CN202885804U - 一种纹理触觉评价过程的模拟测量平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种纹理触觉评价过程的模拟测量平台，由测量装置、运动控制和信号记录处理系统组成。测量装置沿三正交坐标配置三套由电机独立驱动的滑动及传动结构，Z轴传动结构所连接的面板上固定有微调兼过载防护结构和覆盖仿生皮肤的阵列式多轴力传感器，该传感器和传动单元分别与PC机数据处理系统相连实现实时信号传输。本平台能准确模拟皮肤与纺织品等纹理表面间的接触、摩擦过程。该模拟测量平台可以同时测量及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；测量精度高，重复性和可比性好。

Description

一种纹理触觉评价过程的模拟测量平台

技术领域

本实用新型涉及一种纹理触觉评价过程的模拟测量平台，属于纺织测量技术领域，特别是纺织面料的纹理触觉表征领域。

背景技术

纹理触觉指当皮肤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技术基础。

织物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。当皮肤接触织物表面时，纹理触觉刺激信息不仅与织物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装置研究并不多见，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；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，这两套装置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装置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。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种纹理触觉评价过程的模拟测量平台，从而能准确模拟皮肤/纺织品间的接触、摩擦作用过程。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案是提供了一种纹理触觉评价过程的模拟测量平台，其特征在于：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。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：(I)配置的微调兼防过载结构，通过音圈电机的高频精密调节，不仅自动避免传感器承受过载或Z轴运动操作失误等导致传感器损坏事故的发生，且配合Z轴丝杆实现接触位置的粗调和微调，以及模拟常压或压力随纹理形貌变化的滑动接触；(II)配置仿生触头，由覆盖仿生皮肤的阵列式触觉传感器构成，实现模拟纹理触觉评价时的皮肤触觉感受器的多点同步三维力测量，测试精度、分辨率高，完全满足皮肤/纺织品间的纹理触觉刺激信息测试要求；(III)三维运动控制卡独立驱动的三轴可同步或独立以不同速度运动，使置于水平面板上的纺织品试样能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动态接触；(IV)测试过程自动化，操作简单易行，直观明确，(i)通过安装在PC机的数据采集与分析界面操作系统精确控制并实时显示仿生皮肤与纺织品试样的运动状态，(ii)自动分析并显示纹理触觉信息的表征参数值和分布模式，(iii)在三个丝杆轴向运动轨道槽中安装有限位指示灯，限制运动滑台的移动区域，与压力微调兼防过载结构一起自动实现运动滑台和传感器的防碰撞、过载等意外事故的发生；(V)本装置各部件的组装灵活，可把X-Y平面平台用于支撑人体手或前臂，用于其它人体触觉或电生理实验。

附图说明

图1为本实用新型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为测量平台的示意图；

图3为三轴力传感器的安装示意图。

具体实施方式

为使本实用新型更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

如图1及图2所示，本实用新型提供的一种纹理触觉评价过程的模拟测量平台，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，在X轴滑槽导轨1内设有由X轴电机驱动的X轴滑块丝杆组件，Y轴滑槽导轨2固定在X轴滑块丝杆组件的X轴滑块上，在Y轴滑槽导轨2内设有由Y轴电机驱动的Y轴滑块丝杆组；用于固定纺织品试样的X-Y平面面板4固定在Y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。

结合图3，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。

Z轴电机通过Z轴滑块丝杆组件驱动Z向面板5携带仿生皮肤9上下移动，X轴电机及Y轴电机通过X轴滑块丝杆组件及Y轴滑块丝杆组件驱动携带纺织品试样的X-Y平面面板4，进行变压力和前后、左右往复式匀速/变速直线式运动，或在前后、左右轴以不同/相同速度同时运动下形成不同弧度的曲线运动，从而达到三维同步运动控制的目的，使得仿生皮肤9与纺织品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；经三轴力传感器8测得的机械刺激信号送至PC数据处理系统，实时、动态记录并分析皮肤/纺织品间的接触刺激作用特征和分布模式。

三维同步运动控制，是指由传动机构程序化实现X-Y平面面板4和Z向面板5分别或者同时进行左右(X轴)、前后(Y轴)、上下(Z轴)三向匀速或变速运动，控制仿生皮肤9与被测纺织品间的相对运动速度、曲线运动方式和接触压力，准确模拟经触摸评价纺织品表面质地的过程；

音圈电机7的常力常数和动程大小取决于传感器Z向最大过载载荷或希望过载保护的载荷大小。而且，音圈电机7被独立控制，其运行状态决定了是常力接触状态，还是变接触力状态。

仿生皮肤9，是指模拟人体皮肤的层合式结构和基本力学属性的柔性复合材料，且仿生皮肤形状可更换，以满足模拟不同体区的皮肤与纺织品间的相互接触作用。因而，该装置也可用于模拟测量在不同环境下不同种类、结构、材料的纹理表面对皮肤的触觉刺激信息。

PC数据处理系统包括PC机及PC机上安装的数据采集卡(如NationalInstrument公司的PCI-6220)和基于VC++应用程序开发编写的数据采集及分析界面操作系统。此测试系统能协同操控多个系统，涵盖运动平台操作、三维力传感器阵列和二者间的通信协调操控，采集纹理接触时的多点、多维机械刺激数据，并对记录的数据进行实时处理、分析，界面操作良好。

三轴力传感器8为传感单元独立的阵列式传感器，通过输出电压信号，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机进行信号的采集处理，可同时多点测量x、y、z轴三个方向的接触力，测量精度为1.5％，量程为10N，分辨率为1/160N，共振频率为3000Hz，满足人体皮肤与织物接触时的精度及量程和频率的要求。所述阵列式触觉传感器，是指精度高、量程小的多轴力柔性传感器，能实现接触域内动态纹理刺激信息的多点实时、同步测量，满足人体皮肤与纺织品接触时的精度及量程和动态频率要求。

当模拟人体皮肤的触头与纺织品试样接触、滑动时，准确反映消费者选购纺织品时用指尖触摸织物表面感知其纹理触觉特性的模式，记录相应的多点动态刺激信息。试样移动速度选择为常速，该速度与人触摸评价纺织品手感时手指滑移速度约1cm/s一致，即相对来说，测试触头向右划过试样表面。此时，测试触头上的阵列式传感器可在接触域内多个位置点同时记录沿X、Y、Z轴向的三维力学信号，通过DAQ传递至PC机进行处理和分析。

Claims (1)

1.一种纹理触觉评价过程的模拟测量平台，其特征在于：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)。

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