydraulic Machinery

交互装置近年来较多出现在人们的视野中，本研究从当前国内外交互装置中传统文化的缺失为切入点，探讨水力古机械与交互装置结合的可能与具体的组合方式。通过对传统文化在设计中应用的分析，水力古机械的历史研究以及交互装置的案例分析，对各种水力古机械和交互装置进行不同依据下的分类，在研究的基础上设计并制作一个可作为水力古机械文化教具的交互装置作品，名为《车水》。四种水力古机械的工作原理和传统的劳动智慧在与该装置的趣味互动中得以自然体现。笔者认为，传统文化与现代技术的有效结合可以产生集艺术性、趣味性与教育性于一体的设计作品。

In recent years， more and more interactive devices appeared in people's field of vision. This research starts with the lack of the traditional culture in recent interactive devices development both at home and abroad. Through the analysis of the application of traditional culture in design， the history research of ancient hydraulic machinery and the case analysis of interactive devices， I designed an interactive devices named ‘Lifting water' based on the research， and this device can be regarded as a realia about hydraulic machineries. The working principles of these four ancient hydraulic machineries and traditional labor wisdom are reflected naturally when participants interact with this device. The author believes that the effective combination of traditional culture and modern technique can bring us designs with artistry， interest and education.

交互装置；传统文化；水力古机械

interactive devices；traditional culture；ancient hydraulic machinery

周丰，河海大学副教授、博士，研究方向：知识科学为背景的设计学研究。

1本文系江苏高校哲学社会科学研究项目：生态文明建设背景下的中华传统水利机械之美的研究（项目编号：2016SJD720001）、2016年常州软科学研究项目：“工匠精神”与“十三五”常州工业设计创新发展与探索（项目编号：20160709）、2014年江苏省教育厅研究生培养项目：机械工学创新设计教育的研究（项目编号：JGLX14_030）的阶段成果。