趙 群，章 媛，胡吉永,b，丁 辛,b

(東華大學 a.紡織學院；b.紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620)

織物/指尖摩擦振動信號與織造工藝參數(shù)間的關系

趙 群a，章 媛a，胡吉永a,b，丁 辛a,b

(東華大學 a.紡織學院；b.紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620)

運用加速度傳感器測量織物/指尖接觸過程中產(chǎn)生的振動加速度信號，借助傅里葉頻譜變換提取振動信號特征指標，并計算振動特征指標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)的振動特征.研究發(fā)現(xiàn)，指尖觸摸織物時產(chǎn)生豐富的振動信號，該信號的基本譜特征能表征織物的設計參數(shù)及變化.結果表明，基于振動信號的觸覺再現(xiàn)技術可用于織物表面觸覺質感的虛擬再現(xiàn).

織物；指尖；工藝參數(shù)；振動；摩擦

隨著計算機技術的發(fā)展，觸覺反饋技術在不斷地完善及發(fā)展，它可以實現(xiàn)操作者與虛擬環(huán)境的實時交互，將虛擬環(huán)境中得到的信息以振動和力學信號的方式反饋給人體[1].在觸覺領域，觸覺與振動信號之間的關系已得到一些驗證.文獻[2]研究表明,相對于其他方式而言，當區(qū)分不同物體的表面特性時，基于振動信號合成刺激的觸覺反饋方式更有效.對于織物而言，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)生不同的振動信號[3].通過確定織物工藝參數(shù)和振動信號之間的關系，借助觸覺反饋裝置將特定的振動信號反饋給人體，可以使人體感受到觸摸該織物時所產(chǎn)生的觸覺質感.因此，探究觸摸產(chǎn)生的摩擦振動信號與織物工藝參數(shù)之間的關系，獲取能夠準確表征織物工藝參數(shù)的振動指標，對紡織品觸覺再現(xiàn)技術以及紡織品設計具有重大的意義.

文獻[4-5]通過對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，織物的手感更加細膩.文獻[6]對織物表面空間紋理周期、諧波波長、諧波最高峰值與粗糙感評定值做了相關性分析，結果表明，這些粗糙度指標較傳統(tǒng)的KES-F的表面粗糙度指標更接近人的觸覺判斷.以上研究多用硬質觸頭對織物表面粗糙感進行測量.文獻[7]研究表明硬質觸頭所測得的粗糙感，在本質上都是織物表面紋理作用于觸頭引起的振動信號.因此，選取振動信號在頻域內的峰值所對應的頻率以及振幅作為振動信號特征指標是可行的.

目前關于織物/皮膚接觸過程中產(chǎn)生的振動信號與織物工藝參數(shù)間關系的研究較少，尚未找到能準確表征織物工藝參數(shù)的振動特征指標.本文設計了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織物/皮膚接觸滑動過程中所產(chǎn)生的振動信號進行測量，并借助一些現(xiàn)有的分析方法進行信號分析，提取振動信號特征指標.不考慮織物后整理等因素，將振動特征指標排序值與織物工藝參數(shù)排序值進行一致性分析，從而得到能夠反映織物工藝參數(shù)的振動特征指標.

1 實驗設計

1.1 實驗材料

鑒于已有研究對象為隨機選取的常見機織物，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，本文選取織物設計中3個主要的工藝參數(shù)(緯密、緯紗線密度和織物組織結構)作為可變工藝參數(shù)，使其按一定規(guī)律變化，織制3組棉紡機織物作為實驗樣品，每組5塊.3組織物試樣及其基本結構參數(shù)如表1所示.其中，緯紗直徑的計算公式為

(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 織物試樣及基本結構參數(shù)Table 1 Basic construction specifications of fabric samples

1.2 實驗裝置

(1) 振動加速度測試模塊.本文所采用的振動加速度測試模塊包括NI 9234型動態(tài)信號采集模塊(分辨率為24位，動態(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測試數(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，傳感器可以同時測量手指在3個維度方向上的振動加速度情況，x軸方向為垂直于指尖的方向，y軸方向為觸摸方向，z軸方向為垂直于手背的方向.其中x和y軸方向的振動加速度能夠體現(xiàn)織物/皮膚接觸過程中切向的摩擦黏滑等現(xiàn)象，z軸方向振動加速度即法向振動能夠體現(xiàn)織物表面紋理的起伏.綜合考慮3個方向的振動加速度能夠更加全面地分析織物表面特性與振動信號之間的關系.

(2) 運動平臺.運動平臺可以控制運動軸以特定的速度運動，通過控制平臺的運動方向以及速度可以控制織物與皮膚的相對運動方式以及速度.本文借助運動平臺控制固定于平臺上的織物的運動，使手指相對于織物以恒定的速度沿y軸方向運動.

1.3 測試者

本次實驗測試者為男性在校學生，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

通過振動加速度測試模塊對織物/皮膚接觸滑動過程中沿3個方向的振動加速度信號進行測量和記錄.運動平臺在運動過程中也會產(chǎn)生振動信號，使實驗過程中所測得的振動信號存在噪聲，因此，需要對空載下運動平臺所產(chǎn)生的噪聲信號進行測量，并通過帶阻濾波去除實驗中的這些噪聲分量.

目前，通常使用位移、振動幅度等呈現(xiàn)表面刺激信號，運用Matlab軟件對振動加速度信號進行積分等處理，得到位移頻譜圖如圖1所示[8].設振動信號的離散數(shù)據(jù)為{x(k)}(k=0,1,2,…,N)，數(shù)值積分中取采樣時間步長Δt為積分步長，則梯形數(shù)值求積公式為

(2)

圖1 振動位移頻譜圖Fig.1 Vibration displacement spectrum

文獻[6]研究表明，傅里葉分解所得到的2～3個峰值能夠再現(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、次峰的振動幅度以及主、次峰所對應的頻率共12個指標.由于主峰頻率在x,y和z軸方向上相同，次峰頻率在3個方向上也相同，因此，除去重復的4個指標，得到8個振動特征指標，并按照測量值從大到小的順序分別對這8個振動指標進行排序.

將3組織物的工藝參數(shù)分別按照從大到小的順序進行排序.其中，第三組織物的工藝變化參數(shù)為組織結構，織物的組織結構或組織循環(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)代替組織結構變化.然后，對振動特征指標排序值和織物工藝參數(shù)排序值進行一致性分析，探討織物工藝參數(shù)與振動特征物理量的關系.

在進行一致性分析時，如果采用常用的相關系數(shù)，那么所求得的系數(shù)是兩個變量之間的線性相關性，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]對各個振動特征指標排序值與織物工藝參數(shù)排序值進行一致性分析.設一對樣本為(Yi1，Yi2)，i=1,2,…，n，則Lin一致性系數(shù)計算公式為

(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，則兩變量相對于斜率為正的某一直線的偏離程度較??；越接近-1，則兩變量相對于斜率為負的某一直線的偏離程度較小[9].

1.5 實驗步驟

測試實驗裝置如圖2所示.將織物平鋪于運動平臺上并用夾子固定，測試者右手食指固定于運動平臺上方的支架上，支架帶有的圓環(huán)用于手指的固定，調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動平臺上的織物，然后將加速度傳感器固定在受試者右手手指指甲上.經(jīng)測試得到測試者所習慣的觸摸速度為1.6cm/s，驅動運動平臺以1.6cm/s 的恒定速度滑過受試者指尖.借助振動加速度測試模塊測試并記錄織物/皮膚接觸過程中的三向振動加速度.

圖2 測試裝置示意圖Fig.2 Sketch of the measurement setup

將加速度傳感器置于運動平臺上，啟動運動平臺，對空載下平臺運動所產(chǎn)生的振動噪聲信號進行測量并去除.對振動加速度信號進行處理得到振動位移的頻譜圖，從頻譜圖中提取前述8個振動特征指標.

2 實驗結果與分析

織物工藝參數(shù)與振動特征指標排序值間的一致性分析結果如表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振動特征指標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)排序值與振動特征指標排序值間的一致性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系圖.

圖3 振幅(z)與緯密之間的關系圖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.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.從機織物的緯密定義和屈曲結構可知，相鄰緯紗間距凹槽寬度a(μm)可由式(4)計算得到.

(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數(shù)發(fā)生變化，從而改變接觸頻率，則頻率譜中有一個成分反映了緯紗線密度的變化.根據(jù)織物/皮膚的相對滑動速度(v)和第二組織物的緯紗直徑(d)，可計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)給出了二者的對照圖.由圖4(a)可知，能夠反映紗線線密度的頻率比理論值大，這是因為織物經(jīng)織造后，紗線間相互交織擠壓而扁平化.同時，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)了表面紋理結構中的細部特征.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個振動指標之間的關系圖，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，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，由于實驗中觸摸速度不變，由位移與頻率之間的關系可知，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，單位面積內經(jīng)緯紗交織點增多，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，接觸面積與波動位移呈負相關.因此，隨著緯紗線密度的減小，x和y軸方向的振動幅度呈減小的趨勢.

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

對第三組織物而言，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)與振動指標之間的關系圖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，織物表面浮線長度增大，且單位面積內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，在測試過程中，指尖沿織物經(jīng)向滑過，如圖6中箭頭所示.文獻[10]研究表明，隨著織物表面浮線長度和單位面積內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 語

本文圍繞織物/指尖接觸摩擦產(chǎn)生的振動位移頻譜圖能否反映織物基本設計參數(shù)的問題，對提取的振動特征指標與織物設計工藝參數(shù)值進行了一致性分析，結果表明各工藝參數(shù)可由不同的振動特征指標表征.

織物/指尖接觸摩擦產(chǎn)生的振動在z向(即法向)的主峰和次峰振動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向的振動幅度有逐漸減小的趨勢.

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

對于織物組織結構而言，主峰在x和y軸方向(即切向)的振動幅度能夠表征織物組織結構的變化，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感的3個主要工藝設計參數(shù).研究結果表明，以基本振動譜特征合成振動信息可作為再現(xiàn)織物虛擬紋理觸覺質感的刺激量.當然，基于振動頻率和振動幅值再現(xiàn)不同織物的虛擬觸覺質感，還需對振動特征指標的心理物理辨別閾值進行深入研究.

[1] GALEANO D.Artificial and atural force constraints in haptic-aided path planning[J].IEEE International Workshop on Haptic Audio Visual Environments and Their Applications,2005,10(1):45-50.

[2] JIVKO S,STUDENT M.Vibrotactile recognition and categorization of surfaces by a humanoid robot[J].IEEE Transactions on Robotics,2011,27(3):488-497.

[3] RAMONA F,FRANCESCO M,ERIC C,et al.Contact of a finger on rigid surfaces and textiles:Friction coefficient and induced vibrations [J].Tribol Lett,2012,48(2):145-158.

[4] BUENO M A,LAMY B,RENNER M,et al.Tribological investigation of textile fabrics [J].Wear,1996,195(1):192-200.

[5] BUENO M A,RENNER M.Comparison of a new tribological method for the evaluation of the state of a fabric surface with the KES-F surface tester [J].Journal of the Textile Institute,2001,92(3):299-314.

[6] HU Y J,HU J Y,ZHAO Q,et al.Relationship between tactual roughness judgment and surface morphology of fabric by fingertip touching method[J].Fibers and Polymers,2013,14(6):1024-1031.

[7] BERTRAM U.Roughness perception in virtual textures[J].IEEE Transactions on Haptics,2011,4(2):122-133.

[8] 王濟,胡曉.Matlab在振動信號處理中的應用[M].北京:中國水利水電出版社,2006:69-72.

[9] LIN L I.A note on the concordance correlation coefficient[J].Biometrics,2000,15(2):324-325.

[10] KOC I M,AKSU C.Tactile sensing of constructional differences in fabrics with a polymeric fingertip[J].Tribol Int,2012,59:339-349.

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

國家自然科學基金資助項目(51175076)；上海市自然科學基金資助項目(12ZR1400500)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目

趙 群(1989—)，女，山東聊城人，碩士研究生，研究方向為織物觸覺質感的表征與再現(xiàn)技術.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