趙 群，章 媛，胡吉永,b，丁 辛,b

(東華大學(xué) a.紡織學(xué)院；b.紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

織物/指尖摩擦振動(dòng)信號(hào)與織造工藝參數(shù)間的關(guān)系

趙 群a，章 媛a，胡吉永a,b，丁 辛a,b

(東華大學(xué) a.紡織學(xué)院；b.紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

運(yùn)用加速度傳感器測(cè)量織物/指尖接觸過程中產(chǎn)生的振動(dòng)加速度信號(hào)，借助傅里葉頻譜變換提取振動(dòng)信號(hào)特征指標(biāo)，并計(jì)算振動(dòng)特征指標(biāo)與織物主要工藝參數(shù)之間的Lin一致性系數(shù)，找到能夠表征織物工藝參數(shù)的振動(dòng)特征.研究發(fā)現(xiàn)，指尖觸摸織物時(shí)產(chǎn)生豐富的振動(dòng)信號(hào)，該信號(hào)的基本譜特征能表征織物的設(shè)計(jì)參數(shù)及變化.結(jié)果表明，基于振動(dòng)信號(hào)的觸覺再現(xiàn)技術(shù)可用于織物表面觸覺質(zhì)感的虛擬再現(xiàn).

織物；指尖；工藝參數(shù)；振動(dòng)；摩擦

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，觸覺反饋技術(shù)在不斷地完善及發(fā)展，它可以實(shí)現(xiàn)操作者與虛擬環(huán)境的實(shí)時(shí)交互，將虛擬環(huán)境中得到的信息以振動(dòng)和力學(xué)信號(hào)的方式反饋給人體[1].在觸覺領(lǐng)域，觸覺與振動(dòng)信號(hào)之間的關(guān)系已得到一些驗(yàn)證.文獻(xiàn)[2]研究表明,相對(duì)于其他方式而言，當(dāng)區(qū)分不同物體的表面特性時(shí)，基于振動(dòng)信號(hào)合成刺激的觸覺反饋方式更有效.對(duì)于織物而言，不同的工藝參數(shù)使其具有不同的表面紋理觸覺特征.在織物/皮膚相互接觸滑動(dòng)過程中，不同工藝參數(shù)的織物與皮膚相互作用產(chǎn)生不同的振動(dòng)信號(hào)[3].通過確定織物工藝參數(shù)和振動(dòng)信號(hào)之間的關(guān)系，借助觸覺反饋裝置將特定的振動(dòng)信號(hào)反饋給人體，可以使人體感受到觸摸該織物時(shí)所產(chǎn)生的觸覺質(zhì)感.因此，探究觸摸產(chǎn)生的摩擦振動(dòng)信號(hào)與織物工藝參數(shù)之間的關(guān)系，獲取能夠準(zhǔn)確表征織物工藝參數(shù)的振動(dòng)指標(biāo)，對(duì)紡織品觸覺再現(xiàn)技術(shù)以及紡織品設(shè)計(jì)具有重大的意義.

文獻(xiàn)[4-5]通過對(duì)比后整理前后織物表面形貌的頻譜圖發(fā)現(xiàn)，頻譜圖中諧波最高峰的峰值在經(jīng)過后整理后有所下降，織物的手感更加細(xì)膩.文獻(xiàn)[6]對(duì)織物表面空間紋理周期、諧波波長(zhǎng)、諧波最高峰值與粗糙感評(píng)定值做了相關(guān)性分析，結(jié)果表明，這些粗糙度指標(biāo)較傳統(tǒng)的KES-F的表面粗糙度指標(biāo)更接近人的觸覺判斷.以上研究多用硬質(zhì)觸頭對(duì)織物表面粗糙感進(jìn)行測(cè)量.文獻(xiàn)[7]研究表明硬質(zhì)觸頭所測(cè)得的粗糙感，在本質(zhì)上都是織物表面紋理作用于觸頭引起的振動(dòng)信號(hào).因此，選取振動(dòng)信號(hào)在頻域內(nèi)的峰值所對(duì)應(yīng)的頻率以及振幅作為振動(dòng)信號(hào)特征指標(biāo)是可行的.

目前關(guān)于織物/皮膚接觸過程中產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)與織物工藝參數(shù)間關(guān)系的研究較少，尚未找到能準(zhǔn)確表征織物工藝參數(shù)的振動(dòng)特征指標(biāo).本文設(shè)計(jì)了3組工藝參數(shù)分別按一定規(guī)律變化的織物，借助加速度傳感器對(duì)織物/皮膚接觸滑動(dòng)過程中所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，并借助一些現(xiàn)有的分析方法進(jìn)行信號(hào)分析，提取振動(dòng)信號(hào)特征指標(biāo).不考慮織物后整理等因素，將振動(dòng)特征指標(biāo)排序值與織物工藝參數(shù)排序值進(jìn)行一致性分析，從而得到能夠反映織物工藝參數(shù)的振動(dòng)特征指標(biāo).

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

鑒于已有研究對(duì)象為隨機(jī)選取的常見機(jī)織物，且織物工藝參數(shù)變化無規(guī)律，不能避免參數(shù)之間的相互影響.因此，本文選取織物設(shè)計(jì)中3個(gè)主要的工藝參數(shù)(緯密、緯紗線密度和織物組織結(jié)構(gòu))作為可變工藝參數(shù)，使其按一定規(guī)律變化，織制3組棉紡機(jī)織物作為實(shí)驗(yàn)樣品，每組5塊.3組織物試樣及其基本結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示.其中，緯紗直徑的計(jì)算公式為

(1)

式中：d為緯紗直徑，mm；Nt為緯紗線密度，tex；δy為緯紗紗線密度(棉紗的紗線密度為0.8g/cm3).

表1 織物試樣及基本結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Basic construction specifications of fabric samples

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

(1) 振動(dòng)加速度測(cè)試模塊.本文所采用的振動(dòng)加速度測(cè)試模塊包括NI 9234型動(dòng)態(tài)信號(hào)采集模塊(分辨率為24位，動(dòng)態(tài)范圍為102 dB，采樣頻率為25600Hz)和356A01型加速度傳感器(靈敏度為10mV/g，測(cè)量范圍為±4900m/s2，頻率范圍為0.5～10000Hz)，該加速度傳感器可以提供高精度的振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù).將加速度傳感器黏附于人的食指指甲上，隨著手指在觸摸過程中的振動(dòng)，傳感器可以同時(shí)測(cè)量手指在3個(gè)維度方向上的振動(dòng)加速度情況，x軸方向?yàn)榇怪庇谥讣獾姆较?，y軸方向?yàn)橛|摸方向，z軸方向?yàn)榇怪庇谑直车姆较?其中x和y軸方向的振動(dòng)加速度能夠體現(xiàn)織物/皮膚接觸過程中切向的摩擦黏滑等現(xiàn)象，z軸方向振動(dòng)加速度即法向振動(dòng)能夠體現(xiàn)織物表面紋理的起伏.綜合考慮3個(gè)方向的振動(dòng)加速度能夠更加全面地分析織物表面特性與振動(dòng)信號(hào)之間的關(guān)系.

(2) 運(yùn)動(dòng)平臺(tái).運(yùn)動(dòng)平臺(tái)可以控制運(yùn)動(dòng)軸以特定的速度運(yùn)動(dòng)，通過控制平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向以及速度可以控制織物與皮膚的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式以及速度.本文借助運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制固定于平臺(tái)上的織物的運(yùn)動(dòng)，使手指相對(duì)于織物以恒定的速度沿y軸方向運(yùn)動(dòng).

1.3 測(cè)試者

本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試者為男性在校學(xué)生，年齡為27歲，且為右利手，右手手指指紋無瑕疵.

1.4 研究方法

通過振動(dòng)加速度測(cè)試模塊對(duì)織物/皮膚接觸滑動(dòng)過程中沿3個(gè)方向的振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行測(cè)量和記錄.運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)過程中也會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)，使實(shí)驗(yàn)過程中所測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)存在噪聲，因此，需要對(duì)空載下運(yùn)動(dòng)平臺(tái)所產(chǎn)生的噪聲信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，并通過帶阻濾波去除實(shí)驗(yàn)中的這些噪聲分量.

目前，通常使用位移、振動(dòng)幅度等呈現(xiàn)表面刺激信號(hào)，運(yùn)用Matlab軟件對(duì)振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行積分等處理，得到位移頻譜圖如圖1所示[8].設(shè)振動(dòng)信號(hào)的離散數(shù)據(jù)為{x(k)}(k=0,1,2,…,N)，數(shù)值積分中取采樣時(shí)間步長(zhǎng)Δt為積分步長(zhǎng)，則梯形數(shù)值求積公式為

(2)

圖1 振動(dòng)位移頻譜圖Fig.1 Vibration displacement spectrum

文獻(xiàn)[6]研究表明，傅里葉分解所得到的2～3個(gè)峰值能夠再現(xiàn)紋理粗糙感，因此，在頻譜圖中分別提取x,y和z軸方向主、次峰的振動(dòng)幅度以及主、次峰所對(duì)應(yīng)的頻率共12個(gè)指標(biāo).由于主峰頻率在x,y和z軸方向上相同，次峰頻率在3個(gè)方向上也相同，因此，除去重復(fù)的4個(gè)指標(biāo)，得到8個(gè)振動(dòng)特征指標(biāo)，并按照測(cè)量值從大到小的順序分別對(duì)這8個(gè)振動(dòng)指標(biāo)進(jìn)行排序.

將3組織物的工藝參數(shù)分別按照從大到小的順序進(jìn)行排序.其中，第三組織物的工藝變化參數(shù)為組織結(jié)構(gòu)，織物的組織結(jié)構(gòu)或組織循環(huán)的大小是由組織紗線循環(huán)數(shù)來決定的，因此，為了量化該工藝參數(shù)，這里以組織循環(huán)紗線數(shù)代替組織結(jié)構(gòu)變化.然后，對(duì)振動(dòng)特征指標(biāo)排序值和織物工藝參數(shù)排序值進(jìn)行一致性分析，探討織物工藝參數(shù)與振動(dòng)特征物理量的關(guān)系.

在進(jìn)行一致性分析時(shí)，如果采用常用的相關(guān)系數(shù)，那么所求得的系數(shù)是兩個(gè)變量之間的線性相關(guān)性，而忽略了擬合直線與y=x的偏離，這里使用Lin一致性系數(shù)(Rc)[9]對(duì)各個(gè)振動(dòng)特征指標(biāo)排序值與織物工藝參數(shù)排序值進(jìn)行一致性分析.設(shè)一對(duì)樣本為(Yi1，Yi2)，i=1,2,…，n，則Lin一致性系數(shù)計(jì)算公式為

(3)

式中：σ1為Yi1的方差；σ2為Yi2的方差；σ12為Yi1與Yi2的方差；μ1為Yi1的均值；μ2為Yi2的均值.

Lin一致性系數(shù)越接近±1，說明兩變量之間一致性程度越高.一致性系數(shù)越接近+1，則兩變量相對(duì)于斜率為正的某一直線的偏離程度較?。辉浇咏?1，則兩變量相對(duì)于斜率為負(fù)的某一直線的偏離程度較小[9].

1.5 實(shí)驗(yàn)步驟

測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示.將織物平鋪于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上并用夾子固定，測(cè)試者右手食指固定于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上方的支架上，支架帶有的圓環(huán)用于手指的固定，調(diào)整支架高度使受試者右手食指指尖恰好能觸摸到平鋪于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上的織物，然后將加速度傳感器固定在受試者右手手指指甲上.經(jīng)測(cè)試得到測(cè)試者所習(xí)慣的觸摸速度為1.6cm/s，驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)以1.6cm/s 的恒定速度滑過受試者指尖.借助振動(dòng)加速度測(cè)試模塊測(cè)試并記錄織物/皮膚接觸過程中的三向振動(dòng)加速度.

圖2 測(cè)試裝置示意圖Fig.2 Sketch of the measurement setup

將加速度傳感器置于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，對(duì)空載下平臺(tái)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲信號(hào)進(jìn)行測(cè)量并去除.對(duì)振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行處理得到振動(dòng)位移的頻譜圖，從頻譜圖中提取前述8個(gè)振動(dòng)特征指標(biāo).

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

織物工藝參數(shù)與振動(dòng)特征指標(biāo)排序值間的一致性分析結(jié)果如表2所示.由表2的一致性系數(shù)可知，織物緯密排序值與各個(gè)振動(dòng)特征指標(biāo)排序值間的一致性不同.其中，主、次峰在z軸方向的振幅排序值與織物緯密排序值間的一致性都較高，說明在其他織造工藝參數(shù)不變的情況下，該方向的振動(dòng)幅度能體現(xiàn)織物緯密的變化.

表2 織物工藝參數(shù)排序值與振動(dòng)特征指標(biāo)排序值間的一致性Table 2 Consistency between weaving technological parameters sort values and vibration indexes sort values

圖3為第一組織物在z軸方向的振幅與緯密之間的關(guān)系圖.

圖3 振幅(z)與緯密之間的關(guān)系圖Fig.3 Relationship between vibration amplitude(z)and yarn densities along weft direction

由圖3可知，隨著緯密的增加，z軸方向的振幅基本呈逐漸減小的趨勢(shì).z軸方向振幅的變化與織物緯密增加引起的相鄰緯紗間距變化有關(guān).從機(jī)織物的緯密定義和屈曲結(jié)構(gòu)可知，相鄰緯紗間距凹槽寬度a(μm)可由式(4)計(jì)算得到.

(4)

式中：p為緯密(根/10cm)；d為緯紗直徑(μm).隨著織物緯密的增大，紗線間凹槽寬度a逐漸減小.經(jīng)計(jì)算第二組織物紗線間凹槽寬度的變化范圍為353～890μm，而人的指紋寬度為450～670μm.因此，隨著第二組織物緯密的增大，相鄰紗間距逐漸減小，使織物與指尖接觸過程中，手指的指紋無法陷入紗線間凹槽，導(dǎo)致手指沿z軸方向的有效振幅逐漸減小.

由表2可知，織物緯紗線密度排序值與主峰或次峰z軸方向振幅間一致性都較低，且緯紗線密度排序值與次峰頻率排序值間的一致性非常低.這說明次峰頻率的變化幾乎不包含緯紗線密度的增減信息.緯紗線密變化引起單位面積的織物交織點(diǎn)數(shù)發(fā)生變化，從而改變接觸頻率，則頻率譜中有一個(gè)成分反映了緯紗線密度的變化.根據(jù)織物/皮膚的相對(duì)滑動(dòng)速度(v)和第二組織物的緯紗直徑(d)，可計(jì)算出頻譜圖中能夠反映緯紗線密度特征的理論頻率f.由f=2v/d得，第二組織物反映緯紗線密的理論頻率f分別為26，29，31，33，38Hz，第二組織物的主峰頻率范圍為30～50Hz，圖4(a)給出了二者的對(duì)照?qǐng)D.由圖4(a)可知，能夠反映紗線線密度的頻率比理論值大，這是因?yàn)榭椢锝?jīng)織造后，紗線間相互交織擠壓而扁平化.同時(shí)，第二組織物的次峰頻率范圍為70～90Hz，因此，次峰頻率不能反映織物的緯紗線密度特征，可能體現(xiàn)了表面紋理結(jié)構(gòu)中的細(xì)部特征.但是，從表2還可以看出，除了主峰頻率，主、次峰分別在x和y軸方向振幅的排序值與緯紗線密度排序值間的一致性都較高.圖4(b)～4(d)分別為緯紗線密度與這5個(gè)振動(dòng)指標(biāo)之間的關(guān)系圖，可以看出，隨著緯紗線密度的減小，主峰頻率基本呈逐漸增大的趨勢(shì)，而主、次峰在x和y軸方向的振幅則逐漸減小.并且，織物緯紗線密度減小使織物表面紋理空間周期減小，由于實(shí)驗(yàn)中觸摸速度不變，由位移與頻率之間的關(guān)系可知，頻譜峰所在頻率逐漸增大.本文所提取的x和y軸方向的振動(dòng)幅度能夠反映織物/皮膚接觸過程中的摩擦黏滑現(xiàn)象，隨著織物緯紗線密度的減小，單位面積內(nèi)經(jīng)緯紗交織點(diǎn)增多，織物與皮膚的接觸面積增大.根據(jù)摩擦黏滑行為研究可知，接觸面積與波動(dòng)位移呈負(fù)相關(guān).因此，隨著緯紗線密度的減小，x和y軸方向的振動(dòng)幅度呈減小的趨勢(shì).

圖4 第二組織物的織造參數(shù)與振動(dòng)特征間的關(guān)系Fig.4 Relationship between weaving parameters and vibration features of the second group fabrics

對(duì)第三組織物而言，由表2可知，織物組織循環(huán)紗線根數(shù)與x和y軸方向的主峰振幅間一致性系數(shù)最高.圖5為組織循環(huán)紗線數(shù)與主峰x和y方向振幅之間的關(guān)系圖.由圖5可知，隨著組織循環(huán)紗線根數(shù)的增加，主峰沿x和y軸方向的振幅逐漸減小.

圖5 組織循環(huán)紗線數(shù)與振動(dòng)指標(biāo)之間的關(guān)系圖Fig.5 Relationship between the number of yarns for single texture pattern and vibration features

織物組織循環(huán)紗線數(shù)增加，織物表面浮線長(zhǎng)度增大，且單位面積內(nèi)浮線所占的比例增大.第三組5塊織物試樣放大圖如圖6所示，在測(cè)試過程中，指尖沿織物經(jīng)向滑過，如圖6中箭頭所示.文獻(xiàn)[10]研究表明，隨著織物表面浮線長(zhǎng)度和單位面積內(nèi)浮線所占比例的增大，織物表面摩擦因數(shù)逐漸減小.如前文所述，x和y軸方向的振動(dòng)幅度能夠反映織物/指尖接觸過程中的摩擦黏滑現(xiàn)象，隨著組織循環(huán)紗線數(shù)的增加，這兩個(gè)方向的振幅逐漸減小.

圖6 第三組織物樣品的放大圖(×20)Fig.6 Enlarged view of fabrics in the third group

3 結(jié) 語

本文圍繞織物/指尖接觸摩擦產(chǎn)生的振動(dòng)位移頻譜圖能否反映織物基本設(shè)計(jì)參數(shù)的問題，對(duì)提取的振動(dòng)特征指標(biāo)與織物設(shè)計(jì)工藝參數(shù)值進(jìn)行了一致性分析，結(jié)果表明各工藝參數(shù)可由不同的振動(dòng)特征指標(biāo)表征.

織物/指尖接觸摩擦產(chǎn)生的振動(dòng)在z向(即法向)的主峰和次峰振動(dòng)幅度都能表征織物緯紗密度及其變化，隨著織物緯密的增加，主峰在z向的振動(dòng)幅度有逐漸減小的趨勢(shì).

主、次峰的切向振動(dòng)幅度及主峰頻率都能夠表征織物的緯紗線密度及其變化，變化趨勢(shì)取決于緯紗線密度與指尖指紋的寬度間的相對(duì)比.

對(duì)于織物組織結(jié)構(gòu)而言，主峰在x和y軸方向(即切向)的振動(dòng)幅度能夠表征織物組織結(jié)構(gòu)的變化，組織循環(huán)紗線數(shù)越大，切向的振幅越小.

總之，織物/指尖接觸摩擦產(chǎn)生豐富的振動(dòng)位移頻譜，它們的基本譜特征能夠體現(xiàn)決定織物紋理觸覺質(zhì)感的3個(gè)主要工藝設(shè)計(jì)參數(shù).研究結(jié)果表明，以基本振動(dòng)譜特征合成振動(dòng)信息可作為再現(xiàn)織物虛擬紋理觸覺質(zhì)感的刺激量.當(dāng)然，基于振動(dòng)頻率和振動(dòng)幅值再現(xiàn)不同織物的虛擬觸覺質(zhì)感，還需對(duì)振動(dòng)特征指標(biāo)的心理物理辨別閾值進(jìn)行深入研究.

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Relationship between Friction-Induced Vibrations Signal of Human Fingertip Sliding across Fabric and Weaving Technological Parameters

ZHAOQuna,ZHANGYuana,HUJi-yonga,b,DINGXina,b

(a.College of Textiles; b.Key Laboratory of Textile Science & Technology,Ministry of Education,Donghua University,Shanghai 201620,China)

To identify the relationship between the weaving technological parameters and the friction-induced vibrations,the accelerometer was used to measure the vibrations induced by the relative motion between fingertip and fabric surfaces,the Fourier transformation was used to analyze the friction-induced vibration signal and extract several spectral components,and the Lin’s consistency coefficients which correlate with manufacturing parameters were calculated.The results showed that the relative motion between fingertip and fabrics generated considerable vibration signals,and the vibration spectral components can be used to represent the design parameters.These results indicated that the tactile rendering of fabric textures can be made by vibration signal tactile rendering technology.

fabric; fingertip; technological parameters; vibration; friction

1671-0444(2015)01-0022-06

2013-10-15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51175076)；上海市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(12ZR1400500)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目

趙 群(1989—)，女，山東聊城人，碩士研究生，研究方向?yàn)榭椢镉|覺質(zhì)感的表征與再現(xiàn)技術(shù).E-mail:2110050@mail.dhu.edu.cn胡吉永(聯(lián)系人)，男，講師，E-mail:hujy@dhu.edu.cn

TS 107.3

A