织物/指尖摩擦振动信号与织造工艺参数间的关系

赵 群，章 媛，胡吉永,b，丁 辛,b

(东华大学 a.纺织学院；b.纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620)

织物/指尖摩擦振动信号与织造工艺参数间的关系

赵 群a，章 媛a，胡吉永a,b，丁 辛a,b

(东华大学 a.纺织学院；b.纺织面料技术教育部重点实验室，上海 201620)

运用加速度传感器测量织物/指尖接触过程中产生的振动加速度信号，借助傅里叶频谱变换提取振动信号特征指标，并计算振动特征指标与织物主要工艺参数之间的Lin一致性系数，找到能够表征织物工艺参数的振动特征.研究发现，指尖触摸织物时产生丰富的振动信号，该信号的基本谱特征能表征织物的设计参数及变化.结果表明，基于振动信号的触觉再现技术可用于织物表面触觉质感的虚拟再现.

织物；指尖；工艺参数；振动；摩擦

随着计算机技术的发展，触觉反馈技术在不断地完善及发展，它可以实现操作者与虚拟环境的实时交互，将虚拟环境中得到的信息以振动和力学信号的方式反馈给人体[1].在触觉领域，触觉与振动信号之间的关系已得到一些验证.文献[2]研究表明,相对于其他方式而言，当区分不同物体的表面特性时，基于振动信号合成刺激的触觉反馈方式更有效.对于织物而言，不同的工艺参数使其具有不同的表面纹理触觉特征.在织物/皮肤相互接触滑动过程中，不同工艺参数的织物与皮肤相互作用产生不同的振动信号[3].通过确定织物工艺参数和振动信号之间的关系，借助触觉反馈装置将特定的振动信号反馈给人体，可以使人体感受到触摸该织物时所产生的触觉质感.因此，探究触摸产生的摩擦振动信号与织物工艺参数之间的关系，获取能够准确表征织物工艺参数的振动指标，对纺织品触觉再现技术以及纺织品设计具有重大的意义.

文献[4-5]通过对比后整理前后织物表面形貌的频谱图发现，频谱图中谐波最高峰的峰值在经过后整理后有所下降，织物的手感更加细腻.文献[6]对织物表面空间纹理周期、谐波波长、谐波最高峰值与粗糙感评定值做了相关性分析，结果表明，这些粗糙度指标较传统的KES-F的表面粗糙度指标更接近人的触觉判断.以上研究多用硬质触头对织物表面粗糙感进行测量.文献[7]研究表明硬质触头所测得的粗糙感，在本质上都是织物表面纹理作用于触头引起的振动信号.因此，选取振动信号在频域内的峰值所对应的频率以及振幅作为振动信号特征指标是可行的.

目前关于织物/皮肤接触过程中产生的振动信号与织物工艺参数间关系的研究较少，尚未找到能准确表征织物工艺参数的振动特征指标.本文设计了3组工艺参数分别按一定规律变化的织物，借助加速度传感器对织物/皮肤接触滑动过程中所产生的振动信号进行测量，并借助一些现有的分析方法进行信号分析，提取振动信号特征指标.不考虑织物后整理等因素，将振动特征指标排序值与织物工艺参数排序值进行一致性分析，从而得到能够反映织物工艺参数的振动特征指标.

1 实验设计

1.1 实验材料

鉴于已有研究对象为随机选取的常见机织物，且织物工艺参数变化无规律，不能避免参数之间的相互影响.因此，本文选取织物设计中3个主要的工艺参数(纬密、纬纱线密度和织物组织结构)作为可变工艺参数，使其按一定规律变化，织制3组棉纺机织物作为实验样品，每组5块.3组织物试样及其基本结构参数如表1所示.其中，纬纱直径的计算公式为

(1)

式中：d为纬纱直径，mm；Nt为纬纱线密度，tex；δy为纬纱纱线密度(棉纱的纱线密度为0.8g/cm3).

表1 织物试样及基本结构参数Table 1 Basic construction specifications of fabric samples

1.2 实验装置

(1) 振动加速度测试模块.本文所采用的振动加速度测试模块包括NI 9234型动态信号采集模块(分辨率为24位，动态范围为102 dB，采样频率为25600Hz)和356A01型加速度传感器(灵敏度为10mV/g，测量范围为±4900m/s2，频率范围为0.5～10000Hz)，该加速度传感器可以提供高精度的振动测试数据.将加速度传感器黏附于人的食指指甲上，随着手指在触摸过程中的振动，传感器可以同时测量手指在3个维度方向上的振动加速度情况，x轴方向为垂直于指尖的方向，y轴方向为触摸方向，z轴方向为垂直于手背的方向.其中x和y轴方向的振动加速度能够体现织物/皮肤接触过程中切向的摩擦黏滑等现象，z轴方向振动加速度即法向振动能够体现织物表面纹理的起伏.综合考虑3个方向的振动加速度能够更加全面地分析织物表面特性与振动信号之间的关系.

(2) 运动平台.运动平台可以控制运动轴以特定的速度运动，通过控制平台的运动方向以及速度可以控制织物与皮肤的相对运动方式以及速度.本文借助运动平台控制固定于平台上的织物的运动，使手指相对于织物以恒定的速度沿y轴方向运动.

1.3 测试者

本次实验测试者为男性在校学生，年龄为27岁，且为右利手，右手手指指纹无瑕疵.

1.4 研究方法

通过振动加速度测试模块对织物/皮肤接触滑动过程中沿3个方向的振动加速度信号进行测量和记录.运动平台在运动过程中也会产生振动信号，使实验过程中所测得的振动信号存在噪声，因此，需要对空载下运动平台所产生的噪声信号进行测量，并通过带阻滤波去除实验中的这些噪声分量.

目前，通常使用位移、振动幅度等呈现表面刺激信号，运用Matlab软件对振动加速度信号进行积分等处理，得到位移频谱图如图1所示[8].设振动信号的离散数据为{x(k)}(k=0,1,2,…,N)，数值积分中取采样时间步长Δt为积分步长，则梯形数值求积公式为

(2)

图1 振动位移频谱图Fig.1 Vibration displacement spectrum

文献[6]研究表明，傅里叶分解所得到的2～3个峰值能够再现纹理粗糙感，因此，在频谱图中分别提取x,y和z轴方向主、次峰的振动幅度以及主、次峰所对应的频率共12个指标.由于主峰频率在x,y和z轴方向上相同，次峰频率在3个方向上也相同，因此，除去重复的4个指标，得到8个振动特征指标，并按照测量值从大到小的顺序分别对这8个振动指标进行排序.

将3组织物的工艺参数分别按照从大到小的顺序进行排序.其中，第三组织物的工艺变化参数为组织结构，织物的组织结构或组织循环的大小是由组织纱线循环数来决定的，因此，为了量化该工艺参数，这里以组织循环纱线数代替组织结构变化.然后，对振动特征指标排序值和织物工艺参数排序值进行一致性分析，探讨织物工艺参数与振动特征物理量的关系.

在进行一致性分析时，如果采用常用的相关系数，那么所求得的系数是两个变量之间的线性相关性，而忽略了拟合直线与y=x的偏离，这里使用Lin一致性系数(Rc)[9]对各个振动特征指标排序值与织物工艺参数排序值进行一致性分析.设一对样本为(Yi1，Yi2)，i=1,2,…，n，则Lin一致性系数计算公式为

(3)

式中：σ1为Yi1的方差；σ2为Yi2的方差；σ12为Yi1与Yi2的方差；μ1为Yi1的均值；μ2为Yi2的均值.

Lin一致性系数越接近±1，说明两变量之间一致性程度越高.一致性系数越接近+1，则两变量相对于斜率为正的某一直线的偏离程度较小；越接近-1，则两变量相对于斜率为负的某一直线的偏离程度较小[9].

1.5 实验步骤

测试实验装置如图2所示.将织物平铺于运动平台上并用夹子固定，测试者右手食指固定于运动平台上方的支架上，支架带有的圆环用于手指的固定，调整支架高度使受试者右手食指指尖恰好能触摸到平铺于运动平台上的织物，然后将加速度传感器固定在受试者右手手指指甲上.经测试得到测试者所习惯的触摸速度为1.6cm/s，驱动运动平台以1.6cm/s 的恒定速度滑过受试者指尖.借助振动加速度测试模块测试并记录织物/皮肤接触过程中的三向振动加速度.

图2 测试装置示意图Fig.2 Sketch of the measurement setup

将加速度传感器置于运动平台上，启动运动平台，对空载下平台运动所产生的振动噪声信号进行测量并去除.对振动加速度信号进行处理得到振动位移的频谱图，从频谱图中提取前述8个振动特征指标.

2 实验结果与分析

织物工艺参数与振动特征指标排序值间的一致性分析结果如表2所示.由表2的一致性系数可知，织物纬密排序值与各个振动特征指标排序值间的一致性不同.其中，主、次峰在z轴方向的振幅排序值与织物纬密排序值间的一致性都较高，说明在其他织造工艺参数不变的情况下，该方向的振动幅度能体现织物纬密的变化.

表2 织物工艺参数排序值与振动特征指标排序值间的一致性Table 2 Consistency between weaving technological parameters sort values and vibration indexes sort values

图3为第一组织物在z轴方向的振幅与纬密之间的关系图.

图3 振幅(z)与纬密之间的关系图Fig.3 Relationship between vibration amplitude(z)and yarn densities along weft direction

由图3可知，随着纬密的增加，z轴方向的振幅基本呈逐渐减小的趋势.z轴方向振幅的变化与织物纬密增加引起的相邻纬纱间距变化有关.从机织物的纬密定义和屈曲结构可知，相邻纬纱间距凹槽宽度a(μm)可由式(4)计算得到.

(4)

式中：p为纬密(根/10cm)；d为纬纱直径(μm).随着织物纬密的增大，纱线间凹槽宽度a逐渐减小.经计算第二组织物纱线间凹槽宽度的变化范围为353～890μm，而人的指纹宽度为450～670μm.因此，随着第二组织物纬密的增大，相邻纱间距逐渐减小，使织物与指尖接触过程中，手指的指纹无法陷入纱线间凹槽，导致手指沿z轴方向的有效振幅逐渐减小.

由表2可知，织物纬纱线密度排序值与主峰或次峰z轴方向振幅间一致性都较低，且纬纱线密度排序值与次峰频率排序值间的一致性非常低.这说明次峰频率的变化几乎不包含纬纱线密度的增减信息.纬纱线密变化引起单位面积的织物交织点数发生变化，从而改变接触频率，则频率谱中有一个成分反映了纬纱线密度的变化.根据织物/皮肤的相对滑动速度(v)和第二组织物的纬纱直径(d)，可计算出频谱图中能够反映纬纱线密度特征的理论频率f.由f=2v/d得，第二组织物反映纬纱线密的理论频率f分别为26，29，31，33，38Hz，第二组织物的主峰频率范围为30～50Hz，图4(a)给出了二者的对照图.由图4(a)可知，能够反映纱线线密度的频率比理论值大，这是因为织物经织造后，纱线间相互交织挤压而扁平化.同时，第二组织物的次峰频率范围为70～90Hz，因此，次峰频率不能反映织物的纬纱线密度特征，可能体现了表面纹理结构中的细部特征.但是，从表2还可以看出，除了主峰频率，主、次峰分别在x和y轴方向振幅的排序值与纬纱线密度排序值间的一致性都较高.图4(b)～4(d)分别为纬纱线密度与这5个振动指标之间的关系图，可以看出，随着纬纱线密度的减小，主峰频率基本呈逐渐增大的趋势，而主、次峰在x和y轴方向的振幅则逐渐减小.并且，织物纬纱线密度减小使织物表面纹理空间周期减小，由于实验中触摸速度不变，由位移与频率之间的关系可知，频谱峰所在频率逐渐增大.本文所提取的x和y轴方向的振动幅度能够反映织物/皮肤接触过程中的摩擦黏滑现象，随着织物纬纱线密度的减小，单位面积内经纬纱交织点增多，织物与皮肤的接触面积增大.根据摩擦黏滑行为研究可知，接触面积与波动位移呈负相关.因此，随着纬纱线密度的减小，x和y轴方向的振动幅度呈减小的趋势.

图4 第二组织物的织造参数与振动特征间的关系Fig.4 Relationship between weaving parameters and vibration features of the second group fabrics

对第三组织物而言，由表2可知，织物组织循环纱线根数与x和y轴方向的主峰振幅间一致性系数最高.图5为组织循环纱线数与主峰x和y方向振幅之间的关系图.由图5可知，随着组织循环纱线根数的增加，主峰沿x和y轴方向的振幅逐渐减小.

图5 组织循环纱线数与振动指标之间的关系图Fig.5 Relationship between the number of yarns for single texture pattern and vibration features

织物组织循环纱线数增加，织物表面浮线长度增大，且单位面积内浮线所占的比例增大.第三组5块织物试样放大图如图6所示，在测试过程中，指尖沿织物经向滑过，如图6中箭头所示.文献[10]研究表明，随着织物表面浮线长度和单位面积内浮线所占比例的增大，织物表面摩擦因数逐渐减小.如前文所述，x和y轴方向的振动幅度能够反映织物/指尖接触过程中的摩擦黏滑现象，随着组织循环纱线数的增加，这两个方向的振幅逐渐减小.

图6 第三组织物样品的放大图(×20)Fig.6 Enlarged view of fabrics in the third group

3 结 语

本文围绕织物/指尖接触摩擦产生的振动位移频谱图能否反映织物基本设计参数的问题，对提取的振动特征指标与织物设计工艺参数值进行了一致性分析，结果表明各工艺参数可由不同的振动特征指标表征.

织物/指尖接触摩擦产生的振动在z向(即法向)的主峰和次峰振动幅度都能表征织物纬纱密度及其变化，随着织物纬密的增加，主峰在z向的振动幅度有逐渐减小的趋势.

主、次峰的切向振动幅度及主峰频率都能够表征织物的纬纱线密度及其变化，变化趋势取决于纬纱线密度与指尖指纹的宽度间的相对比.

对于织物组织结构而言，主峰在x和y轴方向(即切向)的振动幅度能够表征织物组织结构的变化，组织循环纱线数越大，切向的振幅越小.

总之，织物/指尖接触摩擦产生丰富的振动位移频谱，它们的基本谱特征能够体现决定织物纹理触觉质感的3个主要工艺设计参数.研究结果表明，以基本振动谱特征合成振动信息可作为再现织物虚拟纹理触觉质感的刺激量.当然，基于振动频率和振动幅值再现不同织物的虚拟触觉质感，还需对振动特征指标的心理物理辨别阈值进行深入研究.

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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

国家自然科学基金资助项目(51175076)；上海市自然科学基金资助项目(12ZR1400500)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目

赵 群(1989—)，女，山东聊城人，硕士研究生，研究方向为织物触觉质感的表征与再现技术.E-mail:2110050@mail.dhu.edu.cn胡吉永(联系人)，男，讲师，E-mail:hujy@dhu.edu.cn

TS 107.3

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