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一種材料表面質(zhì)地的模擬觸覺(jué)評(píng)價(jià)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種材料表面質(zhì)地的模擬觸覺(jué)評(píng)價(jià)方法，其特征在于，步驟為：搭建模擬測(cè)量平臺(tái)；使紡織試樣懸空產(chǎn)生變形；使得仿生皮膚與紡織試樣之間產(chǎn)生受控的多向、多點(diǎn)接觸運(yùn)動(dòng)；模擬不同觸摸速度、不同平均觸摸力下的接觸摩擦狀況；模擬觸覺(jué)傳感的信號(hào)計(jì)算。本發(fā)明能逼真模擬人體手指觸摸織物時(shí)獲取其表面質(zhì)地信息的過(guò)程；逼真模擬人體皮膚與織物間的真實(shí)接觸摩擦過(guò)程；從人體觸覺(jué)傳感機(jī)制來(lái)分析測(cè)試得到的力、振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)不同觸覺(jué)感受器對(duì)不同刺激的敏感程度，來(lái)找到其對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)了模擬人體對(duì)織物表面質(zhì)地的觸覺(jué)量化與評(píng)估。
【專利說(shuō)明】一種材料表面質(zhì)地的模擬觸覺(jué)評(píng)價(jià)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種材料表面觸覺(jué)質(zhì)感的模擬評(píng)價(jià)方法，屬于紡織測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是紡織面料的表面觸覺(jué)質(zhì)感表征與評(píng)估領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]觸感是人們?cè)u(píng)價(jià)消費(fèi)品質(zhì)地的一個(gè)重要因素。以汽車為例，座椅、方向盤和儀表盤等內(nèi)飾，都是由布、皮、塑料等不同材料制成的，其質(zhì)地直接影響汽車本身的價(jià)值。由于用戶在車廂內(nèi)對(duì)內(nèi)飾優(yōu)質(zhì)和舒適的要求，內(nèi)飾質(zhì)地的提高是發(fā)展中最重要的問(wèn)題之一。因此，此類消費(fèi)品的發(fā)展需要一種觸感客觀評(píng)估方法。與此同時(shí)，相似的觸感可以用很多詞語(yǔ)來(lái)表達(dá)，也就意味著我們可以區(qū)分細(xì)微差別的紋理質(zhì)地。再者，評(píng)估的結(jié)果受到溫度、濕度等環(huán)境因素和個(gè)人的影響?；谶@些原因，始終不能建立材料表面觸覺(jué)質(zhì)感評(píng)估方法的標(biāo)準(zhǔn)，而量化觸覺(jué)質(zhì)感也一直是致力于研究的重要課題。
[0003]織物手感風(fēng)格的評(píng)價(jià)方法有主觀和客觀之分。主觀方法無(wú)法排除任意性,且難以定量描述，因此常采用客觀方法，尤以日本學(xué)者發(fā)明的KES織物風(fēng)格測(cè)試評(píng)價(jià)系統(tǒng)公認(rèn)度最高，但測(cè)試設(shè)備昂貴、評(píng)價(jià)指標(biāo)多樣且主要適用日本地區(qū)。因此，對(duì)于織物觸覺(jué)質(zhì)感的評(píng)估方法的探究一直在延續(xù)。中國(guó)專利(公開(kāi)專利號(hào)CN102354368B —種用于織物感官性能評(píng)價(jià)的模式識(shí)別體系)，發(fā)明了一種用于織物感官性能評(píng)價(jià)的模式識(shí)別體系和方法，能夠測(cè)得褶皺恢復(fù)能力和懸垂性等性能，雖然面料在通過(guò)噴嘴時(shí)經(jīng)歷的復(fù)雜低應(yīng)力變形過(guò)程，與用手掌對(duì)面料進(jìn)行手感評(píng)價(jià)時(shí)的變形過(guò)程一致，但仍然跟人體皮膚與面料表面直接接觸過(guò)程中的相互作用存在不同，并不能完全代表人體對(duì)面料的觸感，無(wú)法區(qū)分細(xì)微差別的觸感，且獲得的指標(biāo)也不能解決消費(fèi)者對(duì)于質(zhì)地的需求。中國(guó)專利(公開(kāi)專利號(hào)CN101725026A一種機(jī)織物柔軟性等級(jí)的客觀評(píng)價(jià)方法)，借助機(jī)織物物理性能的測(cè)試結(jié)果，通過(guò)公式計(jì)算具體數(shù)值，依據(jù)數(shù)值進(jìn)行機(jī)織物柔軟性等級(jí)的客觀評(píng)價(jià)，該發(fā)明雖然定量了柔軟感，但是完全割離了人體感受，無(wú)法代表消費(fèi)者的觸覺(jué)感受。中國(guó)專利(公開(kāi)專利號(hào)CN101398356A —種皮革柔軟性模糊評(píng)價(jià)方法)，采用不同載荷下的頂伸高度來(lái)評(píng)價(jià)皮革的柔軟性，對(duì)其進(jìn)行分等，相同載荷下，變形越大，則皮革柔軟性越好，該方法同樣是為了消除主觀評(píng)價(jià)的不確定性，但是這樣一來(lái)就忽略了人體的感覺(jué)系統(tǒng)特征，仍然無(wú)法表征人體對(duì)物體的柔軟感覺(jué)。
[0004]也有不少發(fā)明涉及到模擬人體皮膚與織物間接觸作用的測(cè)試裝置與方法。中國(guó)專利(公開(kāi)專利號(hào)CN102590077A —種皮膚紡織品生物摩擦動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置)，發(fā)明了一種皮膚紡織品生物摩擦動(dòng)態(tài)測(cè)量裝置，既可實(shí)時(shí)測(cè)試接觸滑動(dòng)過(guò)程中的摩擦力、壓力、力矩作用，又能真實(shí)反映皮膚與織物間在不同滑動(dòng)速度、不同初始?jí)毫ο碌亩嘞蚪佑|摩擦運(yùn)動(dòng)過(guò)程，該裝置只能測(cè)得力信號(hào)，而無(wú)法測(cè)得接觸過(guò)程中的振動(dòng)信號(hào)，且不涉及觸覺(jué)質(zhì)感評(píng)價(jià)方法。中國(guó)專利(公開(kāi)專利號(hào)CN202885804U—種紋理觸覺(jué)評(píng)價(jià)過(guò)程的模擬測(cè)量平臺(tái))，發(fā)明了一種紋理觸覺(jué)評(píng)價(jià)過(guò)程的模擬測(cè)量平臺(tái)，可以同時(shí)測(cè)量及分析在不同運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方式下的多向摩擦力、壓力變化，該發(fā)明提供了一種可模擬皮膚與織物等紋理表面間的接觸、摩擦過(guò)程的測(cè)試裝置，但并未涉及具體的模擬觸覺(jué)信號(hào)分析方法。中國(guó)專利(公開(kāi)專利號(hào)CN102967290A 一種紋理觸覺(jué)評(píng)價(jià)過(guò)程的模擬測(cè)量方法)，該發(fā)明能夠逼真模擬皮膚與織物間的接觸、摩擦作用過(guò)程，并提取紋理刺激特征物理量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)觸覺(jué)質(zhì)感的表征，但并不能夠?qū)ζ鋵?shí)現(xiàn)評(píng)估。
[0005]人們通常以觸摸物體的方式來(lái)獲得觸感。在觸摸過(guò)程中，人體通過(guò)體內(nèi)的觸覺(jué)感受器得到的動(dòng)覺(jué)和觸覺(jué)信息來(lái)感知物體的質(zhì)地。眾所周知，“主動(dòng)觸摸”或者“撫摸表面”是感知表面粗糙或者滑溜的合適方式，而剛度和熱感的獲得需采取“被動(dòng)觸摸”或者“只是按壓物體”。特別地，主動(dòng)觸摸被認(rèn)為是探測(cè)表面微小粗糙的有效方式。在人類的無(wú)毛皮膚如手掌和手指處，存在四種觸覺(jué)感受器:FA I (麥斯納氏小體)、SA K默克爾式小盤)、FAII (潘申尼小體)和SAII (魯菲尼氏小體)。感知物理量與感受器探測(cè)振動(dòng)共享頻段，因此人體通過(guò)分析和整合由感受器得到的信息來(lái)獲取觸覺(jué)。
[0006]為了模擬人體觸覺(jué)，已經(jīng)出現(xiàn)了測(cè)量物體表面粗糙或者紋理質(zhì)地的一批傳感器。Kato tech Ltd.開(kāi)發(fā)了一種將手掌感覺(jué)數(shù)字化的測(cè)量?jī)x，可以模仿輕撫、拉伸、折疊以及推擠等接觸動(dòng)作來(lái)測(cè)得物體的物理特性。但是，該裝置一次只能測(cè)得物體的一項(xiàng)物理性質(zhì)，對(duì)于評(píng)估復(fù)雜的由多因素導(dǎo)致的觸感還是相當(dāng)困難。其他還有用應(yīng)變計(jì)和PVDF薄膜制成的傳感器。Mukaibou等人開(kāi)發(fā)了一種模擬人體手指組織結(jié)構(gòu)和感知機(jī)制的紋理傳感器，擁有骨骼和指甲，兩層組織結(jié)構(gòu)以及偽指紋表皮。組織結(jié)構(gòu)內(nèi)含5只硅膠應(yīng)變計(jì)，具有與麥斯納氏小體相似的功能。此外，在傳感器底部安裝了兩只雙葉彈簧，來(lái)測(cè)量實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的法向力和切向力。該傳感器能夠鑒別粗糙、柔軟和摩擦方面的差異，也可通過(guò)數(shù)據(jù)分析估計(jì)物體表面紋理。但是相關(guān)實(shí)驗(yàn)只能針對(duì)紋理質(zhì)地完全不同的物體。PVDF薄膜傳感器還可以用在閱讀盲文、監(jiān)測(cè)皮膚狀況、衡量頭發(fā)手感等方面。PVDF薄膜是一種高分子壓電材料，其特性與潘申尼小體類似。該傳感器系統(tǒng)聲稱可以用模擬頭發(fā)表面的仿板評(píng)估頭發(fā)在干/濕狀態(tài)下的觸摸手感。
[0007]很多已開(kāi)發(fā)的傳感器，包括上述提到的，都只能測(cè)量表面粗糙度。盡管觸覺(jué)信息由多因素構(gòu)成，但是它們都只能測(cè)得影響觸覺(jué)的其中一個(gè)因素。也就是說(shuō)，還沒(méi)有方法能夠通過(guò)測(cè)量得出手感的細(xì)微區(qū)別。因此，要想建立觸覺(jué)質(zhì)感評(píng)價(jià)方法標(biāo)準(zhǔn)，必須提出一種模擬主動(dòng)觸摸過(guò)程的新型模擬觸覺(jué)評(píng)價(jià)方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的提供一種材料表面質(zhì)地的模擬觸覺(jué)評(píng)價(jià)方法。
[0009]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供了一種材料表面質(zhì)地的模擬觸覺(jué)評(píng)價(jià)方法，其特征在于，步驟為:
[0010]第一步、搭建模擬測(cè)量平臺(tái)，該模擬測(cè)量平臺(tái)包括底座，立柱設(shè)于底座上，在底座的表面設(shè)有沿左右移動(dòng)的X軸滑槽導(dǎo)軌或沿前后移動(dòng)的Y軸滑槽導(dǎo)軌，在X軸滑槽導(dǎo)軌及Y軸滑槽導(dǎo)軌內(nèi)分別設(shè)有由X軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)的X軸滑塊絲桿組件及由Y軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)的Y軸滑塊絲桿組件；當(dāng)?shù)鬃谋砻嬖O(shè)有X軸滑槽導(dǎo)軌時(shí)，Y軸滑槽導(dǎo)軌固定在X軸滑塊絲桿組件的X軸滑塊上；當(dāng)?shù)鬃谋砻嬖O(shè)有Y軸滑槽導(dǎo)軌時(shí)，X軸滑槽導(dǎo)軌固定在Y軸滑塊絲桿組件的Y軸滑塊上；用于固定紡織品試樣的試樣固定機(jī)構(gòu)固定在Y軸滑塊或X軸滑塊上，在試樣固定機(jī)構(gòu)的上方設(shè)有固定在立柱上的Z軸滑槽導(dǎo)軌，在Z軸滑槽導(dǎo)軌內(nèi)設(shè)有由Z軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)的Z軸滑塊絲桿組件，Z向面板固定在Z軸滑塊絲桿組件的Z軸滑塊上，在Z向面板上設(shè)有微調(diào)兼過(guò)載保護(hù)結(jié)構(gòu)；
[0011]試樣固定機(jī)構(gòu)包括固定在Y軸滑塊或X軸滑塊上的X-Y平面面板，在X-Y平面面板的兩側(cè)各有一塊Y-Z矩形立板，在一側(cè)的Y-Z矩形立板上方開(kāi)兩個(gè)螺紋孔，使其上方的圓柱形桿通過(guò)螺母與Y-Z矩形立板結(jié)合，形成握持紡織品試樣的夾具，將紡織品試樣夾持，另一側(cè)Y-Z矩形立板高度略低，在其截面中間處開(kāi)有圓柱形槽口，三軸力傳感器置于該圓柱形槽口內(nèi)，三軸力傳感器的上方放置用于固定紡織品試樣另一邊的輕質(zhì)夾具，兩邊的夾具共同將紡織品試樣進(jìn)行固定；
[0012]微調(diào)兼過(guò)載保護(hù)結(jié)構(gòu)包括與Z向面板連接固定的連接塊，音圈電機(jī)的一端連接連接塊，在其另一端上設(shè)有加速傳感器，在加速傳感器的下端配置仿生皮膚；[0013]遠(yuǎn)端的PC數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過(guò)多軸運(yùn)動(dòng)控制器控制X軸電機(jī)、Y軸電機(jī)、Z軸電機(jī)及音圈電機(jī)的動(dòng)作，控制系統(tǒng)還連接三軸力傳感器及加速傳感器；
[0014]第二步、將所測(cè)紡織試樣以一定張力固定在試樣固定機(jī)構(gòu)上，使紡織試樣懸空，以便在接觸過(guò)程中容易產(chǎn)生變形；
[0015]第三步、通過(guò)Z向面板的上下運(yùn)動(dòng)使得仿生皮膚接觸紡織試樣，再結(jié)合音圈電機(jī)對(duì)仿生皮膚上下位置的微調(diào)使得仿生皮膚對(duì)紡織試樣的接觸強(qiáng)度達(dá)到初始值；
[0016]第四步、試樣固定機(jī)構(gòu)在X軸電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行左右方向的往復(fù)式單線運(yùn)動(dòng)，或同時(shí)在X軸電機(jī)及Y軸電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下沿曲線軌跡運(yùn)動(dòng)，仿生皮膚上與紡織試樣之間形成往復(fù)式接觸或曲線式接觸，使得仿生皮膚與紡織試樣之間產(chǎn)生受控的多向、多點(diǎn)接觸運(yùn)動(dòng)，以便加速傳感器和三軸力傳感器同步檢測(cè)出多點(diǎn)接觸摩擦信息；
[0017]第五步:模擬不同觸摸速度、不同平均觸摸力下的接觸摩擦狀況，通過(guò)Z向面板及音圈電機(jī)重新設(shè)定仿生皮膚對(duì)紡織試樣的接觸強(qiáng)度，和/或重新設(shè)定試樣固定機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度，重新返回第四步執(zhí)行，直到檢測(cè)完所有需要測(cè)試的數(shù)據(jù)；
[0018]第六步:模擬觸覺(jué)傳感的信號(hào)計(jì)算，借助加速傳感器和三軸力傳感器同時(shí)測(cè)得的接觸摩擦作用力曲線和振動(dòng)曲線，先對(duì)力曲線和振動(dòng)曲線進(jìn)行時(shí)域以及頻域分析，然后基于觸覺(jué)系統(tǒng)感知信號(hào)的過(guò)程提取表征表面觸覺(jué)質(zhì)地信息的特征物理量，從而實(shí)現(xiàn)表面質(zhì)地的模擬觸覺(jué)評(píng)價(jià)。
[0019]優(yōu)選地，在所述第四步中，當(dāng)所述試樣固定機(jī)構(gòu)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，所述X軸電機(jī)與所述Y軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速相同或不相同，實(shí)現(xiàn)圓周或任意曲線運(yùn)動(dòng)軌跡。
[0020]優(yōu)選地，在第六步中，所述從接觸摩擦力曲線和振動(dòng)曲線中提取觸覺(jué)信號(hào)的具體步驟如下:
[0021]步驟6.1、對(duì)測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，得到其包含的頻率分量，并得到相應(yīng)的頻譜圖、能譜圖以及功率譜圖；
[0022]步驟6.2、近似估算每一頻段的振動(dòng)刺激閾值，得到近似閾值曲線，其中，每一段頻率下的振動(dòng)刺激閾值可根據(jù)方程線性變化；
[0023]步驟6.3、得到麥斯納氏小體、默克爾式小盤及潘申尼小體的振動(dòng)刺激值，上述三個(gè)觸覺(jué)感受器中任意第r個(gè)觸覺(jué)感受器的振動(dòng)刺激值為仁，
[0024]Ir，其中，4和fl分別為第r個(gè)觸覺(jué)感受器能感受刺激的頻率最高值和頻率最低值，Pi為功率譜圖中第i個(gè)頻率所對(duì)應(yīng)的功率值，Li為近似閾值曲線中第i個(gè)頻率所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)刺激閾值；
[0025]步驟6.4、將計(jì)算得到的振動(dòng)刺激值與從感官評(píng)價(jià)中提取的觸覺(jué)因素進(jìn)行對(duì)比，該觸覺(jué)因素至少包括柔軟感及粗糙感，計(jì)算出振動(dòng)刺激值與觸覺(jué)因素之間的相關(guān)性，基于此，用最小二乘法估計(jì)感官評(píng)價(jià)指標(biāo)，該感官評(píng)價(jià)指標(biāo)至少包括柔軟指標(biāo)與粗糙指標(biāo)。
[0026]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:(1)將織物試樣懸垂固定，使其在受力情況下易于產(chǎn)生變形，逼真模擬人體手指觸摸織物時(shí)獲取其表面質(zhì)地信息的過(guò)程；(II)通過(guò)仿生觸頭，逼真模擬人體皮膚與織物間的真實(shí)接觸摩擦過(guò)程，測(cè)得動(dòng)態(tài)的、豐富的多尺度接觸振動(dòng)信號(hào)，而不是單純的幾何紋理特征信息，為評(píng)估不同織物表面刺激人體產(chǎn)生的觸覺(jué)質(zhì)感提供了可能；(III)從人體觸覺(jué)傳感機(jī)制來(lái)分析測(cè)試得到的力、振動(dòng)信號(hào)，通過(guò)不同觸覺(jué)感受器對(duì)不同刺激的敏感程度，來(lái)找到其對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)了模擬人體對(duì)織物表面質(zhì)地的觸覺(jué)量化與評(píng)估。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1為由觸覺(jué)感受器定義的振動(dòng)刺激值示例；
[0028]圖2為模擬測(cè)量平臺(tái)的總體示意圖；
[0029]圖3為試樣固定機(jī)構(gòu)示意圖；
[0030]圖4為試樣與仿生手指相對(duì)滑動(dòng)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]為使本發(fā)明更明顯易懂，茲以優(yōu)選實(shí)施例，并配合附圖作詳細(xì)說(shuō)明如下。
[0032]本發(fā)明提供了一種材料表面質(zhì)地的模擬觸覺(jué)評(píng)價(jià)方法，其步驟為:
[0033]第一步、搭建模擬測(cè)量平臺(tái)，結(jié)合圖2，該模擬測(cè)量平臺(tái)包括底座10，立柱11設(shè)于底座10上，在底座10的表面設(shè)有沿左右移動(dòng)的X軸滑槽導(dǎo)軌2或沿前后移動(dòng)的Y軸滑槽導(dǎo)軌I，在X軸滑槽導(dǎo)軌2及Y軸滑槽導(dǎo)軌I內(nèi)分別設(shè)有由X軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)的X軸滑塊絲桿組件及由Y軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)的Y軸滑塊絲桿組件；當(dāng)?shù)鬃?0的表面設(shè)有X軸滑槽導(dǎo)軌2時(shí)，Y軸滑槽導(dǎo)軌I固定在X軸滑塊絲桿組件的X軸滑塊上；當(dāng)?shù)鬃?0的表面設(shè)有Y軸滑槽導(dǎo)軌I時(shí)，X軸滑槽導(dǎo)軌2固定在Y軸滑塊絲桿組件的Y軸滑塊上；用于固定紡織品試樣的試樣固定機(jī)構(gòu)4固定在Y軸滑塊或X軸滑塊上，在試樣固定機(jī)構(gòu)4的上方設(shè)有固定在立柱10上的Z軸滑槽導(dǎo)軌3，在Z軸滑槽導(dǎo)軌3內(nèi)設(shè)有由Z軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)的Z軸滑塊絲桿組件，Z向面板5固定在Z軸滑塊絲桿組件的Z軸滑塊上，在Z向面板5上設(shè)有微調(diào)兼過(guò)載保護(hù)結(jié)構(gòu)。
[0034]結(jié)合圖3，試樣固定機(jī)構(gòu)4包括固定在Y軸滑塊或X軸滑塊上的X-Y平面面板，在X-Y平面面板的兩側(cè)各有一塊Y-Z矩形立板，在一側(cè)的Y-Z矩形立板上方開(kāi)兩個(gè)螺紋孔，使其上方的圓柱形桿通過(guò)螺母與Y-Z矩形立板結(jié)合，形成握持紡織品試樣的夾具，將紡織品試樣夾持，另一側(cè)Y-Z矩形立板高度略低，在其截面中間處開(kāi)有圓柱形槽口，三軸力傳感器13置于該圓柱形槽口內(nèi)，三軸力傳感器13的上方放置用于固定紡織品試樣另一邊的輕質(zhì)夾具，兩邊的夾具共同將紡織品試樣進(jìn)行固定。
[0035]微調(diào)兼過(guò)載保護(hù)結(jié)構(gòu)包括與Z向面板5連接固定的連接塊6，音圈電機(jī)7的一端連接連接塊6，在其另一端上設(shè)有加速傳感器8，在加速傳感器8的下端配置仿生皮膚9。
[0036]遠(yuǎn)端的PC數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過(guò)多軸運(yùn)動(dòng)控制器控制X軸電機(jī)、Y軸電機(jī)、Z軸電機(jī)及音圈電機(jī)7的動(dòng)作，控制系統(tǒng)還連接三軸力傳感器13及加速傳感器8。
[0037]第二步、將所測(cè)紡織試樣12以一定張力固定在試樣固定機(jī)構(gòu)4上，使紡織試樣12懸空，以便在接觸過(guò)程中容易產(chǎn)生變形。
[0038]第三步、通過(guò)Z向面板5的上下運(yùn)動(dòng)使得仿生皮膚9接觸紡織試樣12，再結(jié)合音圈電機(jī)7對(duì)仿生皮膚9上下位置的微調(diào)使得仿生皮膚9對(duì)紡織試樣12的接觸強(qiáng)度達(dá)到初始值。
[0039]第四步、結(jié)合圖4，試樣固定機(jī)構(gòu)4在X軸電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下以速度V沿左右方向往復(fù)式單線運(yùn)動(dòng)，仿生皮膚9對(duì)紡織試樣12的接觸強(qiáng)度為Fn，縱向接觸摩擦力強(qiáng)度為Ff，橫向接觸摩擦力強(qiáng)度為Ft?；蛟赮軸電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行前后方向的往復(fù)式單線運(yùn)動(dòng)?；蛲瑫r(shí)在X軸電機(jī)及Y軸電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，X軸電機(jī)與Y軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速相同或不同。仿生皮膚9與紡織試樣12之間形成往復(fù)式接觸或者旋轉(zhuǎn)式接觸，使得仿生皮膚9與紡織試樣12之間產(chǎn)生受控的多向接觸運(yùn)動(dòng)，以便加速度傳感器8和三軸力傳感器13同步檢測(cè)出接觸摩擦力及振動(dòng)信息。
[0040]第五步:模擬不同觸摸速度、不同平均觸摸力下的接觸摩擦狀況，通過(guò)Z向面板5及音圈電機(jī)7重新設(shè)定仿生皮膚9對(duì)紡織試樣12的接觸強(qiáng)度，和/或重新設(shè)定試樣固定機(jī)構(gòu)4的運(yùn)動(dòng)速度，重新返回第四步執(zhí)行，直到檢測(cè)完所有需要測(cè)試的數(shù)據(jù)；
[0041]第六步:模擬觸覺(jué)傳感的信號(hào)計(jì)算，借助加速傳感器8和三軸力傳感器13同時(shí)測(cè)得的接觸摩擦作用力曲線和振動(dòng)曲線，先對(duì)力曲線和振動(dòng)曲線進(jìn)行時(shí)域以及頻域分析，然后基于觸覺(jué)系統(tǒng)感知信號(hào)的過(guò)程提取表征表面觸覺(jué)質(zhì)地信息的特征物理量，從而實(shí)現(xiàn)表面質(zhì)地的模擬觸覺(jué)評(píng)價(jià)，其步驟為
[0042]步驟6.1、對(duì)測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，得到其包含的頻率分量，并得到相應(yīng)的頻譜圖、能譜圖以及功率譜圖。
[0043]步驟6.2、近似估算每一頻段的振動(dòng)刺激閾值，得到近似閾值曲線，其中，每一段頻率下的振動(dòng)刺激閾值可根據(jù)方程線性變化。
[0044]在人類裸露的皮膚如手掌和手指處，存在四種觸覺(jué)感受器:FAI (麥斯納氏小體)、SAI(默克爾式小盤)、FAII (潘申尼小體)和SAII (魯菲尼氏小體)。手掌中每一個(gè)觸覺(jué)感受器針對(duì)振動(dòng)刺激都有其特定的振幅閾值，只對(duì)振幅大于閾值的刺激產(chǎn)生反應(yīng)。
[0045]SAI感受器是位于表皮底層的Merkel感受器，有很高的空間分辨率，屬于適應(yīng)性感受器，對(duì)持續(xù)的皮膚觸壓刺激敏感，在整個(gè)刺激過(guò)程中持續(xù)發(fā)放動(dòng)作電位，容易感受機(jī)械應(yīng)變、壓力的刺激，最適宜刺激頻率為5HZ。SAI感受器在低頻段的振動(dòng)刺激閾值相對(duì)平緩，基本保持在一個(gè)常數(shù)。
[0046]SAII感受器是位于表皮深層的Ruffini小體，對(duì)皮膚的牽拉敏感，皮膚與織物表面的摩擦所導(dǎo)致的拉伸變化就能促使其發(fā)放電脈沖。SAII感受器的振動(dòng)刺激閾值始終大于其他三個(gè)感受器，當(dāng)SAII感受器反應(yīng)時(shí)，其他三個(gè)觸覺(jué)感受器同時(shí)也能反應(yīng)，因此在本發(fā)明中，并不將其納入考慮范圍。
[0047]FA I感受器是真皮乳頭處緊挨表皮下的Meissner觸覺(jué)小體，主要分布于無(wú)毛皮膚區(qū)域，是一種快速適應(yīng)性感受器，在刺激開(kāi)始和結(jié)束的階越變化過(guò)程中呈現(xiàn)的誘發(fā)電信號(hào)最激烈，對(duì)物體表面輪廓結(jié)構(gòu)的變化比較敏感，容易感受低頻振動(dòng)，適宜的刺激頻率范圍為50-100HZ。FA I感受器在3Hz到40Hz之間其振動(dòng)刺激閾值以-1OdB的梯度呈直線下降。[0048]FAII感受器是位于皮下組織的Pacinian環(huán)層小體,為囊泡狀,對(duì)觸動(dòng)皮膚和吹動(dòng)皮膚的刺激，尤其是當(dāng)皮膚表面被迅速壓入或施加振動(dòng)信息時(shí)產(chǎn)生響應(yīng)，適宜的頻率范圍是200-300HZ。FA II感受器在高于40Hz后以_20dB的梯度下降，在250Hz左右降到最低，又以20dB的梯度上升。
[0049]基于此，每一段振動(dòng)刺激閾值可根據(jù)方程線性變化，得到近似閾值曲線。
[0050]步驟6.3、得到FAI (麥斯納氏小體)、SAI (默克爾式小盤)及FAII (潘申尼小體)的振動(dòng)刺激值，然后計(jì)算出功率譜圖和近似閾值曲線間的差值，如圖1所示，并將每一個(gè)頻段的剩余值進(jìn)行加權(quán)，每一個(gè)觸覺(jué)感受器對(duì)最終形成各觸覺(jué)質(zhì)感的貢獻(xiàn)都可以用一個(gè)值來(lái)定義，其中，上述三個(gè)觸覺(jué)感受器中任意第r個(gè)觸覺(jué)感受器的振動(dòng)刺激值為仁，
4
[0051 ] Ir = ΣW — A) *其中，4和分別為第r個(gè)觸覺(jué)感受器能感受刺激的頻率最高值

I,
和頻率最低值，Pi為功率譜圖中第i個(gè)頻率所對(duì)應(yīng)的功率值，Li為近似閾值曲線中第i個(gè)頻率所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)刺激閾值。
[0052]步驟6.4、將計(jì)算得到的振動(dòng)刺激值與從感官評(píng)價(jià)中提取的觸覺(jué)因素進(jìn)行對(duì)比，該觸覺(jué)因素包括柔軟感及粗糙感，計(jì)算出振動(dòng)刺激值與觸覺(jué)因素之間的相關(guān)性，基于此，用最小二乘法估計(jì)感官評(píng)價(jià)指標(biāo)，該感官評(píng)價(jià)指標(biāo)包括柔軟指標(biāo)與粗糙指標(biāo)。
[0053]以柔軟感及粗糙感為例，柔軟感與FAII的振動(dòng)刺激值負(fù)相關(guān)，用最小二乘法估計(jì)柔軟指標(biāo)；而粗糙感與FA I的振動(dòng)刺激值負(fù)相關(guān)，用同樣的方法可估算得到粗糙指標(biāo)。計(jì)算這兩個(gè)指標(biāo)與感官評(píng)價(jià)值之`間的R2，驗(yàn)證其有效性，從而建立一種新型的量化觸覺(jué)質(zhì)感的模擬觸覺(jué)評(píng)估方法。



dv
[0054]對(duì)于力學(xué)信號(hào)，由公式F=ma，其中，m為質(zhì)量，《 = 丁，s=vt，a為加速度，V為速度，

Λ
s為位移，t為時(shí)間，我們可以得到加速度頻率周期圖和位移頻率周期圖。對(duì)應(yīng)到人體觸覺(jué)感受器，SAI對(duì)位移刺激較為敏感，將位移周期圖與柔軟感進(jìn)行對(duì)比，找出其相關(guān)性。SAII適用于探測(cè)摩擦刺激，而加速度與粗糙間存在一定相關(guān)性，因此可將加速度周期圖與粗糙感進(jìn)行對(duì)比得到其相關(guān)方程。
[0055]宏觀上，被測(cè)織物樣品在仿生手指的作用下產(chǎn)生了變形，分析作用于織物表面三個(gè)方向的力與其對(duì)應(yīng)變形間的關(guān)系，即計(jì)算每一塊試樣的剛度A = |，其中，P為作用于被測(cè)



O
織物樣品的恒力，s為被測(cè)織物樣品由于力而產(chǎn)生的形變，則可比較不同織物的柔軟程度，辨別相差程度較大的試樣。
[0056]對(duì)力信號(hào)的分析作為振動(dòng)信號(hào)分析結(jié)果的補(bǔ)充和驗(yàn)證，力求達(dá)到評(píng)估指標(biāo)和方法可靠有效。
[0057]功率譜:
[0058]借助功率譜估計(jì)，利用已觀測(cè)到的一定數(shù)量樣本數(shù)據(jù)估計(jì)一個(gè)平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)的功率譜密度，來(lái)分析信號(hào)的能量隨頻率變化的分布特性，功率譜密度P (W)可以描述信號(hào)功率隨頻率的變化，其定義為:[0059]
【權(quán)利要求】
1.一種材料表面質(zhì)地的模擬觸覺(jué)評(píng)價(jià)方法，其特征在于，步驟為: 第一步、搭建模擬測(cè)量平臺(tái)，該模擬測(cè)量平臺(tái)包括底座(10)，立柱(11)設(shè)于底座(10)上，在底座(10)的表面設(shè)有沿左右移動(dòng)的X軸滑槽導(dǎo)軌(2)或沿前后移動(dòng)的Y軸滑槽導(dǎo)軌(1)，在X軸滑槽導(dǎo)軌(2)及Y軸滑槽導(dǎo)軌(I)內(nèi)分別設(shè)有由X軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)的X軸滑塊絲桿組件及由Y軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)的Y軸滑塊絲桿組件；當(dāng)?shù)鬃?10)的表面設(shè)有X軸滑槽導(dǎo)軌⑵時(shí)，Y軸滑槽導(dǎo)軌⑴固定在X軸滑塊絲桿組件的X軸滑塊上；當(dāng)?shù)鬃?10)的表面設(shè)有Y軸滑槽導(dǎo)軌(I)時(shí)，X軸滑槽導(dǎo)軌(2)固定在Y軸滑塊絲桿組件的Y軸滑塊上；用于固定紡織品試樣的試樣固定機(jī)構(gòu)(4)固定在Y軸滑塊或X軸滑塊上，在試樣固定機(jī)構(gòu)(4)的上方設(shè)有固定在立柱(10)上的Z軸滑槽導(dǎo)軌(3)，在Z軸滑槽導(dǎo)軌(3)內(nèi)設(shè)有由Z軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)的Z軸滑塊絲桿組件，Z向面板(5)固定在Z軸滑塊絲桿組件的Z軸滑塊上，在Z向面板(5)上設(shè)有微調(diào)兼過(guò)載保護(hù)結(jié)構(gòu)； 試樣固定機(jī)構(gòu)(4)包括固定在Y軸滑塊或X軸滑塊上的X-Y平面面板，在X-Y平面面板的兩側(cè)各有一塊Y-Z矩形立板，在一側(cè)的Y-Z矩形立板上方開(kāi)兩個(gè)螺紋孔，使其上方的圓柱形桿通過(guò)螺母與Y-Z矩形立板結(jié)合，形成握持紡織品試樣的夾具，將紡織品試樣夾持，另一側(cè)Y-Z矩形立板高度略低，在其截面中間處開(kāi)有圓柱形槽口，三軸力傳感器(13)置于該圓柱形槽口內(nèi)，三軸力傳感器(13)的上方放置用于固定紡織品試樣另一邊的輕質(zhì)夾具，兩邊的夾具共同將紡織品試樣進(jìn)行固定； 微調(diào)兼過(guò)載保護(hù)結(jié)構(gòu)包括與Z向面板(5)連接固定的連接塊(6)，音圈電機(jī)(7)的一端連接連接塊出)，在其另一端上設(shè)有加速傳感器(8)，在加速傳感器(8)的下端配置仿生皮膚(9)； 遠(yuǎn)端的PC數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過(guò)多軸運(yùn)動(dòng)控制器控制X軸電機(jī)、Y軸電機(jī)、Z軸電機(jī)及音圈電機(jī)(7)的動(dòng)作，控制系統(tǒng)還連接三軸力傳感器(13)及加速傳感器(8)； 第二步、將所測(cè)紡織試樣(12)以一定張力固定在試樣固定機(jī)構(gòu)(4)上，使紡織試樣(12)懸空，以便在接觸過(guò)程中容易產(chǎn)生變形； 第三步、通過(guò)Z向面板(5)的上下運(yùn)動(dòng)使得仿生皮膚(9)接觸紡織試樣(12)，再結(jié)合音圈電機(jī)(7)對(duì)仿生皮膚(9)上下位置的微調(diào)使得仿生皮膚(9)對(duì)紡織試樣(12)的接觸強(qiáng)度達(dá)到初始值； 第四步、試樣固定機(jī)構(gòu)(4)在X軸電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行左右方向的往復(fù)式單線運(yùn)動(dòng)，或同時(shí)在X軸電機(jī)及Y軸電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下沿曲線軌跡運(yùn)動(dòng)，仿生皮膚(9)上與紡織試樣(12)之間形成往復(fù)式接觸或曲線式接觸，使得仿生皮膚(9)與紡織試樣(12)之間產(chǎn)生受控的多向、多點(diǎn)接觸運(yùn)動(dòng)，以便加速傳感器(8)和三軸力傳感器(13)同步檢測(cè)出多點(diǎn)接觸摩擦信息；第五步:模擬不同觸摸速度、不同平均觸摸力下的接觸摩擦狀況，通過(guò)Z向面板(5)及音圈電機(jī)(7)重新設(shè)定仿生皮膚(9)對(duì)紡織試樣(12)的接觸強(qiáng)度，和/或重新設(shè)定試樣固定機(jī)構(gòu)(4)的運(yùn)動(dòng)速度，重新返回第四步執(zhí)行，直到檢測(cè)完所有需要測(cè)試的數(shù)據(jù)； 第六步:模擬觸覺(jué)傳感的信號(hào)計(jì)算，借助加速傳感器(8)和三軸力傳感器(13)同時(shí)測(cè)得的接觸摩擦作用力曲線和振動(dòng)曲線，先對(duì)力曲線和振動(dòng)曲線進(jìn)行時(shí)域以及頻域分析，然后基于觸覺(jué)系統(tǒng)感知信號(hào)的過(guò)程提取表征表面觸覺(jué)質(zhì)地信息的特征物理量，從而實(shí)現(xiàn)表面質(zhì)地的模擬觸覺(jué)評(píng)價(jià)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種材料表面質(zhì)地的模擬觸覺(jué)評(píng)價(jià)方法，其特征在于，在所述第四步中，當(dāng)所述試樣固定機(jī)構(gòu)(4)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，所述X軸電機(jī)與所述Y軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速相同或不相同，實(shí)現(xiàn)圓周或任意曲線運(yùn)動(dòng)軌跡。
3.如權(quán)利要求1所述的一種材料表面質(zhì)地的模擬觸覺(jué)評(píng)價(jià)方法，其特征在于，在第六步中，所述從接觸摩擦力曲線和振動(dòng)曲線中提取觸覺(jué)信號(hào)的具體步驟如下: 步驟6.1、對(duì)測(cè)得的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，得到其包含的頻率分量，并得到相應(yīng)的頻譜圖、能譜圖以及功率譜圖； 步驟6.2、近似估算每一頻段的振動(dòng)刺激閾值，得到近似閾值曲線，其中，每一段頻率下的振動(dòng)刺激閾值可根據(jù)方程線性變化； 步驟6.3、得到麥斯納氏小體、默克爾式小盤及潘申尼小體的振動(dòng)刺激值，上述三個(gè)觸覺(jué)感受器中任意第r個(gè)觸覺(jué)感受器的振動(dòng)刺激值為仁，
【文檔編號(hào)】G01N33/36GK103760324SQ201410028070
【公開(kāi)日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2014年1月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月22日
【發(fā)明者】章媛, 姜瑞濤, 胡吉永, 楊旭東, 丁辛 申請(qǐng)人:東華大學(xué)