織物表面特性與觸摸振動信號之間的關系.pdf

1、隨著電子商務和網(wǎng)絡購物的迅速發(fā)展，紡織品觸覺反饋的研究已經(jīng)成為人們關注和研究的熱點，市場迫切需要一種能夠通過數(shù)字技術產(chǎn)生刺激信號作用于人體皮膚并形成觸覺質感的紡織品虛擬觸覺技術，讓消費者更真實地體驗位于異地的紡織品的觸覺信息。現(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信號和力學信號，使操作者通過反饋刺激來感受虛擬物體的特性，一個有效的反饋刺激至少應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)的生理響應屬性和適合觸覺反饋交互設備。
　　已有研究表明，人體在形成觸覺質感的過程中，存在兩種編碼機制即時間編碼機制和空間編碼機制，分別編碼不同頻率的振動刺激信號。關于物體/皮膚間接觸振動的研究主要關注硬質物體（相對于皮膚而言），分析摩擦振動信號與表面粗糙感之間的關系。就紡織品而言，已有的工作主要探究織物結構參數(shù)對

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

4、材料屬性，則找到與結構及材料屬性相關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信號，就可以借助觸覺反饋裝置將該振動信號反饋給人體，使人體感受到織物特有的觸覺質感。
　　因此，為了獲取能夠準確表征織物材質特征的振動指標，課題研究了以下內(nèi)容:
　　(1)利用織物/皮膚接觸摩擦產(chǎn)生的振動信號，計算振動頻率、振動幅度等特征指標，探究再現(xiàn)織物結構參數(shù)的振動特征。研究表明，織物結構參數(shù)能夠通過不同的振動特征信號表

5、征。
　　設計一系列結構參數(shù)按一定規(guī)律變化的織物，借助三向振動加速度傳感器對織物/皮膚接觸滑動過程中所產(chǎn)生的振動加速度信號進行測量，并對振動加速度信號進行二次積分得到三個方向振動位移信號，借助MATLAB軟件進行快速傅里葉變換，從而實現(xiàn)從時域到頻域的轉換并繪制頻譜圖。然后從頻譜圖中提取基峰和第一諧波對應的頻率以及振動幅度作為織物/皮膚接觸過程中所產(chǎn)生的振動信號特征指標。將這些特征指標與織物結構參數(shù)進行分析，從而得到能夠反映織物不同

6、結構參數(shù)的振動特征指標。結果表明，以基本振動譜合成的振動信息可作為再現(xiàn)織物虛擬紋理觸覺質感的刺激量。
　　(2)為了了解振動信號特征能否反映織物材質的變化，從織物/皮膚接觸摩擦產(chǎn)生的振動信號譜中計算諧波分量的振動能量。結果表明，在一定尺度下的振動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。以振動加速度傳感器記錄織物/皮膚接觸摩擦產(chǎn)生的振動信號，采用傅里葉頻譜分析等信號分析方法得到振動位移頻譜圖。從振動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特征指標。研究表明，頻譜圖中前三個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，該振動特征指標不能區(qū)分由摩擦黏滑性能相近的纖維織