李 東，萬(wàn)賢福, 1b,汪 軍, 1b，許鵬俊

(1.東華大學(xué) a.紡織學(xué)院；b.紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620；2.閩江學(xué)院 服裝與藝術(shù)工程學(xué)院，福州 350001)

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基于腦電技術(shù)的面料觸感捕捉刺激器的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

李 東1a，萬(wàn)賢福1a, 1b,汪 軍1a, 1b，許鵬俊2

(1.東華大學(xué) a.紡織學(xué)院；b.紡織面料技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620；2.閩江學(xué)院 服裝與藝術(shù)工程學(xué)院，福州 350001)

為了客觀地捕捉人們對(duì)服裝面料舒適性的感覺(jué)，針對(duì)人們觸摸不同服裝面料時(shí)，腦電波等生理指標(biāo)會(huì)發(fā)生變化的特點(diǎn)，研究腦電波和服裝觸覺(jué)舒適性的關(guān)系，設(shè)計(jì)制作出一種新型的基于腦電技術(shù)的服裝觸感捕捉刺激器，輔以ERPs腦電儀捕獲觸感并進(jìn)行離線(xiàn)分析，驗(yàn)證該裝置多次實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性。指出：標(biāo)識(shí)面料與皮膚接觸瞬間的時(shí)間點(diǎn)是該裝置設(shè)計(jì)制作的關(guān)鍵和難點(diǎn)；初步測(cè)試表明，該裝置能夠標(biāo)識(shí)出皮膚與面料接觸的瞬間時(shí)間點(diǎn)，且多次實(shí)驗(yàn)具有可重復(fù)性。

觸感；捕捉；刺激；舒適性；事件相關(guān)電位ERP；可編程控制器PLC；腦電波EEG

0 引言

服裝的舒適性是指人體著裝后，服裝具有滿(mǎn)足人體要求并排除任何不舒適因素的性能。服裝舒適性包括熱濕舒適性、觸覺(jué)舒適性和體感舒適性[1]。觸覺(jué)舒適性的評(píng)價(jià)方法有兩種，一種是物理評(píng)價(jià)法，即根據(jù)面料的表面性質(zhì)，如彎曲、拉伸、剪切和壓縮等物理性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。如川端建立的KES評(píng)價(jià)系統(tǒng)[2]，以物理量的形式表征與織物觸覺(jué)手感有關(guān)的力學(xué)性能，可以反映織物的觸覺(jué)特征，但和人們接觸織物時(shí)獲得的感性認(rèn)識(shí)還有很大差距。另一種最為普遍的評(píng)價(jià)方法是心理評(píng)價(jià)法，依據(jù)人們接觸面料時(shí)的感受進(jìn)行主觀判斷，這也是筆者研究的評(píng)價(jià)方法。

近年來(lái)，為了客觀地捕捉人們多方面的感覺(jué)，基于腦電波、心電圖等生理反應(yīng)的嘗試在各個(gè)領(lǐng)域展開(kāi)。例如，Montoya研究了由觸覺(jué)刺激誘發(fā)的體感誘發(fā)電位SEP[3]，發(fā)現(xiàn)被測(cè)試者觀察不愉快照片相比愉快照片，事件相關(guān)電位P50的波幅顯著降低。Kikuchi等人[4]發(fā)現(xiàn)手指觸摸光滑平面和粗糙平面時(shí)，腦電波的變化是不同的。

然而很重要的一點(diǎn)是，觸覺(jué)是皮膚接觸到織物時(shí)的瞬間反應(yīng)，因此，可以利用微分的方法評(píng)價(jià)人們受到刺激時(shí)的生理反應(yīng)。事件相關(guān)電位(ERP)[5]可以用來(lái)表達(dá)這種因觸覺(jué)感覺(jué)變化而誘發(fā)的生理反應(yīng)。事件相關(guān)電位是一種被刺激誘發(fā)的腦電波，反映了在單位毫秒內(nèi)人們對(duì)刺激的感覺(jué)、認(rèn)知等處理過(guò)程的一系列變化，被看作評(píng)價(jià)觸覺(jué)的一種有用的生理指標(biāo)[6]。

基于腦電技術(shù)的服裝面料觸覺(jué)研究，捕捉皮膚與面料接觸的瞬間至關(guān)重要。因?yàn)橛|感發(fā)生的時(shí)間僅僅在幾百毫秒內(nèi)，而事件相關(guān)電位儀對(duì)觸感的捕捉，需要將幾十次到一百多次記錄下的同一外部刺激形成的腦電波數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行放大和疊加。腦電波經(jīng)放大后發(fā)現(xiàn)，對(duì)事件相關(guān)電位的干擾很多，如噪聲、偽跡等。但ERP的波形和潛伏期恒定，所以可通過(guò)疊加，從腦電波中將ERP提取出來(lái)[7]。這就要求準(zhǔn)確標(biāo)記出觸覺(jué)發(fā)生的起點(diǎn)，因此，制作實(shí)驗(yàn)裝置，標(biāo)識(shí)皮膚與面料的接觸瞬間，是采用腦電技術(shù)評(píng)價(jià)觸覺(jué)舒適性的關(guān)鍵。

Yohsuke 在基于事件相關(guān)電位的服裝觸覺(jué)研究中[8]，實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)用了光電傳感器，通過(guò)光量的變化確定其接觸時(shí)間。其實(shí)驗(yàn)原理是將試樣掛在一個(gè)橫桿上，慢慢移動(dòng)，最后滑過(guò)手臂，橫桿移至快要接觸手臂皮膚時(shí)，光被擋住，接收器檢測(cè)到光量變化，從而記錄接觸時(shí)間點(diǎn)。但由于試樣布條具有柔性，光被遮擋與布條和皮膚間的接觸并不一定同時(shí)發(fā)生，且實(shí)驗(yàn)是反復(fù)的、短時(shí)間進(jìn)行接觸刺激，沒(méi)有隨機(jī)性，被測(cè)試者容易產(chǎn)生感覺(jué)記憶，從而影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

為此，筆者設(shè)計(jì)制作出一種新型的、基于腦電的服裝觸感捕捉刺激器。通過(guò)可編程控制器(PLC)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，以穩(wěn)定和隨機(jī)的使織物與皮膚接觸，并通過(guò)改造光電鼠標(biāo)，將光電傳感器探測(cè)出的信號(hào)傳入電腦中。腦電儀器根據(jù)這個(gè)信號(hào)標(biāo)識(shí)，對(duì)檢測(cè)到的腦電波信號(hào)進(jìn)行分段和疊加，從而分離出由觸覺(jué)引發(fā)的事件相關(guān)電位。

1 裝置設(shè)計(jì)

筆者設(shè)計(jì)制作的基于腦電技術(shù)的服裝觸感捕捉刺激器裝置，包括控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)兩個(gè)主要部分，裝置簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1?？刂葡到y(tǒng)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使試樣織物與手指皮膚接觸，接觸時(shí)間點(diǎn)由光電傳感器捕捉，并轉(zhuǎn)換為鼠標(biāo)左鍵傳入腦電儀，作為誘發(fā)事件相關(guān)電位的觸覺(jué)刺激發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)。

1.1 機(jī)械設(shè)計(jì)

圖2是基于腦電技術(shù)的服裝觸感捕捉刺激器機(jī)械簡(jiǎn)圖。機(jī)械設(shè)計(jì)采用SolidWorks三維建模軟件，

整體是一個(gè)箱體，鋼結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定堅(jiān)固。頂部薄、有孔，手指自然放在孔上，使皮膚從孔中露出與織物接觸，這樣可有效避免手指與織物接觸產(chǎn)生肌電位，減少對(duì)事件相關(guān)電位的干擾。中間部分是一個(gè)直流無(wú)刷電機(jī)，固定在底部支撐板上，能穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸上固定轉(zhuǎn)盤(pán)，轉(zhuǎn)盤(pán)上均勻分布、固定有6個(gè)可伸縮的面料包裹頭，軟橡膠的圓頭端包上試樣織物，并可微調(diào)織物與手指皮膚間的接觸距離。在轉(zhuǎn)盤(pán)上開(kāi)有通光孔，每個(gè)通光孔的中心線(xiàn)分別在對(duì)應(yīng)的面料包裹頭的軸線(xiàn)上，將光電傳感器的發(fā)射器和接收器固定在通光孔前后的支架上。其工作原理是電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)到一定位置時(shí)，手指皮膚與試樣織物接觸，光電傳感器的發(fā)射器發(fā)射的光線(xiàn)穿過(guò)通光孔被傳感器接收器接收。由于通光孔的直徑很小，光電傳感器相互間的距離很短，靈敏度非常高。用這種方法可以快速準(zhǔn)確地標(biāo)記出試樣織物與被測(cè)試者手指的接觸時(shí)間點(diǎn)。

1.2 電氣控制設(shè)計(jì)

如果手指短時(shí)間內(nèi)重復(fù)觸摸同一試樣織物，即使被測(cè)試者不知道試樣織物的相關(guān)信息，大腦內(nèi)也會(huì)產(chǎn)生記憶，從而影響事件相關(guān)電位的獲取結(jié)果。為了隨機(jī)地讓不同的試樣織物以不同的速度和方向與手指皮膚接觸，筆者選用了PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)這一復(fù)雜的控制。

基于腦電技術(shù)的服裝觸感捕捉刺激器的電氣控制系統(tǒng)由PLC、無(wú)刷電機(jī)控制器、直流無(wú)刷電機(jī)組成?？刂频哪康氖菍?shí)現(xiàn)無(wú)刷電機(jī)精確、緩慢地轉(zhuǎn)動(dòng)，以使圓盤(pán)上的試樣織物按照隨機(jī)的順序與手指皮膚穩(wěn)定、緩慢地接觸。接觸時(shí)光電傳感器發(fā)出信號(hào)，光電鼠標(biāo)經(jīng)過(guò)改裝后按下鼠標(biāo)左鍵，可將左鍵信號(hào)作為E-Prime心理學(xué)實(shí)驗(yàn)的靶刺激，在腦電儀記錄的腦電波圖上標(biāo)記刺激發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)。把面料與皮膚的接觸刺激轉(zhuǎn)化為鼠標(biāo)左鍵的觸發(fā)，作為事件相關(guān)電位的刺激，誘發(fā)產(chǎn)生相關(guān)電位。腦電波分析時(shí)，將以這些標(biāo)記的時(shí)間點(diǎn)為刺激發(fā)生的起點(diǎn)，進(jìn)行腦電波的分段和疊加，進(jìn)而得出由觸覺(jué)誘發(fā)的事件相關(guān)電位。

在事件相關(guān)電位的測(cè)試中，最常用的就是Oddball式，包含兩種刺激類(lèi)型，讓被測(cè)試者對(duì)其中一種刺激做出評(píng)價(jià)。然而Polich[9]在聽(tīng)覺(jué)刺激實(shí)驗(yàn)中只采用了一種刺激，對(duì)比兩種刺激下獲得的ERP，發(fā)現(xiàn)幾乎是相同的。因此，在初始階段，使用一種刺激獲取ERP是可行的。

1.3 可編程控制器PLC的程序設(shè)計(jì)

可編程控制器PLC程序的輸入為起、停等開(kāi)關(guān)量和隨機(jī)接觸順序數(shù)據(jù)；輸出為控制電機(jī)控制器起、停、反轉(zhuǎn)的高電位，和控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的模擬量輸出電壓。程序啟動(dòng)時(shí)，隨機(jī)函數(shù)產(chǎn)生試樣織物與皮膚接觸的順序。程序運(yùn)行時(shí)，判斷順序值，執(zhí)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)子程序，電機(jī)以相應(yīng)的速度轉(zhuǎn)過(guò)相應(yīng)的角度，從而使被測(cè)試者的手指與不同的試樣織物接觸。控制器相位脈沖輸出端子接入PLC的高速計(jì)數(shù)器輸入端，通過(guò)高速計(jì)數(shù)器來(lái)計(jì)數(shù)脈沖，進(jìn)而得到圓盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)時(shí)位置。PLC程序流程見(jiàn)圖3。

2 ERPs實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備

對(duì)基于腦電技術(shù)的服裝觸感刺激捕捉器進(jìn)行ERPs實(shí)驗(yàn)，需將裝置與ERPs腦電儀結(jié)合起來(lái)，經(jīng)過(guò)E-Prime程序?qū)崿F(xiàn)。運(yùn)用E-Prime程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)流程編寫(xiě)，并將基于腦電技術(shù)的服裝觸感捕捉刺激器上皮膚與試樣面料接觸時(shí)發(fā)出的鼠標(biāo)左鍵信號(hào)作為刺激，標(biāo)記在腦電儀測(cè)試到的腦電波時(shí)間軸上。

2.2 ERPs實(shí)驗(yàn)

在室內(nèi)溫度為25 ℃、相對(duì)濕度為50%的ERPs實(shí)驗(yàn)室中。運(yùn)行服裝觸感捕捉刺激器和E-Prime刺激程序，被測(cè)試者為20名男性大學(xué)生，佩戴國(guó)際上通用的10～20系統(tǒng)[10]的電極帽，坐在椅子上，處于閉眼靜坐狀。右手中指自然擺放在服裝觸感捕捉刺激器頂部的孔上，露出的手指皮膚與劃過(guò)的試樣面料相接觸，用腦電儀采集腦電波。每位被測(cè)試者的實(shí)驗(yàn)分為6段，每段實(shí)驗(yàn)手指皮膚與3種不同試樣面料共接觸60次，時(shí)長(zhǎng)約6 min，每段實(shí)驗(yàn)結(jié)束后被測(cè)試者休息2 min；測(cè)試時(shí)被測(cè)試者佩戴眼罩和耳塞，以減少外界干擾。

實(shí)驗(yàn)試樣織物分3種：試樣1為尼龍針織布、試樣2為平紋棉布、試樣3為平紋麻布。3種試樣織物的表面粗糙度依次增加。

3 裝置可重復(fù)性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證筆者設(shè)計(jì)的基于腦電技術(shù)的服裝觸感捕捉刺激器實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性，運(yùn)用高速攝像機(jī)拍攝被測(cè)試者手指皮膚與試樣織物的接觸過(guò)程。根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)接觸時(shí)間點(diǎn)的偏差，分析該裝置的可重復(fù)性。高速攝像機(jī)以1 000張/s的速度，拍攝出了手指皮膚與試樣織物接觸的過(guò)程，共拍攝了4名被測(cè)試者分別接觸3種試樣織物的過(guò)程。傳感器發(fā)出接觸信號(hào)要比實(shí)際接觸時(shí)間稍有提前，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 傳感器發(fā)出接觸信號(hào)比實(shí)際接觸提前的時(shí)間 單位：ms

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，4名被測(cè)試者接觸3種試樣織物的接觸信號(hào)偏差時(shí)間有所不同，標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為8.02 ms、5.74 ms、2.65 ms。這是由于每次實(shí)驗(yàn)被測(cè)試者露出的手指皮膚面積都不相同，造成了每次實(shí)驗(yàn)之間有一定偏差。其中，試樣1的偏差最大，這是由于試樣織物面料本身較薄且柔軟，接觸時(shí)易造成形變。

使用該裝置對(duì)同一試樣織物進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)腦電波上刺激打標(biāo)點(diǎn)的偏差在10 ms以?xún)?nèi)。因此，使用本裝置進(jìn)行的基于腦電技術(shù)的服裝觸感捕捉刺激器多次實(shí)驗(yàn)具有可重復(fù)性。

4 腦電波分析

在事件相關(guān)電位ERP的研究中，腦電波EEG數(shù)據(jù)的獲取只是第一步，EEG中即包含了ERP等有用的成分，也有影響數(shù)據(jù)的噪聲，所以要經(jīng)過(guò)離線(xiàn)分析才能得到所需的結(jié)果。離線(xiàn)分析筆者使用的是SCAN軟件數(shù)據(jù)分析部分Edit。圖4是SCAN軟件對(duì)一組20名被測(cè)試者腦電波的100個(gè)打標(biāo)點(diǎn)，即前200 ms和0 ms～600 ms采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加濾波等分析后，得到波形的總平均值。

從傳感器發(fā)出的信號(hào)，經(jīng)鼠標(biāo)左鍵觸發(fā)到電腦上顯示有約10 ms的延遲，所以進(jìn)行事件相關(guān)電位分析時(shí)，試樣織物1、2、3對(duì)應(yīng)在腦波圖上的時(shí)間應(yīng)當(dāng)分別滯后約41.50 ms、27.75 ms和53.50 ms。此外，不同被測(cè)試者露出的手指皮膚部分與試樣織物面料接觸有細(xì)微的差別，導(dǎo)致滯后時(shí)間也有一定的偏差，但都在允許范圍之內(nèi)。圖4中數(shù)據(jù)已通過(guò)平移時(shí)間軸消除了上述偏差。

從圖4中可以看出，位于頭顱頂部的6個(gè)電極，每個(gè)電極上的3種試樣產(chǎn)生的腦電波波形大致相同，并且在一些共同的時(shí)間段都會(huì)出現(xiàn)波峰和波谷，但幅值有所差別。例如100 ms、200 ms和300 ms附近是和人類(lèi)觸覺(jué)認(rèn)知有關(guān)的電位。分析觸覺(jué)誘發(fā)事件相關(guān)電位的成分與不同試樣織物觸覺(jué)的關(guān)系，可得出評(píng)價(jià)服裝面料觸覺(jué)的事件相關(guān)電位的指標(biāo)，如事件相關(guān)電位的幅值和潛伏期等，這是筆者下一步將要進(jìn)行的工作。

5 結(jié)語(yǔ)

5.1 面料與皮膚接觸瞬間的時(shí)間點(diǎn)標(biāo)識(shí)問(wèn)題，是基于腦電技術(shù)對(duì)服裝舒適性進(jìn)行研究的關(guān)鍵問(wèn)題，也是難點(diǎn)問(wèn)題。筆者設(shè)計(jì)并制作出基于腦電技術(shù)的服裝觸感捕捉刺激器，且制定和實(shí)施了基于此裝置的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方案。初步測(cè)試表明，該裝置能夠準(zhǔn)確標(biāo)記出皮膚與面料接觸的瞬間時(shí)間點(diǎn)，且多次實(shí)驗(yàn)具有可重復(fù)性。

5.2 本裝置作為基于腦電技術(shù)的服裝觸覺(jué)舒適性評(píng)價(jià)的輔助實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將有助于分析事件相關(guān)電位與服裝面料觸覺(jué)的關(guān)系，服裝舒適性評(píng)價(jià)領(lǐng)域的發(fā)展令人期待。

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The Design and Development of EEG-based Fabric Tactile Sensation Stimulator

LI Dong1a,WAN Xianfu1a, 1b,WANG Jun1a,1b,XU Pengjun2

(1.Donghua University a.Textile College;b.the Key Laboratory of Textile Fabrics Under the Education Ministry,Shanghai 201620,China;2.Fashion & Art Engineering School Minjiang University,Fuzhou 350001,China)

To objectively capture the people′s feeling for the comfort of fabrics,according to the fact that when people touch different fabrics,the brain waves and other physiological indicators will change,a new EEG-based fabric tactile sensation stimulator is introduced to research the relationship between the brain waves and the comfort of fabrics,supported by ERPs device capturing the feeling and offline analysis,and experimental repeatability of the device is verified.It is pointed out that the key and difficulty in the design of the device is identifying the contact moment when the fabrics touch the skin.The preliminary tests show that the device can identify the contact moment when the fabrics touch the skin,and multiple experiments prove the repeatility.

touch;capture;stimulation;comfort;event related potential ERP;programmable controller PLC;brain wave EEG

2016-03-27

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(14D110139)；國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金(51403098)

李 東(1992—)，男，山東濟(jì)寧人，在讀碩士研究生，主要從事數(shù)字化紡織工程方面的研究。

TS101.8

A

1001-9634(2016)05-0006-05