織物表面特性與觸摸振動(dòng)信號(hào)之間的關(guān)系.pdf

1、隨著電子商務(wù)和網(wǎng)絡(luò)購(gòu)物的迅速發(fā)展，紡織品觸覺反饋的研究已經(jīng)成為人們關(guān)注和研究的熱點(diǎn)，市場(chǎng)迫切需要一種能夠通過數(shù)字技術(shù)產(chǎn)生刺激信號(hào)作用于人體皮膚并形成觸覺質(zhì)感的紡織品虛擬觸覺技術(shù)，讓消費(fèi)者更真實(shí)地體驗(yàn)位于異地的紡織品的觸覺信息?，F(xiàn)有的虛擬觸覺系統(tǒng)借助觸覺反饋裝置來形成虛擬觸覺，該裝置通過反饋能夠表征物體表面特性的振動(dòng)信號(hào)和力學(xué)信號(hào)，使操作者通過反饋刺激來感受虛擬物體的特性，一個(gè)有效的反饋刺激至少應(yīng)該能夠表征物體表面屬性且模擬皮膚/物體間的

2、接觸摩擦作用。因此，紡織品虛擬觸覺再現(xiàn)首先要從接觸摩擦信號(hào)中提取能夠表征織物屬性的物理量，該物理量要求滿足人體觸覺系統(tǒng)的生理響應(yīng)屬性和適合觸覺反饋交互設(shè)備。
　　已有研究表明，人體在形成觸覺質(zhì)感的過程中，存在兩種編碼機(jī)制即時(shí)間編碼機(jī)制和空間編碼機(jī)制，分別編碼不同頻率的振動(dòng)刺激信號(hào)。關(guān)于物體/皮膚間接觸振動(dòng)的研究主要關(guān)注硬質(zhì)物體（相對(duì)于皮膚而言），分析摩擦振動(dòng)信號(hào)與表面粗糙感之間的關(guān)系。就紡織品而言，已有的工作主要探究織物結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)

3、織物/皮膚間摩擦系數(shù)的影響，較少系統(tǒng)分析織物/皮膚接觸摩擦產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)與織物材質(zhì)特征之間的關(guān)系。
　　織物是一種柔性集合體，在與皮膚相互接觸滑動(dòng)過程中，由毛羽、紗線、織物組織等組成的表面紋理發(fā)生復(fù)雜變形，單純的常摩擦系數(shù)無法反映織物表面的材質(zhì)特征及二者間的接觸摩擦作用。在織物/皮膚相互接觸滑動(dòng)過程中，具有不同屬性的織物與皮膚相互作用產(chǎn)生不同的振動(dòng)信號(hào)?？紤]到觸覺反饋的虛擬刺激必須包含織物的特有材質(zhì)特征，而其取決于織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)及

4、材料屬性，則找到與結(jié)構(gòu)及材料屬性相關(guān)的虛擬刺激才能再現(xiàn)織物的基本觸覺特征。一旦確定了代表織物屬性的振動(dòng)信號(hào)，就可以借助觸覺反饋裝置將該振動(dòng)信號(hào)反饋給人體，使人體感受到織物特有的觸覺質(zhì)感。
　　因此，為了獲取能夠準(zhǔn)確表征織物材質(zhì)特征的振動(dòng)指標(biāo)，課題研究了以下內(nèi)容:
　　(1)利用織物/皮膚接觸摩擦產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，計(jì)算振動(dòng)頻率、振動(dòng)幅度等特征指標(biāo)，探究再現(xiàn)織物結(jié)構(gòu)參數(shù)的振動(dòng)特征。研究表明，織物結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠通過不同的振動(dòng)特征信號(hào)表

5、征。
　　設(shè)計(jì)一系列結(jié)構(gòu)參數(shù)按一定規(guī)律變化的織物，借助三向振動(dòng)加速度傳感器對(duì)織物/皮膚接觸滑動(dòng)過程中所產(chǎn)生的振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行二次積分得到三個(gè)方向振動(dòng)位移信號(hào)，借助MATLAB軟件進(jìn)行快速傅里葉變換，從而實(shí)現(xiàn)從時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)換并繪制頻譜圖。然后從頻譜圖中提取基峰和第一諧波對(duì)應(yīng)的頻率以及振動(dòng)幅度作為織物/皮膚接觸過程中所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)特征指標(biāo)。將這些特征指標(biāo)與織物結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，從而得到能夠反映織物不同

6、結(jié)構(gòu)參數(shù)的振動(dòng)特征指標(biāo)。結(jié)果表明，以基本振動(dòng)譜合成的振動(dòng)信息可作為再現(xiàn)織物虛擬紋理觸覺質(zhì)感的刺激量。
　　(2)為了了解振動(dòng)信號(hào)特征能否反映織物材質(zhì)的變化，從織物/皮膚接觸摩擦產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)譜中計(jì)算諧波分量的振動(dòng)能量。結(jié)果表明，在一定尺度下的振動(dòng)能部分反映織物中纖維材料類別的不同。
　　選取棉、莫代爾、T/R（滌/棉，70/30）、絹絲、滌綸這五種具有廣泛代表性的纖維材料紡成的紗線，紗線的細(xì)度等因素相同，并將五種紗線作為經(jīng)紗

7、分別織造五塊平紋織物，五塊織物的紗線排列密度相同。以振動(dòng)加速度傳感器記錄織物/皮膚接觸摩擦產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)，采用傅里葉頻譜分析等信號(hào)分析方法得到振動(dòng)位移頻譜圖。從振動(dòng)能量的角度探索多諧波分量能否反映織物材料種類的變化，為此提取頻譜圖中第一、第二、第三諧波所包覆的面積之和作為振動(dòng)特征指標(biāo)。研究表明，頻譜圖中前三個(gè)諧波所包覆的面積之和能夠有效的區(qū)分纖維素纖維織成的織物和其他纖維織成的織物。但是，該振動(dòng)特征指標(biāo)不能區(qū)分由摩擦黏滑性能相近的纖維織