服裝面料自動(dòng)抓取轉(zhuǎn)移方法的研究進(jìn)展

劉漢邦， 李新榮， 劉立東

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 天津 300387； 2. 天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300387)

服裝行業(yè)屬于勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，由于勞動(dòng)力成本的上升、技術(shù)的提高、多品種少批量、私人定制等原因，致使對操作工的技術(shù)要求和生產(chǎn)成本都不斷提高，研發(fā)服裝專業(yè)機(jī)器人來代替操作工的需求增大。當(dāng)前服裝面料抓取轉(zhuǎn)移主要靠人工來完成，自動(dòng)抓取轉(zhuǎn)移在服裝生產(chǎn)中并沒有得到很好的應(yīng)用。最主要的原因是服裝面料具有一定的透氣性，并且容易遭到外力的破壞，導(dǎo)致面料內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷或外表面產(chǎn)生瑕疵。

服裝面料自動(dòng)化抓取轉(zhuǎn)移過程是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，不同材質(zhì)面料選擇的抓取轉(zhuǎn)移方式也不一樣。實(shí)際的抓取轉(zhuǎn)移過程中，對于機(jī)器人末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)往往取決于被抓取物的特性，例如布料柔軟且容易遭到表面破壞，所以就要求末端執(zhí)行器不能損壞服裝面料的外觀。目前面料自動(dòng)抓取轉(zhuǎn)移的主要方法有機(jī)械手抓取[1]、負(fù)壓吸附、靜電吸附[2-3]和非接觸式吸盤吸附[4-6]等4種。面料自動(dòng)抓取轉(zhuǎn)移過程可分為尋找物體、夾住物體、提升物體、移動(dòng)物體和釋放物體等過程[7-8]。在自動(dòng)抓取轉(zhuǎn)移面料過程中，由于面料的柔軟性，在末端執(zhí)行器釋放面料且與工作臺對接時(shí)，容易產(chǎn)生對接偏差，所以還需要考慮抓取精度和移動(dòng)過程物體受到的空氣阻力等問題。可見，要想實(shí)現(xiàn)服裝面料的自動(dòng)化抓取轉(zhuǎn)移還是具有一定的難度。

本文闡述了上述抓取轉(zhuǎn)移方式的應(yīng)用原理，針對當(dāng)前不同材質(zhì)面料采用何種抓取轉(zhuǎn)移方法的問題，分析了上述抓取轉(zhuǎn)移方法在制造成本、能耗、工作環(huán)境和定位精度等方面的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)出當(dāng)前該領(lǐng)域的研究進(jìn)展和應(yīng)用狀況，以期為不同材質(zhì)面料選擇何種抓取轉(zhuǎn)移方法提供最佳方案，并預(yù)測了上述4種抓取轉(zhuǎn)移方法未來的研究方向。

1 服裝面料自動(dòng)抓取轉(zhuǎn)移方法及應(yīng)用

1.1 機(jī)械手抓取轉(zhuǎn)移

機(jī)械手抓取是仿照人類手指的活動(dòng)規(guī)律而研發(fā)的一種重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可用來握持剛性工件[9-10]，也可用來抓取轉(zhuǎn)移柔軟的毛巾[11-13]。在過去的幾十年中，機(jī)械手抓取轉(zhuǎn)移方式已被應(yīng)用到各種工業(yè)領(lǐng)域，但在服裝行業(yè)中，機(jī)械手抓取僅有十幾年的歷史。為了實(shí)現(xiàn)面料的抓取轉(zhuǎn)移，Nagata等[14]設(shè)計(jì)了一種多指機(jī)械手，該機(jī)械手如圖1所示。該機(jī)械手將單個(gè)功能手指動(dòng)作定義為原始動(dòng)作，而在抓取和操作中使用不同原始動(dòng)作的手指稱為功能手指分離。通過將不同的原始動(dòng)作一起聯(lián)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)多種抓取和操作，但這種機(jī)械手抓取轉(zhuǎn)移方式，對機(jī)械手指的材料具有一定的光滑度要求[15]，否則在抓取昂貴面料的時(shí)候，容易使面料表面產(chǎn)生劃痕、抽絲等缺陷。尤其是對于絲綢等昂貴的面料而言，在實(shí)際應(yīng)用中不允許有瑕疵出現(xiàn)，所以這種機(jī)械手抓取轉(zhuǎn)移方式比較適用于抓取毛巾等有粗糙表面的單層面料。Lee等介紹了一種基于形狀記憶合金的可變硬度軟機(jī)械手[16]，此機(jī)械手使用了3個(gè)可變硬度的機(jī)械手指，可用來抓取不同硬度的工件，可成功抓取柔軟毛巾和鞋服面料，若在服裝行業(yè)中，使用該機(jī)械手抓取面料，或許可彌補(bǔ)剛性機(jī)械手對面料產(chǎn)生表面劃痕的缺陷。Glick等[17]設(shè)計(jì)了一種利用壁虎膠黏劑獨(dú)特性能的抓取器，受壁虎啟發(fā)的黏合劑是一類具有微結(jié)構(gòu)表面的材料，可利用范德華力產(chǎn)生黏合力[18]，該黏合劑不僅可用于黏合抓取，而且可顯著增強(qiáng)摩擦性能，與非壁虎式抓取機(jī)構(gòu)相比，該機(jī)構(gòu)的抓取能力明顯增強(qiáng)。

圖1 多指機(jī)械手照片

機(jī)械手抓取轉(zhuǎn)移方式對工作環(huán)境要求較低，可以適應(yīng)大部分車間的生產(chǎn)要求。在服裝面料的抓取轉(zhuǎn)移過程中，機(jī)械手的任務(wù)不僅僅是抓取面料，更重要的是把面料轉(zhuǎn)移到工作臺。在轉(zhuǎn)移過程中，要求面料和機(jī)械手無相對運(yùn)動(dòng)，以保證面料在與工作臺接觸時(shí)定位準(zhǔn)確，但實(shí)際上，機(jī)械手轉(zhuǎn)移面料勢必會產(chǎn)生周期性擺動(dòng)和慣性力，導(dǎo)致面料與工作臺接觸時(shí)定位精度降低，面料廢品率增加。目前在機(jī)械手抓取面料的相關(guān)研究中，機(jī)械手抓取由于容易致使面料表面產(chǎn)生缺陷，故主要抓取粗糙的面料。若與Lee等[16]提到的軟體機(jī)械手思想結(jié)合，對面料表面缺陷問題可提供一種新的解決辦法；若與Glick等[17]提到的壁虎膠黏劑抓取器結(jié)合，面料轉(zhuǎn)移過程中的定位精度或許可得到提升。

1.2 負(fù)壓吸附抓取轉(zhuǎn)移

負(fù)壓吸盤是利用大氣壓力與吸盤內(nèi)腔的真空壓差作用對面料進(jìn)行吸附和抓取。具體的吸附過程為，吸盤的吸嘴與面料接觸后，用真空發(fā)生裝置抽取吸盤內(nèi)部腔室的空氣而形成內(nèi)部真空，此時(shí)由于內(nèi)部壓力小于大氣壓力[19]，面料在內(nèi)外壓差的作用下與吸盤貼合，從而完成面料的抓取過程。真空發(fā)生裝置提供的真空度越高，吸盤的抓取能力就越強(qiáng)，吸附原理[20]如圖2所示。

注：P0為大氣壓；P1為真空壓力；1為氣流； 2為面料。

對于負(fù)壓吸附方式，在處理小直徑孔隙的服裝面料時(shí)是一件相對容易的事情。換句話說，其在吸取孔徑大、高彈、透氣的服裝品時(shí)存在一定的問題，例如碳纖維增強(qiáng)基復(fù)合材料(CFRP)制作的服裝品或一些其他的復(fù)合材料[4]。因?yàn)樨?fù)壓吸附是基于真空發(fā)生器的供給流量產(chǎn)生氣流來抽空容器中空氣，使吸盤與面料產(chǎn)生壓強(qiáng)差，從而達(dá)到吸取面料的目的。如果面料孔徑大、滲透性強(qiáng)，則腔內(nèi)氣壓和大氣壓基本一樣，這樣就使得負(fù)壓吸盤吸取面料的可靠性大幅下降。Failli等對過負(fù)壓吸附非剛性材料進(jìn)行研究[21]，其實(shí)驗(yàn)圖片如圖3(a)所示，該吸附裝置可輕松吸取皮革等柔性物件。Cubric等[22]也利用負(fù)壓吸附的原理進(jìn)行了少孔的PES2非織造材料的實(shí)驗(yàn)，材料在顯微鏡下放大50倍的照片如圖3(b)。

圖3 負(fù)壓吸盤吸附皮革和非織材料實(shí)驗(yàn)圖

Lien等設(shè)計(jì)了一種Coanda末端噴射器，是集真空發(fā)生和吸取為一體的真空吸盤。該裝置[23]如圖4所示。圖中2為次級氣流，初級高速氣流經(jīng)過通道1匯聚在噴嘴壁上，并沿著擴(kuò)散器3的內(nèi)壁繼續(xù)流動(dòng)，從而帶動(dòng)噴嘴外部區(qū)域的次級氣流進(jìn)入噴射器。經(jīng)過對Coanda噴射器的流量分析，可得出次級氣流與初級氣流的比率約為10，這就使得該噴射器適合多孔材料抓取。Lien等對具有多孔結(jié)構(gòu)的服裝品進(jìn)行了抓取實(shí)驗(yàn)，圖5為該吸盤吸取服裝布料的實(shí)驗(yàn)圖。Fleischer等在Coanda噴射器研究的基礎(chǔ)上，把Coanda噴射器與壓力控制系統(tǒng)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出了一種可實(shí)時(shí)監(jiān)測吸盤壓力的吸取裝置，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該裝置可穩(wěn)定吸附CFRP[24]。

1—初級氣流通道； 2—次級氣流； 3—?dú)饬鲾U(kuò)散管道。

圖5 Coanda噴射器吸取布料實(shí)驗(yàn)圖

負(fù)壓吸附在抓取無空隙材料面料的時(shí)候性能優(yōu)異，在抓取少孔和多孔面料時(shí)性能逐漸降低，需要提供的負(fù)壓值也逐漸增加，導(dǎo)致能量消耗很大，若負(fù)壓值達(dá)不到指定要求，抓取的穩(wěn)定性也會降低；但負(fù)壓吸附對工作環(huán)境的要求較低，可滿足大多數(shù)車間的生產(chǎn)需求。在面料轉(zhuǎn)移過程中，因吸附力不穩(wěn)定也會導(dǎo)致面料在工作臺上的定位精度降低。

1.3 靜電吸附抓取轉(zhuǎn)移

靜電吸附是指對電極板加高強(qiáng)電壓，使得電極板上產(chǎn)生大量的自由電荷，自由電荷會產(chǎn)生強(qiáng)電場使電極板和面料極化，再利用異性電荷相互吸引的原理，達(dá)到電極板吸附面料的目的。靜電吸附的原理是由電極板與極性面料之間構(gòu)成的電容系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的[25]。電極板上的正負(fù)電極交錯(cuò)排布，2個(gè)極板之間為均勻電場[26-27]，附近為邊緣電場，面料與靜電吸附單元接觸面形成強(qiáng)烈的電位差，面料表面產(chǎn)生極化現(xiàn)象，也可稱為面料與靜電吸附單元產(chǎn)生電位差，相互之間產(chǎn)生靜電吸附力，從而達(dá)到吸附面料的效果[28]，靜電吸附原理如圖6所示。

1—極化的面料；2—絕緣層；3—電極組。

Schaler等[29]設(shè)計(jì)了一款基于靜電吸附的柔性靜電抓手，能夠抓取柔性物體(MLI)，應(yīng)用于國際空間站的維修。國內(nèi)一些公司生產(chǎn)的靜電吸盤[30-32]，可安裝在機(jī)械手上來抓取多孔、柔軟的布料，且吸附力比較穩(wěn)定，不會對布料產(chǎn)生損壞，也可配合視覺設(shè)備和機(jī)械手一起使用，從而實(shí)現(xiàn)智能化抓取。靜電吸盤實(shí)物圖如圖7所示。ZHANG[33]也介紹了一種用于航空航天應(yīng)用中物料搬運(yùn)任務(wù)的大型抓取裝置，可有效抓取大型織物。

圖7 靜電吸盤吸附面料實(shí)物圖

在服裝行業(yè)中，應(yīng)用靜電吸附原理抓取轉(zhuǎn)移面料的研究較少，其主要原因是靜電吸附對生產(chǎn)車間的要求較高。由于靜電可吸附空氣中的塵埃，使吸附能力和定位精度降低，所以需要滿足無塵的環(huán)境[34]。靜電吸盤吸附力的大小取決于電極之間的距離，距離越小，吸附力越大。靜電吸盤的電壓很高，當(dāng)電極很近時(shí)，容易產(chǎn)生擊穿現(xiàn)象。靜電吸盤不僅生產(chǎn)工藝復(fù)雜、制造成本很高，而且很難實(shí)現(xiàn)較重物體的抓取。

1.4 非接觸式吸盤抓取轉(zhuǎn)移

非接觸式吸盤主要分為伯努利懸浮法和漩渦懸浮法[35-37]。伯努利懸浮法的工作原理是在噴嘴與面料之間產(chǎn)生高速流體流動(dòng)[38]，由于氣流高速流動(dòng)，面料和吸盤表面間的壓強(qiáng)變小，面料上表面產(chǎn)生真空區(qū)且小于面料下表面的大氣壓強(qiáng)，從而使得面料被吸盤吸附提升。伯努利懸浮法由伯努利原理可知，在供應(yīng)管道處的能量消耗很大[39]，工作原理圖如圖8所示。旋渦懸浮法的工作原理是壓縮空氣噴出后切向進(jìn)入旋流室[40]，離心力使吸盤內(nèi)部和外部大氣壓產(chǎn)生壓力差，工作原理如圖9所示，旋渦懸浮法空氣消耗量相比伯努利懸浮法要小很多[41-42]。

1—?dú)饬鞣较? 2—吸盤上表面; 3—吸盤下表面。

1—面料；2—真空腔；3—?dú)饬魅肟冢?—旋流方向。

服裝面料抓取轉(zhuǎn)移方式在工業(yè)應(yīng)用中存在著定位精度不夠準(zhǔn)確和各抓取轉(zhuǎn)移方式容易對面料表面產(chǎn)生劃痕缺陷的弊端。機(jī)械手在抓取的時(shí)候容易對面料表面產(chǎn)生抓痕。面料由于具有透氣性，因此負(fù)壓吸盤在吸附面料的時(shí)候也存在一定的局限性。Dini等人制造了可吸附皮革的非接觸吸盤[43]，該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，非接觸吸盤可抓取重量通常在5～50 N之間的大型皮革，且抓取完后皮革表面不會產(chǎn)生任何的痕跡，該裝置的實(shí)物如圖10所示。Ozcelik等[44]設(shè)計(jì)了一種可抓取轉(zhuǎn)移服裝面料的非接觸吸盤，為了消除面料在轉(zhuǎn)移過程中產(chǎn)生相對滑動(dòng)問題，在吸盤座上安裝了2個(gè)平行于吸盤嘴軸線的垂直止動(dòng)件，每個(gè)止動(dòng)件的長度可根據(jù)材料的物理結(jié)構(gòu)和表面光滑度進(jìn)行單獨(dú)調(diào)整。

圖10 非接觸吸盤實(shí)物圖

非接觸吸盤抓取轉(zhuǎn)移方式幾乎適合任何材質(zhì)面料的抓取，且不會對面料產(chǎn)生表面缺陷，更為適合服裝面料的抓取轉(zhuǎn)移。對工作環(huán)境的要求也比較低，可以在普通車間進(jìn)行工作生產(chǎn)。非接觸吸盤的制造成本跟靜電吸附和機(jī)械手相比大幅降低，但能量損耗較大，定位精度也有待提高。

2 服裝面料抓取方法的討論分析

本文介紹了布料抓取的4種抓取轉(zhuǎn)移方式，并對4種抓取方式的性能進(jìn)行比較，如圖11所示。

圖11 面料抓取轉(zhuǎn)移方法的性能對比圖

機(jī)械手適合表面粗糙、厚度在3 mm以上的面料抓取，但制造成本相對較高、定位精度較差，容易使面料產(chǎn)生劃痕，對面料產(chǎn)生不可修復(fù)的缺陷。如果未來機(jī)械手抓與帶有壁虎膠黏劑的軟體手爪結(jié)合[45]，面料的精準(zhǔn)定位和劃痕缺陷問題或許可有效解決。負(fù)壓吸盤適合無紡布等透氣性能差的面料抓取，制造成本低，對工作環(huán)境的適應(yīng)性較好，但抓取面料的吸附力不穩(wěn)定，定位精度較差，對于孔隙較大的面料無法完成抓取工作[46]，且能量消耗大、噪聲高。未來負(fù)壓吸附可在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面進(jìn)一步改進(jìn)，以減少噪聲、降低消耗、提高定位精度和對高彈、大孔徑面料的吸附能力。靜電吸附適合極性面料的抓取，運(yùn)行能耗很小，但靜電吸附容易將布料擊穿[47]，制造成本高昂，且最好在無塵環(huán)境中運(yùn)行，定位精度比負(fù)壓吸附和機(jī)械手高。非接觸吸盤和前3種抓取機(jī)構(gòu)綜合相比，具有適用的面料更廣、工作環(huán)境要求低和制造成本低的獨(dú)特應(yīng)用價(jià)值，而且不會對布料產(chǎn)生劃痕，比較適合面料的抓取；但能量損耗較大，定位精度較低。如果非接觸式吸盤克服能量耗損和定位精度等問題，未來在面料抓取方面將有很大應(yīng)用前景。4種自動(dòng)抓取轉(zhuǎn)移方式的定位精度均有待提高。我們需要分析各種抓取方式的優(yōu)缺點(diǎn)，按照學(xué)科交叉、優(yōu)勢互補(bǔ)的原則開發(fā)實(shí)用性更高、能耗更低、可靠性更強(qiáng)和定位精度更高的面料抓取轉(zhuǎn)移裝置，滿足國家工業(yè)化發(fā)展對面料抓取轉(zhuǎn)移的要求。

3 結(jié)束語

在21世紀(jì)國家大力發(fā)展智能制造的時(shí)代，服裝面料的抓取轉(zhuǎn)移方式必將向自動(dòng)化、節(jié)能化、高效化、高定位精度方向發(fā)展，傳統(tǒng)的人工抓取轉(zhuǎn)移方式必將被自動(dòng)化抓取轉(zhuǎn)移方式取代。本文所述機(jī)械手對面料產(chǎn)生表面劃痕缺陷，負(fù)壓吸附無法吸附高透氣性面料，靜電吸附容易擊穿面料等，均存在一定不可彌補(bǔ)的缺陷。未來在布料抓取方式上，自動(dòng)化非接觸式吸盤以低成本、高效率且無損害等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)可能成為科研人員研究的重點(diǎn)方向。非接觸吸盤的雛形已經(jīng)形成，接下來科研人員需要繼續(xù)提高吸盤的吸取效率和定位精度，降低能量損耗，優(yōu)化非接觸吸盤的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[48]，促進(jìn)與機(jī)械手臂的高效結(jié)合，對提高非接觸式吸盤在服裝面料抓取轉(zhuǎn)移方面的研究具有重要意義。