CN102590077A - 一种皮肤纺织品生物摩擦动态测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种皮肤纺织品生物摩擦动态测量装置，包括测试底座，测试底座后部固定有立座；测试底座前部安装第一滑台和第二滑台；第一滑台安装在第二滑台的移动面板上；第一滑台上还安装有测试面板；立座正面有可上下移动的安装面板；安装面板上固定有测试触头；测试触头位于测试面板上方；测试触头与安装面板之间安装有多轴力/力矩传感器；多轴力/力矩传感器通过供电盒与PC机数据处理系统相连；第一滑台可使测试面板左右移动；第二滑台可使移动面板前后移动；安装面板可上下移动。本发明既能实时测试接触滑动过程中摩擦力、压力、力矩作用，又能真实反映皮肤/纺织品间在不同滑动速度、不同初始压力下的多向接触摩擦运动过程。

Description

一种皮肤纺织品生物摩擦动态测量装置

技术领域

本发明涉及纺织测量技术领域中的纺织面料的摩擦性能测试领域，特别是涉及一种基于多轴力三维同步运动平台的皮肤纺织品生物摩擦动态测量装置。

背景技术

日常生活中，纺织品是人类最亲密的接触伙伴，人体皮肤与纺织品在接触过程中有滑移运动、扭转(因织物与皮肤接触时发生相对旋转而产生)或相对运动趋势时便产生摩擦，具有不可回避性。二者间的接触摩擦随时、随地发生，且随外界环境、接触状态而异，如湿态摩擦、热摩擦、曲面摩擦、捏持摩擦、扭转摩擦等。在一定程度上，皮肤/纺织品间的接触摩擦对纺织品的接触舒适性(也称触觉舒适性)，甚至防褥疮、防压力溃疡等功能纺织品的功效具有决定性作用，如人体持续运动过后大量排汗造成皮肤与织物间粘附、摩擦作用增强而引起的人体不适感，或皮肤/纺织品间的不适/过度摩擦引起人体皮肤擦伤、起泡等不同程度的损伤。由于纺织品是具有丰富纹理结构的纤维集合体，表面纹理甚至集合体在小应力作用下易于变形，以致皮肤与其接触的摩擦行为有别于两刚性物体间或均质平滑柔性体间的摩擦，不仅偏离经典摩擦定律，且伴随接触压力、接触方式甚至环境温湿度的变化而变化。总之，无论是哪一类纺织品，当其与人体皮肤接触并发生相对滑动时，其摩擦行为会涉及到两类力学机制：一是粘附摩擦，为平行于接触面的切向作用效应；二是形变摩擦，是因纺织品及皮肤表面的不平整性而产生的接触、滑移过程中的震动效应。这就涉及摩擦行为发生时接触力的动态性和运动方式的任意性。因此，不固定接触压力，测量在匀速或变速动态接触运动过程中摩擦作用的变化，无论是摩擦作用力，还是摩擦扭转作用，才能真实反映人体皮肤/纺织品间的接触摩擦状态，这对表征纺织品的使用性能具有十分重要的意义。

目前国内外对皮肤/纺织品实际接触时的摩擦测试装置研究并不多见。比较成熟且已商业化的测试系统是日本学者Kawabata开发的织物风格测试仪系列的KES-FB4表面性能试验仪[Kawabata，1996]，该试验仪主要考查静态摩擦行为，采用模拟人手指纹的阵列钢丝探头与织物表面间相对滑动得到摩擦系数在位移上的变化曲线，在测试过程中给予恒定压力(50CN)，忽略了人伴随滑动难易而改变接触压力的动态性，且采用的一维传感器无法同时记录二者接触界面法向和切向作用力的实时变化；同时，中国专利(专利公开号：CN102175600A，公开日期：2011.09.07)《一种检测织物与皮肤间摩擦性能的装置及方法》中提供一种基于二维压力传感器下检测的织物与皮肤间摩擦性能装置及方法，所提装置虽然能准确检测在常预加张力作用下的织物/皮肤间干态和湿态摩擦性能，但无法测试出由织物表面不平整性导致的接触力或压力变化及由此产生的粘滑现象，也不能测试织物-皮肤间任意方向相对运动时形成的摩擦、扭转作用；另外，中国专利(专利公开号：CN 2805698Y，公开日期：2005.8.16)《皮肤摩擦特性专用测试装置》，采用可更换测试材料(如假肢接受腔材料、纺织材料、劳动体育用品材料)的触头与人体或动物皮肤在体、离体之间往复移动，通过三维力传感器实时测试在不同作用力和速度下的摩擦力和摩擦系数，但该装置仅可测量皮肤与纺织材料间往复式移动下的摩擦运动，不能涵盖人体皮肤与织物接触时的多方向性(单向、往复和旋转式)摩擦运动，无法进行多种接触、运动方式下的摩擦作用和摩擦扭转测试。综上所述，不难看出，现有的基于皮肤/纺织品间接触摩擦的测试装置，并不能反映皮肤与纺织品接触、滑动时产生的摩擦现象，无论是任意运动方向下的摩擦作用力，还是扭转摩擦。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种皮肤纺织品生物摩擦动态测量装置，既能实时测试接触滑动过程中摩擦力、压力、力矩作用，又能真实反映皮肤/纺织品间多向接触摩擦运动过程。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种皮肤纺织品生物摩擦动态测量装置，包括测试底座，所述测试底座后部固定有立座；所述测试底座前部安装第一滑台和第二滑台；所述第一滑台安装在所述第二滑台的移动面板上；所述第一滑台上还安装有测试面板；所述立座正面设有可上下移动的安装面板；所述安装面板上固定有测试触头；所述测试触头位于所述测试面板上方；所述测试触头与安装面板之间安装有多轴力/力矩传感器；所述多轴力/力矩传感器通过供电盒与PC机数据处理系统相连；所述第一滑台通过第一传动机构使所述测试面板左右移动；所述第二滑台通过第二传动机构使所述移动面板前后移动；所述安装面板通过第三传动机构上下移动。

所述第一传动机构、第二传动机构和第三传动机构由多轴运动控制卡控制实现三维同步运动或异步运动、单向/往复式直线或单向/往复式旋转运动、匀速或变速运动。

所述第一传动机构包括第一电机、第一滑轨和第一涡轮蜗杆；所述第一滑轨安装在第一滑台上；所述测试面板安装在第一滑轨上；所述测试面板与第一涡轮蜗杆相连；所述第一涡轮蜗杆与所述第一电机相连；所述第一电机带动所述第一涡轮蜗杆使测试面板沿所述第一滑轨左右移动。

所述第二传动机构包括第二电机、第二滑轨和第二涡轮蜗杆；所述第二滑轨安装在第二滑台上；所述移动面板安装在所述第二滑轨上；所述移动面板与第二涡轮蜗杆相连；所述第二涡轮蜗杆与所述第二电机相连；所述第二电机带动所述第二涡轮蜗杆使移动面板沿所述第二滑轨前后移动。

所述第三传动机构包括第三电机、第三滑轨和第三涡轮蜗杆；所述第三滑轨安装在立座正面；所述第三滑轨上安装有安装面板；所述安装面板与第三涡轮蜗杆相连；所述第三涡轮蜗杆与所述第三电机相连；所述第三电机带动所述第三涡轮蜗杆使安装面板沿所述第三滑轨上下移动。

所述测试触头为复合结构，外层为醋酸纤维薄膜保护层，内层为硫化橡胶层；所述内层与丙烯酸树脂凝固体连接杆粘连在一起。

所述测试触头的形状为半球形。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

本发明测试过程自动化，通过安装在PC机的运动控制卡操作及数据采集显示界面精确控制并实时显示触头与纺织品试样的运动状态、数据变化，操作简单易行，直观明确，同时在装置上的各个轴向安装有限位指示灯，限制运动滑台的移动区域，避免碰撞、过载等意外事故的发生；多轴力/力矩触觉传感器，测试精度高、量程小，且能实现摩擦力、接触力、扭力的同步控制，易于实现动态测试，完全满足于皮肤/纺织品间的摩擦测试要求；三维运动控制卡独立驱动的三轴可同步或分别以不同速度匀速或变速运动，使置于面板上的纺织品试样能同时进行前后、左右的往复式和任意曲线式移动，即相当于测试触头可以与纺织品进行旋转或者往复式的接触，满足实际人体皮肤与纺织品的多方向接触；测试触头选用复合结构的柔性材料，满足皮肤的多层柔性体系结构，且触头形状可随测试的不同部位的皮肤而改变；另外，本测试仪器各部件的组装灵活，配合良好，操作简单。

本发明能准确、实时测量皮肤/纺织品接触时的各向生物摩擦动态作用过程。它可以同时测量及分析在不同运动速度(匀速或变速)、运动方式(直线式或曲线式)下的多向摩擦力、压力变化，表征粘滑性动态摩擦及运动规律；多轴力传感数据与运动控制数据间实时通讯，实现自保护功能；测量精度高，重复性和可比性好。

附图说明

图1是本发明的整体示意图；

图2是本发明中运动测试装置的主视图；

图3是图2的右视图；

图4是本发明中模拟皮肤的测试触头结构图；

图5是皮肤/纺织品接触摩擦运动(左右、往复)状态示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种皮肤纺织品生物摩擦动态测量装置，如图1、图2和图3所示，包括运动测试装置I，所述运动测试装置I包括测试底座1，所述测试底座1后部固定有立座2，所述测试底座1前部安装第一滑台3和第二滑台4。所述第一滑台3安装在所述第二滑台4的移动面板5上，所述第一滑台3上还安装有测试面板6。所述立座2正面设有可上下移动的安装面板7，所述安装面板7上固定有测试触头8，所述测试触头8位于所述测试面板6上方，所述测试触头8与安装面板7之间安装有多轴力/力矩传感器9。所述多轴力/力矩传感器9通过供电盒II与PC机数据处理系统III相连。所述第一滑台3通过第一传动机构使所述测试面板6左右移动，所述第二滑台4通过第二传动机构使所述移动面板5前后移动，所述安装面板7通过第三传动机构上下移动。

所述第一传动机构、第二传动机构和第三传动机构由多轴运动控制卡控制实现三维同步运动。所述第一传动机构包括第一电机10、第一滑轨11和第一涡轮蜗杆；所述第一滑轨11安装在第一滑台3上；所述测试面板6安装在第一滑轨11上；所述测试面板6与第一涡轮蜗杆相连；所述第一涡轮蜗杆与所述第一电机10相连；所述第一电机10带动所述第一涡轮蜗杆使测试面板6沿所述第一滑轨11左右移动。所述第二传动机构包括第二电机12、第二滑轨13和第二涡轮蜗杆；所述第二滑轨13安装在第二滑台上；所述移动面板5安装在所述第二滑轨13上；所述移动面板5与第二涡轮蜗杆相连；所述第二涡轮蜗杆与所述第二电机12相连；所述第二电机12带动所述第二涡轮蜗杆使移动面板5沿所述第二滑轨13前后移动。所述第三传动机构包括第三电机14、第三滑轨16和第三涡轮蜗杆15；所述第三滑轨15安装在立座2正面；所述第三滑轨16上安装有安装面板7；所述安装面板7与第三涡轮蜗杆15相连；所述第三涡轮蜗杆15与所述第三电机14相连；所述第三电机14带动所述第三涡轮蜗杆15使安装面板7沿所述第三滑轨16上下移动。

其中，所测纺织品试样固定于沿左右移动，(即X轴向运动)的测试面板上，该测试面板下方为沿前后移动(即Y轴向运动)的第二滑台和移动面板，第一滑台的电机与导线固定于左侧导轨内，以便测试面板在左右运动时可随Y轴向测试滑台同时进行前后运动，第二滑台的变频电机靠近立座。

所述三维同步运动控制是指由传动机构程序化实现三轴(X、Y、Z轴)测试面板分别或者同时进行左右、前后、上下三向匀速或变速运动，实现皮肤/纺织品接触过程中的往复、旋转式等多方向摩擦运动方式，准确模拟皮肤/纺织品的各种接触摩擦方式。由此可见，三个轴向滑台(X、Y、Z轴)均通过输出转轴将变频电机产生的扭矩传递至蜗轮蜗杆机构，驱动各面板进行左右、前后、上下三向移动，从而满足三维同步匀速或变速运动控制，实现皮肤/纺织品接触过程中的直线或曲线往复式等多方向摩擦运动方式。

本发明通过将模拟皮肤试样的测试触头固定于Z轴向测试滑台的测试面板上，变频电机通过传动机构，驱动测试触头上下移动，与此同时，纺织品试样固定于X轴向测试面板上，不仅可以进行前后、左右往复式单线运动，还可以在前后、左右面板以不同/相同速度同时运动的旋转运动，从而达到三维同步运动控制的目的，使得皮肤模拟试样测试触头与纺织品之间产生受控的多向摩擦运动，多轴力/力矩传感器检测出测试触头受到的各方向作用力/力矩。同时，将测得信号送至PC数据处理系统，实时、动态记录并分析皮肤/纺织品间的生物摩擦作用规律。

本发明采用的多轴力传感器为测试精度高、量程小的三维力/力矩传感器，可选用ATI三维力/扭矩触觉传感器，通过输出应变信号(硅应变)，电池盒供电及信号放大处理，由A/D卡转化为数字信号输入PC进行信号的采集处理，可同时测量X，Y，Z轴三个方向的力和扭矩，测量精度为1.5％，量程为50N，分辨率为1/80N，满足人体皮肤与织物接触时的精度及量程和频率的要求。

如图4所示，测试触头8为复合结构的柔性化材料，以模拟人体皮肤材料的结构和属性，且触头形状可更换为不同形状，可根据需要满足模拟不同体区皮肤与织物接触摩擦的测试。此处可选用外层81为醋酸纤维薄膜保护层，内层82为硫化橡胶层，内层82与丙烯酸树脂凝固体连接杆83粘连在一起，满足人体皮肤的多层柔性体系结构的测试触头8，且触头形状如图4所示，为半球形，用来模拟人体指尖皮肤与织物接触时的摩擦测试。

如图5所示，其中：18-纺织品试样Ff-摩擦力 FN-接触力 Ft-侧向力。当模拟人体指尖皮肤的测试触头与纺织品试样接触时，准确反映消费者选购纺织品时用指尖滑移织物表面感知纺织品手感优劣。试样移动速度选择为常速(与人触摸评价纺织品手感时手指滑移速度约1cm/s一致)或变速向左移动，即相对来说，测试触头向右划过试样表面，此时，测试触头上的传感器可同时控制接触力、摩擦力和侧向力三维力学信号，通过DAQ传递至PC机进行处理和分析。

不难发现，本发明测试过程自动化，通过安装在PC机的运动控制卡操作及数据采集显示界面精确控制并实时显示触头与纺织品试样的运动状态、数据变化，操作简单易行，直观明确，同时在装置上的各个轴向安装有限位指示灯，限制运动滑台的移动区域，避免碰撞、过载等意外事故的发生；多轴力/力矩触觉传感器，测试精度高、量程小，且能实现摩擦力、接触力、扭力的同步控制，易于实现动态测试，完全满足于皮肤/纺织品间的摩擦测试要求；三维运动控制卡独立驱动的三轴可同步或分别以不同速度匀速或变速运动，使置于面板上的纺织品试样能同时进行前后、左右的往复式和任意曲线式移动，即相当于测试触头可以与纺织品进行旋转或者往复式的接触，满足实际人体皮肤与纺织品的多方向接触；测试触头选用复合结构的柔性材料，满足皮肤的多层柔性体系结构，且触头形状可随测试的不同部位的皮肤而改变；另外，本测试仪器各部件的组装灵活，配合良好，操作简单。

本发明能准确、实时测量皮肤/纺织品接触时的各向生物摩擦动态作用过程。它可以同时测量及分析在不同运动速度(匀速或变速)、运动方式(直线式或曲线式)下的多向摩擦力、压力变化，表征粘滑性动态摩擦及运动规律；多轴力传感数据与运动控制数据间实时通讯，实现自保护功能；测量精度高，重复性和可比性好。

Claims (7)

1.一种皮肤纺织品生物摩擦动态测量装置，包括测试底座(1)，其特征在于，所述测试底座(1)后部固定有立座(2)；所述测试底座(1)前部安装第一滑台(3)和第二滑台(4)；所述第一滑台(3)安装在所述第二滑台(4)的移动面板(5)上；所述第一滑台(4)上还安装有测试面板(6)；所述立座(2)正面设有可上下移动的安装面板(7)；所述安装面板(7)上固定有测试触头(8)；所述测试触头(8)位于所述测试面板(6)上方；所述测试触头(8)与安装面板(7)之间安装有多轴力/力矩传感器(9)；所述多轴力/力矩传感器(9)通过供电盒(II)与PC机数据处理系统(III)相连；所述第一滑台(3)通过第一传动机构使所述测试面板(6)左右移动；所述第二滑台(4)通过第二传动机构使所述移动面板(5)前后移动；所述安装面板(7)通过第三传动机构上下移动。

2.根据权利要求1所述的皮肤纺织品生物摩擦动态测量装置，其特征在于，所述第一传动机构、第二传动机构和第三传动机构由多轴运动控制卡控制实现三维同步或异步运动、单向/往复式直线或单向/往复式旋转运动、匀速或变速运动。

3.根据权利要求1所述的皮肤纺织品生物摩擦动态测量装置，其特征在于，所述第一传动机构包括第一电机(10)、第一滑轨(11)和第一涡轮蜗杆；所述第一滑轨(11)安装在第一滑台(3)上；所述测试面板(6)安装在第一滑轨(11)上；所述测试面板(6)与第一涡轮蜗杆相连；所述第一涡轮蜗杆与所述第一电机(10)相连；所述第一电机(10)带动所述第一涡轮蜗杆使测试面板(6)沿所述第一滑轨(11)左右移动。

4.根据权利要求1所述的皮肤纺织品生物摩擦动态测量装置，其特征在于，所述第二传动机构包括第二电机(12)、第二滑轨(13)和第二涡轮蜗杆；所述第二滑轨(13)安装在第二滑台(4)上；所述移动面板(5)安装在所述第二滑轨(13)上；所述移动面板(5)与第二涡轮蜗杆相连；所述第二涡轮蜗杆与所述第二电机(12)相连；所述第二电机(12)带动所述第二涡轮蜗杆使移动面板(5)沿所述第二滑轨(13)前后移动。

5.根据权利要求1所述的皮肤纺织品生物摩擦动态测量装置，其特征在于，所述第三传动机构包括第三电机(14)、第三滑轨(16)和第三涡轮蜗杆(15)；所述第三滑轨(16)安装在立座(2)正面；所述第三滑轨(16)上安装有安装面板(7)；所述安装面板(7)与第三涡轮蜗杆(15)相连；所述第三涡轮蜗杆(15)与所述第三电机(14)相连；所述第三电机(14)带动所述第三涡轮蜗杆(15)使安装面板(7)沿所述第三滑轨(16)上下移动。

6.根据权利要求1-5中任一权利要求所述的皮肤纺织品生物摩擦动态测量装置，其特征在于，所述测试触头(8)为复合结构，外层(81)为醋酸纤维薄膜保护层，内层(82)为硫化橡胶层；所述内层(82)与丙烯酸树脂凝固体连接杆(83)粘连在一起。

7.根据权利要求6所述的皮肤纺织品生物摩擦动态测量装置，其特征在于，所述测试触头(8)的形状为半球形。

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