CN102967290A - 一种纹理触觉评价过程的模拟测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种纹理触觉评价过程的模拟测量方法，能逼真模拟皮肤/纺织品间的接触、摩擦作用过程，并提取纹理刺激特征物理量。通过该测量方法可以同时模拟多种手指触摸纹理表面的过程，即测量和分析在不同运动速度(恒速或变速)、运动方式下的多向摩擦力、压力变化，表征接触、滑动运动规律；也可用于测量与分析不同环境下皮肤与不同种类、结构、材料的纺织品间的纹理接触信息。并且，利用一些已经被普遍认可的纹理形貌算法和模型来进行纹理刺激信号的空间、时域以及频域分析，提取接触区域内纹理刺激信息的频率、强度以及不同接触点之间纹理刺激信息的一致性，从而提出评价纹理触觉刺激的特征指标。
Description
技术领域
本发明涉及一种纹理触觉评价过程的模拟方法，属于纺织测量技术领域，特别是纺织面料的纹理触觉刺激表征领域。
背景技术
纹理触觉指当皮肤(通常为人手指)按压在物体表面来回往复运动时，由物体表面刺激皮肤并诱发组织内触觉感受器所产生的多维触觉感觉。通过纹理触觉，我们可以感知纹理的走向、深度和表面弹性、热学信息等，对物体的性质作初步判断。多年来，在人机交互领域的研究中人们主要关注视觉和听觉，而忽略了其他感觉形态。随着发展和应用触觉理论的需要，诸如虚拟触觉在游戏产业、医疗及航空航天训练领域的部分实现，要求虚拟触觉再现物体的表面质地。纹理触觉信息的检测和表征是相关应用领域的技术基础。
大多数纺织品是一种片状柔性纤维集合体，表面纹理特征丰富，具有多尺度、多维性和多属性特点，在皮肤接触作用下极易变形，产生柔软、硬挺、光滑、粗糙等多类纹理触觉属性。当皮肤接触纺织品表面时，纹理触觉刺激信息不仅与表面的多尺度纹理形貌特征有关，且依赖于作用力的大小，随接触状态而动态变化，在接触域内对皮肤产生不同强度和频率的多维动态分布刺激。
纹理触觉信息源于皮肤接触织物表面时的相互作用，是分布于接触域内的动态刺激信息。因此，纹理触觉信息的表达至少需要一个能同步记录一定离散位置信息的仪器和表征方法。目前国内外对皮肤/纺织品实际接触时纹理刺激信息的测试方法研究并不多见，已公开的大多数纹理测量装置测量物体表面的几何纹理信息。如果仅织物表面的纹理形貌，比较成熟且已商业化的测试系统是KES-F测试系统，它是日本Kawabata研究开发的织物风格仪，该实验仪主要考查探针在恒定轻载荷(0.1N)接触作用下的织物一维形貌轮廓，即采用模拟人手单条指纹的矩形钢丝环在织物表面相对滑动，得到反映织物表面形貌的一维剖面曲线，并计算一维剖面的平均波动幅度；中国专利(专利公开号CN100464151C物体表面纹理检测方法及其传感器)，声明采用嵌有PVDF压电材料的触头滑过物面时记录压力信号，从中提取几何粗糙度、不平整度等表面纹理统计特征，表征物面的纹理信息，但PVDF压电测量的动态敏感性仅能捕获一定频率下的压力信号。并且，这两套测试系统在测试过程中给予恒定压力，目标为记录物体表面的纹理形貌轮廓，忽略了人皮肤接触、滑过织物等纹理表面时接触压力的动态性和机械刺激信息的空间分布性，不能反映人体主要纹理触觉感受器同时接收到的不同刺激信息特征，而纹理触觉是这些空间域内的刺激信息在人体触觉神经系统的整合。另外，中国专利(专利公开号：CN101344374)《纹理测量装置和方法》，该装置采用装配三个独立传感单元(两个应变片、一个PVDF压电薄膜)的探针与物体表面接触并移动，分别记录作用于该探针上的摩擦力、接触力及其变化，计算摩擦系数和表面力的动态响应。该装置虽然能检测接触过程中摩擦力、接触力的变化，但探头与织物表面是点接触，运动轨迹呈线性，不能反映织物表面纹理特征在接触过程中相互作用形成的空间刺激信息。
总之，传统接触式纹理信息测量系统，要么测量物体的一维静态形貌特征，要么通过接触合力间接测量纹理触觉信息，没有真实测量和表征接触过程中纹理间相互影响而形成的动态分布式触觉刺激信息。因此，要评价皮肤接触纹理表面时受到的机械刺激，需要建立模拟纹理触觉评价过程的测试方法。
发明内容
本发明的目的提供一种模拟纹理触觉评价过程的测试方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种纹理触觉评价过程的模拟测量方法，其特征在于，步骤为：
第一步、搭建模拟测量平台，该模拟测量平台包括底座，立柱设于底座上，在底座的表面设有沿左右移动的X轴滑槽导轨或沿前后移动的Y轴滑槽导轨，在X轴滑槽导轨及Y轴滑槽导轨内分别设有由X轴电机驱动的X轴滑块丝杆组件及由Y轴电机驱动的Y轴滑块丝杆组件；当底座的表面设有X轴滑槽导轨时，Y轴滑槽导轨固定在X轴滑块丝杆组件的X轴滑块上；当底座的表面设有Y轴滑槽导轨时，X轴滑槽导轨固定在Y轴滑块丝杆组件的Y轴滑块上；用于固定纺织品试样的X-Y平面面板固定在Y轴滑块或X轴滑块上；在X-Y平面面板的上方设有固定在立柱上的Z轴滑槽导轨，在Z轴滑槽导轨内设有由Z轴电机驱动的Z轴滑块丝杆组件，Z向面板固定在Z轴滑块丝杆组件的Z轴滑块上，在Z向面板上设有微调兼过载保护结构；
微调兼过载保护结构包括与Z向面板连接固定的连接块，音圈电机的一端连接连接块，在其另一端上设有三轴力传感器，在三轴力传感器的下端配置仿生皮肤；
远端的PC数据处理系统通过多轴运动控制器控制X轴电机、Y轴电机、Z轴电机及音圈电机的动作，控制系统还连接三轴力传感器；
第二步、将所测纺织品试样在一定张力下固定于X-Y平面面板的表面；
第三步、通过Z向面板的上下运动使得仿生皮肤接触纺织品试样，再结合音圈电机对仿生皮肤上下位置的微调使得仿生皮肤对纺织品试样的接触强度达到并保持在初始预设值；
第四步、X-Y平面面板在X轴电机的驱动下进行左右往复式单线运动，或在Y轴电机的驱动下进行前后往复式单线运动，或同时在X轴电机及Y轴电机的驱动下进行旋转运动，仿生皮肤与纺织品试样之间形成往复式接触或旋转式接触，使得仿生皮肤与纺织品试样之间产生受控的多向、多点接触运动，以便三轴力传感器同步检测出多点接触、摩擦信息；
第五步、通过Z向面板及音圈电机重新设定仿生皮肤对纺织品试样的接触强度，和/或重新设定X-Y平面面板的运动速度，重新返回第四步执行，直到检测完所有需要测试的数据；
第六步、借助三轴力传感器同时测得在纺织品试样表面多个位置点沿三个方向的接触力曲线，对接触力曲线进行纹理空间、时域以及频域分析，提取表征纹理刺激信息的特征物理量，从而实现纹理触觉评价过程的模拟。
优选地，在第四步中，当所述X-Y平面面板进行旋转运动时，所述X轴电机与所述Y轴电机的转速相同或不相同。
优选地，在第六步中，所述接触力曲线至少包括摩擦力-时间曲线、压力-时间曲线及摩擦系数-时间曲线，其分析步骤为：对摩擦力-时间曲线、压力-时间曲线及摩擦系数-时间曲线分别进行傅里叶变换及功率谱估计得到相应的频谱图、能谱图以及功率谱图，借助谐波最高峰、振幅、频率以及功率谱密度来表征纹理刺激信息的频率以及强度；对多个位置点的纹理刺激信息进行相关性分析，计算其互相关系数，得到不同接触区域内纹理刺激信息的一致性。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(I)一台设备同时模拟常压或压力随纹理形貌变化的滑动接触，逼真模拟手指触摸纹理表面的过程；(II)模拟手指在不同速度、不同运动方式下触摸评价纺织品表面纹理的过程，置于测试平台上的纺织品试样能随运动控制轴同时或分别进行前后、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间发生旋转式或者往复式接触，满足实际人体皮肤与纺织品之间的自由动态接触；(III)通过仿生触头，逼真模拟皮肤/纺织品间的接触、摩擦作用过程，测得动态的纹理刺激信息，而不是单纯的几何纹理特征信息，并提取进行纹理触觉评价时皮肤在接触域内受到的物理刺激量。
附图说明
图1为本发明提供的一种纹理触觉评价过程的模拟测量平台的总体示意图；
图2为仿生触头与样品间的相对滑动示意图。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
本发明提供了一种纹理触觉评价过程的模拟测量方法，其步骤为：
第一步、搭建模拟测量平台，该模拟测量平台包括底座11，立柱10设于底座11上，在底座11的表面设有沿左右移动的X轴滑槽导轨1或沿前后移动的Y轴滑槽导轨2，在X轴滑槽导轨1及Y轴滑槽导轨2内分别设有由X轴电机驱动的X轴滑块丝杆组件及由Y轴电机驱动的Y轴滑块丝杆组件；当底座11的表面设有X轴滑槽导轨1时，Y轴滑槽导轨2固定在X轴滑块丝杆组件的X轴滑块上；当底座11的表面设有Y轴滑槽导轨2时，X轴滑槽导轨1固定在Y轴滑块丝杆组件的Y轴滑块上；用于固定纺织品试样的X-Y平面面板4固定在Y轴滑块或X轴滑块上；在X-Y平面面板4的上方设有固定在立柱10上的Z轴滑槽导轨3，在Z轴滑槽导轨3内设有由Z轴电机驱动的Z轴滑块丝杆组件，Z向面板5固定在Z轴滑块丝杆组件的Z轴滑块上，在Z向面板5上设有微调兼过载保护结构；
微调兼过载保护结构包括与Z向面板5连接固定的连接块6，音圈电机7的一端连接连接块6，在其另一端上设有三轴力传感器8，在三轴力传感器8的下端配置仿生皮肤9，在本实施例中三轴力传感器8采用阵列式三轴力传感器；
远端的PC数据处理系统通过多轴运动控制器控制X轴电机、Y轴电机、Z轴电机及音圈电机7的动作，控制系统还连接三轴力传感器8；
第二步、将所测纺织品试样12在一定张力下固定于X-Y平面面板4的表面；
第三步、通过Z向面板5的上下运动使得仿生皮肤9接触纺织品试样12，再结合音圈电机7对仿生皮肤9上下位置的微调使得仿生皮肤9对纺织品试样12的接触强度达到并保持在初始预设值；
第四步、结合图2，X-Y平面面板4在X轴电机的驱动下以速度v进行左右往复式单线运动，图2中，FN为仿生皮肤9对纺织品试样12的接触强度，Ff为纵向接触摩擦力强度，Ft为横向接触摩擦力强度或在Y轴电机的驱动下进行前后往复式单线运动，或同时在X轴电机及Y轴电机的驱动下进行旋转运动，旋转运动时，X轴电机与Y轴电机的转速相同或不相同，仿生皮肤9与纺织品试样12之间形成往复式接触或旋转式接触，使得仿生皮肤9与纺织品试样12之间产生受控的多向、多点接触运动，以便三轴力传感器8同步检测出多点接触、滑移信息；
第五步、通过Z向面板5及音圈电机7重新设定仿生皮肤9对纺织品试样12的接触强度，和/或重新设定X-Y平面面板4的运动速度，重新返回第四步执行，直到检测完所有需要测试的数据；
第六步、借助三轴力传感器8同时测得在纺织品试样12表面多个位置点沿三个方向的接触力曲线，接触力曲线至少包括摩擦力-时间曲线、压力-时间曲线及摩擦系数-时间曲线，对接触力曲线进行纹理空间、时域以及频域分析，提取表征纹理刺激信息的特征物理量，从而实现纹理触觉评价过程的模拟：对摩擦力-时间曲线、压力-时间曲线及摩擦系数-时间曲线分别进行傅里叶变换及功率谱估计得到相应的频谱图、能谱图以及功率谱图，借助谐波最高峰、振幅、频率以及功率谱密度来表征纹理刺激信息的频率以及强度；对多个位置点的纹理刺激信息进行相关性分析，计算其互相关系数，得到不同接触区域内纹理刺激信息的一致性。
功率谱：
借助功率谱估计，利用已观测到的一定数量样本数据估计一个平稳随机信号的功率谱密度，来分析信号的能量随频率变化的分布特性，功率谱密度P(w)可以描述信号功率随频率的变化，其定义为：
其中，RXX(n)为接触力信号采样点；
通过上述公式可以得到功率谱密度图，借助功率谱密度图可以观察纹理刺激信号功率随频率的变化情况，提取表征纹理刺激信息强度的指标。
互相关系数：
仿生皮肤9与纺织品试样12的接触滑动过程中，整个接触域内的各个局部接触区域间的刺激特征是不同的，通过三轴力传感器8可以同时测得接触区域内多个点的多向接触力。
借助上式计算各个接触点之间纹理刺激信息的互相关系数，分析仿生皮肤9与纺织品试样12在触摸滑动过程中不同接触区域内纹理刺激信息的一致性。
Claims (3)
1.一种纹理触觉评价过程的模拟测量方法，其特征在于，步骤为：
第一步、搭建模拟测量平台，该模拟测量平台包括底座(11)，立柱(10)设于底座(11)上，在底座(11)的表面设有沿左右移动的X轴滑槽导轨(1)或沿前后移动的Y轴滑槽导轨(2)，在X轴滑槽导轨(1)及Y轴滑槽导轨(2)内分别设有由X轴电机驱动的X轴滑块丝杆组件及由Y轴电机驱动的Y轴滑块丝杆组件；当底座(11)的表面设有X轴滑槽导轨(1)时，Y轴滑槽导轨(2)固定在X轴滑块丝杆组件的X轴滑块上；当底座(11)的表面设有Y轴滑槽导轨(2)时，X轴滑槽导轨(1)固定在Y轴滑块丝杆组件的Y轴滑块上；用于固定纺织品试样的X-Y平面面板(4)固定在Y轴滑块或X轴滑块上；在X-Y平面面板(4)的上方设有固定在立柱(10)上的Z轴滑槽导轨(3)，在Z轴滑槽导轨(3)内设有由Z轴电机驱动的Z轴滑块丝杆组件，Z向面板(5)固定在Z轴滑块丝杆组件的Z轴滑块上，在Z向面板(5)上设有微调兼过载保护结构；
微调兼过载保护结构包括与Z向面板(5)连接固定的连接块(6)，音圈电机(7)的一端连接连接块(6)，在其另一端上设有三轴力传感器(8)，在三轴力传感器(8)的下端配置仿生皮肤(9)；
远端的PC数据处理系统通过多轴运动控制器控制X轴电机、Y轴电机、Z轴电机及音圈电机(7)的动作，控制系统还连接三轴力传感器(8)；
第二步、将所测纺织品试样(12)在一定张力下固定于X-Y平面面板(4)的表面；
第三步、通过Z向面板(5)的上下运动使得仿生皮肤(9)接触纺织品试样(12)，再结合音圈电机(7)对仿生皮肤(9)上下位置的微调使得仿生皮肤(9)对纺织品试样(12)的接触强度达到并保持在初始预设值；
第四步、X-Y平面面板(4)在X轴电机的驱动下进行左右往复式单线运动，或在Y轴电机的驱动下进行前后往复式单线运动，或同时在X轴电机及Y轴电机的驱动下进行旋转运动，仿生皮肤(9)与纺织品试样(12)之间形成往复式接触或旋转式接触，使得仿生皮肤(9)与纺织品试样(12)之间产生受控的多向、多点接触运动，以便三轴力传感器(8)同步检测出多点接触、摩擦信息；
第五步、通过Z向面板(5)及音圈电机(7)重新设定仿生皮肤(9)对纺织品试样(12)的接触强度，和/或重新设定X-Y平面面板(4)的运动速度，重新返回第四步执行，直到检测完所有需要测试的数据；
第六步、借助三轴力传感器(8)同时测得在纺织品试样(12)表面多个位置点沿三个方向的接触力曲线，对接触力曲线进行纹理空间、时域以及频域分析，提取表征纹理刺激信息的特征物理量，从而实现纹理触觉评价过程的模拟。
2.如权利要求1所述的一种纹理触觉评价过程的模拟测量方法，其特征在于，在第四步中，当所述X-Y平面面板(4)进行旋转运动时，所述X轴电机与所述Y轴电机的转速相同或不相同。
3.如权利要求1所述的一种纹理触觉评价过程的模拟测量方法，其特征在于，在第六步中，所述接触力曲线至少包括摩擦力-时间曲线、压力-时间曲线及摩擦系数-时间曲线，其分析步骤为：对摩擦力-时间曲线、压力-时间曲线及摩擦系数-时间曲线分别进行傅里叶变换及功率谱估计得到相应的频谱图、能谱图以及功率谱图，借助谐波最高峰、振幅、频率以及功率谱密度来表征纹理刺激信息的频率以及强度；对多个位置点的纹理刺激信息进行相关性分析，计算其互相关系数，得到不同接触区域内纹理刺激信息的一致性。
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