軟體機(jī)械手逐層分離服裝裁片的影響因素

沈津竹， 蘇軍強(qiáng)

(1.江南大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122，2.江南大學(xué) 設(shè)計(jì)學(xué)院，江蘇 無錫 214122)

服裝企業(yè)智能制造中使用的機(jī)器人，無論是承擔(dān)衣料運(yùn)輸，還是操作衣料縫制，都與機(jī)器人抓取和精準(zhǔn)輸送服裝裁片有關(guān)，其決定了機(jī)器人參與智能制造的有效性[1]。但由于服裝裁片的柔軟性和服裝面料種類的多樣性，使用機(jī)器人進(jìn)行服裝裁片的抓取和精準(zhǔn)運(yùn)輸成了一個(gè)世界性難題[2]。首先，采用剛性的機(jī)器人去抓取柔性的面料會(huì)存在材料不匹配的問題，容易損壞面料等，無法保證成衣質(zhì)量；其次，讓機(jī)器人準(zhǔn)確匹配眾多的面料同樣困難，經(jīng)常出現(xiàn)一次性抓兩層或多層裁片的問題。目前，分離服裝裁片堆垛這一環(huán)節(jié)仍然依靠人工完成，成為服裝生產(chǎn)制造智能化發(fā)展的“瓶頸”之一[3]。實(shí)現(xiàn)服裝裁片抓取的“機(jī)器代人”，需要一種類似人手能匹配面料柔軟屬性、并能準(zhǔn)確抓取服裝裁片的柔性抓取器[4-5]。

近年來，軟體機(jī)械手的興起，為解決這一問題帶來了希望。軟體機(jī)械手作為軟體機(jī)器人的一種[6-7]，與傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人相比，它采用了硅膠等柔韌性強(qiáng)的材料[8]和仿生學(xué)設(shè)計(jì)，能夠更好模擬人手手指的彎折、扭曲等動(dòng)作，可輕而易舉地完成夾起杯子、握住杯子，甚至是握住繡花針等高難度動(dòng)作[9-10]，可以嘗試將其運(yùn)用在裁片堆垛的分離中。2019年，蘇州柔觸機(jī)器人科技有限公司[11]為紡織品抓取設(shè)計(jì)了一款織物抓取用軟體機(jī)械手，該設(shè)計(jì)的靈感來自人手夾取裁片的過程，且適用于多種面料的夾取，但是不能保證準(zhǔn)確逐層抓取裁片。

準(zhǔn)確地逐層分離服裝裁片堆垛是亟待解決的關(guān)鍵問題，且受多種因素影響。因此，研究確定軟體機(jī)械手逐層分離服裝裁片的影響因素，具有一定的理論研究價(jià)值和實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。

1 理論分析

軟體機(jī)械手如圖1所示。軟體機(jī)械手能夠模擬人手指的彎折、扭曲等動(dòng)作，從而準(zhǔn)確抓取布料，實(shí)現(xiàn)服裝裁片堆垛逐層分離。而其能夠成功抓取布料的關(guān)鍵在于軟體機(jī)械手和面料間的靜摩擦系數(shù)大于面料間的動(dòng)摩擦系數(shù)。軟體機(jī)械手抓取裁片時(shí)的受力分析如圖2所示。

圖1 軟體機(jī)械手進(jìn)行裁片堆垛層間分離Fig.1 Separating the garment cutting pieces by soft fingers

T—軟體機(jī)械手對(duì)裁片堆垛的下壓力；f1—軟體機(jī)械手與第1層裁片間的靜摩擦力；f2—第1層裁片和第2層裁片間的動(dòng)摩擦力；W—服裝裁片堆垛的重力。圖2 軟體機(jī)械手抓取裁片時(shí)的受力分析Fig.2 Force analysis when grasping

當(dāng)軟體機(jī)械手與裁片接觸時(shí)，軟體機(jī)械手與裁片之間的靜摩擦力大于第1層與第2層間的動(dòng)摩擦力，且小于第2，3層間的靜摩擦力時(shí)，裁片堆垛的第1層即可被軟體機(jī)械手抓起，且不會(huì)出現(xiàn)抓取多層的情況。同一種面料與軟體機(jī)械手材料間的摩擦系數(shù)符合古典摩擦理論，是恒定不變的。但面料是一種黏彈性材料，面料間的摩擦系數(shù)是不恒定的，不能用古典摩擦理論來看待，需要就黏彈性材料特性對(duì)古典摩擦的結(jié)論進(jìn)行更正[12-14]。

1)當(dāng)施加在物體表面的法向載荷較大時(shí)，摩擦力與法向壓力之間呈現(xiàn)非線性的關(guān)系，即物體表面的法向載荷越大，摩擦力增加得越快。

2)接觸面積對(duì)金屬等材料摩擦阻力的影響較弱，對(duì)黏彈性材料(比如面料)摩擦阻力的影響顯著。

3)摩擦力與速度有關(guān)，但是金屬與金屬之間的摩擦力受速度的影響不大。

4)就黏彈性材料而言，動(dòng)摩擦系數(shù)一般大于或等于其靜摩擦系數(shù)。

此外，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，軟體機(jī)械手的開口距離與其逐層分離服裝裁片難易程度相關(guān)。軟體機(jī)械手的開口距離如圖3所示。圖3中G表示軟體機(jī)械手兩個(gè)指尖張開的水平距離，其大小受氣壓的控制。調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的氣壓旋鈕可調(diào)節(jié)手指的張開距離和對(duì)裁片的作用力度。氣壓越大，指間距越大，軟體手指對(duì)裁片的作用力度越大。一般來說，軟體機(jī)械手的開口越大，兩個(gè)指尖接觸端之間的面料起拱量越大，抓取面料所需要耗費(fèi)的力越多；開口越小，兩個(gè)指尖接觸端之間的面料起拱量越小，抓取面料需要耗費(fèi)的力越少。因此，可以通過軟體機(jī)械手的開口大小對(duì)其抓取服裝裁片的難易程度進(jìn)行判斷分析。

綜上所述，對(duì)軟體機(jī)械手逐層分離服裝裁片影響因素的研究，實(shí)質(zhì)上是研究影響面料之間動(dòng)、靜摩擦系數(shù)的因素[15-16]。因此，本課題選取了4個(gè)典型的面料間摩擦系數(shù)的影響因素[17-19]：表面性能、面料間接觸面積、環(huán)境濕度以及正壓力。通過摩擦測(cè)量實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與討論，研究它們與面料動(dòng)、靜摩擦系數(shù)變化的規(guī)律，從而研究這些因素對(duì)軟體機(jī)械手逐層分離服裝裁片的影響。同時(shí)，還可以通過軟體機(jī)械手的開口大小判斷軟體機(jī)械手抓取服裝裁片的效果，為實(shí)現(xiàn)服裝生產(chǎn)中裁片堆垛自動(dòng)化分離提供參考。

圖3 軟體機(jī)械手的開口距離Fig.3 Opening distance of soft fingers

2 材料與方法

文中主要研究影響面料間摩擦系數(shù)的因素，具體從表面性能、接觸面積、環(huán)境濕度、正壓力4個(gè)方面著手。采用控制變量等實(shí)驗(yàn)方法，通過織物摩擦系數(shù)儀測(cè)量不同因素對(duì)服裝裁片之間的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)的影響，最后通過抓取實(shí)驗(yàn)研究摩擦系數(shù)與面料抓取效果之間的關(guān)系，將不同因素對(duì)摩擦系數(shù)的影響，延伸到對(duì)軟體機(jī)械手進(jìn)行服裝裁片層間分離的影響。

2.1 試樣

選取6種織物，其中3種為梭織面料，3種為針織面料，如圖4所示。6種面料的規(guī)格見表1。所選面料有一定梯度的性能差異，其性能也具有一定的代表性。將搜集的6種風(fēng)格不同的面料裁成尺寸為220 mm(經(jīng)向/橫圈方向長度) ×80 mm的試樣，允許的誤差范圍為±1 mm，具體如圖5所示。在實(shí)驗(yàn)開始前將所有試樣放置在溫度20 ℃和相對(duì)濕度65%的環(huán)境中平衡24 h，對(duì)試樣進(jìn)行干燥處理后備用。

圖4 實(shí)驗(yàn)用織物 Fig.4 Experimental fabric

表1 織物試樣規(guī)格

圖5 試樣規(guī)格尺寸Fig.5 Sample size

2.2 儀器

步入式人工氣候室，日本愛斯佩克公司制造；FD-1A-50真空冷凍干燥機(jī)，北京博醫(yī)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司制造；AL204電子天平，瑞士METTLER TOLEDO公司制造；YG207型自動(dòng)織物硬挺度儀，北京同德創(chuàng)業(yè)科技有限公司制造；YG141D型數(shù)字式織物厚度儀，常州市雙固紡織儀器有限公司制造；COF-2001摩擦系數(shù)儀，北京品智創(chuàng)思精密儀器有限公司制造。

2.3 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)全程在溫度22 ℃、濕度65%的環(huán)境中進(jìn)行(調(diào)節(jié)濕度的實(shí)驗(yàn)過程中除外)。

2.4 實(shí)驗(yàn)步驟

2.4.1裁片表面性能影響實(shí)驗(yàn) 選取織物的正反面、梭織織物的經(jīng)緯向和針織織物線圈的縱向和列向?yàn)檠芯恐笜?biāo)。首先測(cè)量硅膠與面料正面之間的摩擦系數(shù)：對(duì)梭織織物經(jīng)向、緯向分別進(jìn)行測(cè)試，對(duì)針織物線圈的縱向和橫向分別進(jìn)行測(cè)試。

其次，測(cè)量硅膠與面料反面之間的摩擦系數(shù)：對(duì)梭織織物經(jīng)向、緯向分別進(jìn)行測(cè)試，對(duì)針織物線圈的縱向和橫向分別進(jìn)行測(cè)試。

最后，測(cè)量面料正面與反面之間的摩擦系數(shù)：對(duì)梭織織物經(jīng)向、緯向分別進(jìn)行測(cè)試，對(duì)針織物線圈的縱向和橫向分別進(jìn)行測(cè)試。

2.4.2裁片間的接觸面積影響實(shí)驗(yàn) 在其他條件不變的情況下，測(cè)量面料間的接觸面積，再使用2001摩擦系數(shù)測(cè)定儀測(cè)量不同接觸面積下裁片與硅膠之間的靜摩擦系數(shù)和面料與面料之間的動(dòng)摩擦系數(shù)。

2.4.3環(huán)境的濕度影響實(shí)驗(yàn) 在其他條件不變的情況下，模擬服裝生產(chǎn)車間的溫度，設(shè)置22 ℃的溫度環(huán)境，再進(jìn)行織物含水率的調(diào)節(jié)。

將干燥處理后的試樣浸入蒸餾水至完全浸濕后，用夾子夾起試樣并將其懸掛于穩(wěn)定的環(huán)境中，等到試樣不滴水時(shí)，對(duì)試樣進(jìn)行稱重，通過公式計(jì)算試樣的含水率，然后根據(jù)實(shí)際狀態(tài)，每隔一段時(shí)間再次進(jìn)行織物含水率的測(cè)量。待織物達(dá)到所需含水率后，將其密封，然后利用摩擦系數(shù)測(cè)定儀測(cè)量不同含水率下織物的摩擦系數(shù)。

2.4.4裁片表面正壓力影響實(shí)驗(yàn) 在其他條件不變的情況下，更改滑塊質(zhì)量，分別使用200，500 g的滑塊調(diào)整裁片表面受到的正壓力，再使用摩擦系數(shù)測(cè)定儀進(jìn)行面料與硅膠間靜摩擦系數(shù)以及面料間動(dòng)摩擦系數(shù)的測(cè)量。

2.4.5抓取實(shí)驗(yàn) 將表1中6種面料各裁剪出5個(gè)大小形狀相同的裁片，正面朝上堆疊，組成裁片堆垛。實(shí)驗(yàn)中，分別用兩款軟體機(jī)械手抓取各裁片堆垛第1層裁片的中心位置，實(shí)驗(yàn)設(shè)定第1次手指的下壓力為2 N，第2次為5 N，記錄第1層裁片恰好能被抓取時(shí)的軟體機(jī)械手開口距離。

當(dāng)滑塊質(zhì)量為200，500 g時(shí)，采用摩擦系數(shù)測(cè)定儀分別測(cè)量硅膠與面料間的靜摩擦系數(shù)以及面料與面料之間的動(dòng)摩擦系數(shù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 裁片表面性能

織物的表面摩擦性能是其最基本的力學(xué)性能之一，許多因素都會(huì)對(duì)其造成影響，比如紗線的結(jié)構(gòu)參數(shù)、纖維材料的種類、織物組織結(jié)構(gòu)、織物的后整理等。因此，文中對(duì)裁片表面性能進(jìn)行細(xì)化，選取有限個(gè)具有代表性的表面性能作為變量，在保持其他條件不變的情況下，測(cè)試面料間動(dòng)、靜摩擦系數(shù)的變化。

實(shí)驗(yàn)研究的表面性能表現(xiàn)為面料的方向性，即梭織的經(jīng)向或緯向、針織物的橫圈或縱列方向，以及面料的正反面方向。裁片表面性能對(duì)逐層分離的影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。其中，A表示硅膠與面料正面縱向間的摩擦系數(shù)；B表示硅膠與面料正面橫向間的摩擦系數(shù)；C表示硅膠與面料反面縱向間的摩擦系數(shù)；D表示硅膠與面料反面橫向間的摩擦系數(shù)；E表示面料正面和面料反面縱向間的摩擦系數(shù)；F表示面料正面和面料反面橫向間的摩擦系數(shù)(下同)。

圖6 裁片表面性能對(duì)分離效果的影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Experimental results of the influence of surface properties of fabrics on separation effect

從圖6可以看出，硅膠與面料之間的靜摩擦系數(shù)基本小于或接近等于硅膠與面料之間的動(dòng)摩擦系數(shù)，這與古典摩擦理論更正版中的“就黏彈性材料而言，其動(dòng)摩擦系數(shù)一般大于或等于其靜摩擦系數(shù)”相符合；而面料與面料之間的靜摩擦系數(shù)一般大于它們之間的動(dòng)摩擦系數(shù)，這與理論相矛盾。此外，從表中還可以看出一般情況下，面料與硅膠之間的摩擦系數(shù)均大于面料間的摩擦系數(shù)，同時(shí)面料與硅膠之間的靜摩擦系數(shù)大于面料間的動(dòng)摩擦系數(shù)，因此所選取的6種試樣按照力學(xué)分析的理論來說應(yīng)該都能被成功抓取。

從圖6中單獨(dú)分析裁片正反面對(duì)摩擦系數(shù)的影響，裁片正反面的摩擦系數(shù)有區(qū)別，但是差異不大，軟體機(jī)械手抓取說明裁片時(shí)兩面效果相同，或裁片一面相對(duì)于另一面更容易被抓取。因此，在軟體機(jī)械手進(jìn)行服裝裁片層間分離時(shí)，如果服裝生產(chǎn)要求中未明確規(guī)定必須抓取裁片正面或是反面，那么軟體機(jī)械手夾取的位置要盡可能選擇裁片相對(duì)抓取效果更好的表面。

從圖6中單獨(dú)分析面料表面橫圈方向、縱列方向的不同對(duì)面料摩擦系數(shù)的影響，不同方向的面料摩擦系數(shù)有區(qū)別，但是差異不大，說明橫圈、縱列兩個(gè)方向軟體機(jī)械手抓取效果相同，或有一個(gè)方向相對(duì)而言更容易被抓取。因此，在軟體機(jī)械手進(jìn)行服裝裁片層間分離時(shí)，如果服裝生產(chǎn)要求中未明確規(guī)定必須抓取某個(gè)特定方向，那么軟體機(jī)械手夾取的位置要盡可能選擇裁片表面相對(duì)抓取效果更好的方向。

為了更好地研究裁片表面性能對(duì)面料間摩擦系數(shù)的影響，進(jìn)而探討其對(duì)軟體機(jī)械手逐層分離服裝裁片的影響，文中引進(jìn)了“摩擦因子”的新概念。摩擦因子是指軟體機(jī)械手材料與裁片間的靜摩擦系數(shù)與裁片間的動(dòng)摩擦系數(shù)之比。設(shè)摩擦因子為C，則C=f1/f2。其中，f1為硅膠與面料間的靜摩擦系數(shù)(本文設(shè)定軟體機(jī)械手所用材料為硅膠面料，f1即為軟體機(jī)械手材料與裁片間的靜摩擦系數(shù))，f2為面料之間的動(dòng)摩擦系數(shù)。

由上文可得，當(dāng)硅膠與面料間的靜摩擦系數(shù)即軟體機(jī)械手材料與面料間的靜摩擦系數(shù)大于或等于面料與面料之間的動(dòng)摩擦系數(shù)時(shí)，服裝裁片可以被抓取。也就是說，當(dāng)裁片的摩擦因子大于等于1時(shí)，裁片均可被抓取，通過比較表中2種試樣的摩擦因子，可以得出以下數(shù)據(jù)及相關(guān)結(jié)論：

從表2觀察得出，6種試樣在所有組合下的摩擦因子數(shù)值均大于1，即這6種試樣均可以被抓取。同時(shí)，由于前3種試樣均為梭織織物，后3種試樣均為針織織物，得出梭織織物的摩擦因子與針織織物相比較大，因此梭織織物的抓取效果相對(duì)針織織物而言較好。

通過比較不同軟體機(jī)械手放置方向和裁片的放置方向及正反面下摩擦因子的大小，得出針對(duì)6種試樣摩擦因子數(shù)值最大時(shí)的放置組合，具體見表3。將6種試樣按照表3中組合，用軟體機(jī)械手對(duì)其抓取面料的效果進(jìn)行驗(yàn)證。抓取效果如圖7所示。

表2 摩擦因子

表3 試樣摩擦因子最大時(shí)的放置組合

圖7 軟體機(jī)械手抓取效果驗(yàn)證Fig.7 Grasping effect verification of soft manipulator

圖7(a)～圖(f)中試樣分別按照最大摩擦因子時(shí)的放置組合進(jìn)行擺放。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)在該擺放組合，6種面料均能被軟體機(jī)械手成功抓取，且抓取效果較好，這也驗(yàn)證了摩擦因子理論的正確性。

3.2 裁片間的接觸面積

古典摩擦理論認(rèn)為，摩擦系數(shù)與接觸面積無關(guān)。然而，由于服裝裁片是一種黏彈性材料，黏彈性材料的摩擦系數(shù)與接觸面積有關(guān)。因此，需將接觸面積作為實(shí)驗(yàn)變量之一來研究其對(duì)裁片摩擦系數(shù)的影響[20]。

在工程問題中，幾乎任意兩個(gè)物體相接觸時(shí)的接觸表面都是粗糙的，這使得兩個(gè)物體表面之間的接觸總是發(fā)生在個(gè)別點(diǎn)上，如圖8所示。接觸面積可分為以下3種類型：

名義接觸面積，也被稱為接觸表面的宏觀面積，指的是物體的外部輪廓尺寸，見圖8中S1=ab，即方形輪廓物體的名義接觸面積為長和寬的乘積。

輪廓接觸面積，是指接觸表面被壓平部分的面積，如圖8中紅色區(qū)域，記作S2。

實(shí)際接觸面積，即為兩物體真實(shí)接觸面積，記為S3。它是由粗糙表面較高微凸體接觸構(gòu)成的微觀接觸面積，即圖8紅色區(qū)域小黑點(diǎn)部分的總和[20]。

圖8 接觸面積示意圖Fig.8 Diagram of contact area

在保持其他條件不變的情況下，通過對(duì)面料的裁剪減少裁片間的接觸面積，研究裁片間在不同接觸面積下摩擦系數(shù)的變化。通過測(cè)量，得出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及相關(guān)結(jié)論，具體見表4。

從表4中分析可得，隨著試樣之間接觸面積的增大，硅膠與面料間的靜摩擦系數(shù)以及面料與面料之間的動(dòng)摩擦系數(shù)都有所下降，且動(dòng)摩擦系數(shù)的下降幅度相比靜摩擦系數(shù)較大。

表4 不同接觸面積下面料的摩擦系數(shù)

在接觸面積較小時(shí)，硅膠與6種試樣之間的靜摩擦系數(shù)均小于面料與面料之間的動(dòng)摩擦系數(shù)，摩擦因子<1 ，則這6種試樣在S1的情況下均不能被成功抓?。辉诮佑|面積較大時(shí)，由于面料與面料之間的動(dòng)摩擦系數(shù)下降的幅度大于硅膠與面料的靜摩擦系數(shù)下降的幅度，致使硅膠與面料之間的靜摩擦系數(shù)大于面料與面料之間的動(dòng)摩擦系數(shù)，面料能夠被成功抓取。這說明，在服裝裁片堆垛層間分離時(shí)，若面料不能成功抓取，可以適當(dāng)增大面料間的接觸面積，提高摩擦因子的數(shù)值，從而增大軟體機(jī)械手抓取面料成功的概率。

3.3 環(huán)境的濕度

濕度是外界環(huán)境對(duì)面料摩擦系數(shù)影響顯著的一個(gè)因素。通常在高溫高濕的環(huán)境下，隨著濕度增大，裁片間的接觸面積不斷增加，纖維和紗線間空隙處空氣明顯減少，裁片摩擦性能將會(huì)受到影響。因此，文中在保持其他條件不變的情況下，通過調(diào)節(jié)裁片含水率和室內(nèi)溫度，模擬不同的濕度環(huán)境，研究裁片在不同濕度下表面摩擦系數(shù)的變化。

為了使實(shí)驗(yàn)環(huán)境符合生產(chǎn)環(huán)境，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，設(shè)置環(huán)境溫度為22 ℃。在此基礎(chǔ)上對(duì)織物含水率進(jìn)行調(diào)節(jié)，再使用摩擦系數(shù)測(cè)定儀測(cè)量不同溫度下的f2。環(huán)境濕度對(duì)逐層分離的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同含水率下面料與面料之間動(dòng)摩擦系數(shù)的變化Fig.9 Changes of dynamic friction coefficient between fabrics under different moisture content

由圖9可得，在其他條件不變，當(dāng)織物含水率較小時(shí)，面料與面料之間的動(dòng)摩擦系數(shù)在一定范圍內(nèi)會(huì)先隨著含水率的增加而增加；當(dāng)織物的含水率增加到一定程度時(shí)，織物的動(dòng)摩擦系數(shù)隨著織物含水率的增加呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。在織物含水率約為20%時(shí)，面料與面料之間的動(dòng)摩擦系數(shù)達(dá)到最大值。這是因?yàn)楫?dāng)織物含水率較低時(shí)，纖維吸水發(fā)生膨脹，水分子進(jìn)入纖維與纖維之間的間隙，增大了纖維的直徑，同時(shí)也提高了織物的緊度，導(dǎo)致織物手感變硬。當(dāng)含水率較小的織物發(fā)生摩擦?xí)r，由于其蓬松柔軟的特性，不易發(fā)生沖突膨脹，摩擦系數(shù)較小。繼續(xù)提高織物的含水率，可使得織物內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊密，手感更僵硬，摩擦系數(shù)變大。當(dāng)織物的含水率較高時(shí)，水分子已經(jīng)完全占據(jù)織物內(nèi)部空隙，吸附在織物表面的多余水分子會(huì)形成一層水膜，水膜提高了織物表面的光滑程度，使織物在摩擦過程中容易發(fā)生水滑，并且水分子越多，織物表面越光滑，織物摩擦系數(shù)越小。

由圖9分析可得，針織面料之間的動(dòng)摩擦系數(shù)一般大于梭織面料，但兩者有著相同的變化趨勢(shì)，即先隨著織物含水率的增加而增加達(dá)到峰值后隨著織物含水率的增加而減小。

由于硅膠材料的特殊性質(zhì)，織物含水率增加后，硅膠表面會(huì)發(fā)生水滑現(xiàn)象，且織物含水率越高，水滑現(xiàn)象越明顯，從而導(dǎo)致硅膠與面料之間的靜摩擦系數(shù)減小，呈現(xiàn)出靜摩擦系數(shù)隨著織物含水率的增加而減小的趨勢(shì)。同時(shí)，面料之間的動(dòng)摩擦系數(shù)在一定范圍內(nèi)會(huì)隨著含水率的增加而增大，達(dá)到峰值后隨含水率的增加而減小。由摩擦因子的公式“C=f1/f2”觀察得知，當(dāng)硅膠與面料間的靜摩擦系數(shù)f1隨著含水率的增加而減小，面料與面料之間的動(dòng)摩擦系數(shù)f2隨著含水率的增加而增加時(shí)，摩擦因子C減小，對(duì)面料的抓取效果造成影響，甚至使摩擦因子小于1從而抓取面料失敗。伴隨著含水率的繼續(xù)增大，硅膠與面料之間的靜摩擦系數(shù)持續(xù)下降，同時(shí)面料與面料之間的動(dòng)摩擦系數(shù)在達(dá)到最大值之后開始下降，但是由于靜摩擦同比下降的比例不確定，所以無法判斷此時(shí)面料的摩擦因子是增大還是減小，也無法預(yù)測(cè)軟體機(jī)械手對(duì)面料進(jìn)行抓取的效果。

3.4 裁片表面正壓力

傳統(tǒng)古典摩擦理論研究表明，當(dāng)物體表面所受的法向載荷較大時(shí)，摩擦力與法向壓力之間呈現(xiàn)非線性的變化關(guān)系，法向載荷越大，摩擦力增加得越快；法向載荷越小，摩擦力增加得越慢。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)以上結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證，保持其他條件不變的情況下，在裁片表面分別擺放200 g和500 g兩種重物，改變裁片表面的正壓力。探討服裝裁片表面正壓力對(duì)逐層分離的影響。不同表面正壓力對(duì)裁片摩擦系數(shù)的影響如圖10所示。

從圖10可以看出，隨著滑塊質(zhì)量從200 g增加到500 g，即裁片表面所受正壓力從2 N增加至5 N(文中選用的重力系數(shù)為g=10 N/kg)，硅膠與面料之間的靜摩擦系數(shù)和面料之間的動(dòng)摩擦系數(shù)都有所降低，同時(shí)，面料之間動(dòng)摩擦系數(shù)下降的幅度普遍大于硅膠與面料之間靜摩擦系數(shù)下降的幅度。再由傳統(tǒng)摩擦理論可推導(dǎo)出：當(dāng)裁片表面所受載荷較低時(shí)，摩擦系數(shù)對(duì)負(fù)載載荷的變化比較敏感，會(huì)隨著載荷量的增加而減小；當(dāng)增加到較大負(fù)荷時(shí)，f1與f2差異會(huì)逐漸變小，最后接近一個(gè)恒定值。

在不同正壓力的情況下分別計(jì)算不同試樣的摩擦因子，結(jié)果見表5，并以此比較不同正壓力對(duì)軟體機(jī)械手抓取面料效果的影響。

圖10 不同表面正壓力對(duì)裁片摩擦系數(shù)的影響Fig.10 Influence of different surface normal pressure on the friction coefficient of the fabrics

試樣1#～3#為梭織織物，試樣4#～6#為針織織物，從表5可以看出，在2，5 N的正壓力下，梭織織物的摩擦因子均大于針織織物。

從表5單獨(dú)分析滑塊質(zhì)量為200 g(裁片表面正壓力為2N)時(shí)不同面料的摩擦因子，可以發(fā)現(xiàn)除面料3以外，其余5種面料硅膠與面料間的靜摩擦系數(shù)均小于面料與面料之間的動(dòng)摩擦系數(shù)，摩擦因子<1，因此軟體機(jī)械手不能成功地抓取試樣1,2,4,5,6。

從表5單獨(dú)分析滑塊質(zhì)量為500 g(裁片表面正壓力為5 N)時(shí)不同面料的摩擦因子，可以發(fā)現(xiàn)6種面料的硅膠與面料間的靜摩擦系數(shù)均大于或接近等于面料與面料之間的動(dòng)摩擦系數(shù)，即摩擦因子都≥1，那么這6種面料均能被成功抓取。因此，抓取服裝裁片堆垛時(shí)，若軟體機(jī)械手一開始不能夠成功抓取裁片，可適當(dāng)?shù)靥岣卟闷砻嫠苷龎毫σ蕴岣卟闷哪Σ烈蜃樱瑥亩纳谱ト⌒Ч?/p>

綜上，正壓力在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，裁片表面所受正壓力越大，則面料的摩擦因子越大，軟體機(jī)械手抓取的效果越好；反之，若裁片表面所受正壓力越小，則面料的摩擦因子越小，甚至降至1以下，從而導(dǎo)致軟體機(jī)械手抓取面料失敗。

4 結(jié)語

文中選取4個(gè)具有代表性的影響因素，即裁片表面性能、裁片間的接觸面積、環(huán)境濕度及裁片表面的正壓力，通過對(duì)6種試樣進(jìn)行摩擦系數(shù)測(cè)試，探討面料間摩擦系數(shù)的變化，從而研究這些因素對(duì)軟體機(jī)械手抓取效果的影響，并得出以下結(jié)論：

硅膠與面料之間的靜摩擦系數(shù)基本小于等于硅膠與面料之間的動(dòng)摩擦系數(shù)，符合古典摩擦理論更正版中的“黏彈性材料的靜摩擦系數(shù)不大于動(dòng)摩擦系數(shù)”。而面料與面料之間的靜摩擦系數(shù)通常大于它們之間的動(dòng)摩擦系數(shù)，與理論相矛盾。裁片正反面的摩擦系數(shù)有區(qū)別，但是差異不大，說明裁片正、反兩面對(duì)軟體機(jī)械手抓取的影響或者兩面效果相同，總有一面相對(duì)于另一面更容易被抓取。至于面料表面橫圈方向、縱列方向的不同對(duì)面料摩擦系數(shù)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示不同方向的面料摩擦系數(shù)有差異，但是差異不大，說明橫圈、縱列兩個(gè)方向軟體機(jī)械手抓取效果相同或總有一個(gè)方向相對(duì)更容易被抓取。

在其他條件不變的情況下，當(dāng)織物含水率較小時(shí)，面料與面料之間的動(dòng)摩擦系數(shù)在一定范圍內(nèi)會(huì)先隨著含水率的增加而增加；當(dāng)織物的含水率增加到一定數(shù)值時(shí)，織物的動(dòng)摩擦系數(shù)隨著織物含水率的增加呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。在織物含水率約為20%時(shí)，面料與面料之間的動(dòng)摩擦系數(shù)均達(dá)到最大值。硅膠與面料間的靜摩擦系數(shù)f1隨著含水率的增加而減小，面料與面料之間的動(dòng)摩擦系數(shù)f2隨著含水率的增加而增加，由此，摩擦因子C會(huì)減小，影響面料的抓取效果，甚至摩擦因子會(huì)<1，致使面料不能夠被成功抓取。而伴隨著含水率的繼續(xù)增大，硅膠與面料之間的靜摩擦系數(shù)持續(xù)下降，同時(shí)面料與面料之間的動(dòng)摩擦系數(shù)在達(dá)到最大值之后開始下降，但是由于與同比靜摩擦下降的比例而言不確定，所以無法確定此時(shí)面料摩擦因子數(shù)值的變化，也無法預(yù)測(cè)軟體機(jī)械手抓取面料的效果。

隨著試樣之間接觸面積的增大，硅膠與面料間的靜摩擦系數(shù)以及面料與面料之間的動(dòng)摩擦系數(shù)都有所下降，且動(dòng)摩擦系數(shù)的下降幅度相對(duì)靜摩擦系數(shù)而言較大。

正壓力在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，裁片表面所受正壓力越大，則面料的摩擦因子越大，軟體機(jī)械手抓取的效果越好；反之，若裁片表面所受正壓力越小，則面料的摩擦因子越小，甚至降到1以下，從而導(dǎo)致軟體機(jī)械手抓取面料失敗。

綜上，服裝裁片表面性能對(duì)其摩擦系數(shù)有一定的影響，但并不顯著，其余3個(gè)因素與摩擦系數(shù)之間呈現(xiàn)非線性的變化規(guī)律。因此，在服裝裁片堆垛逐層分離時(shí)，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論和實(shí)際情況對(duì)某一變量進(jìn)行調(diào)整，從而提高軟體機(jī)械手抓取面料的成功率。文中初步探索了軟體機(jī)械手逐層分離裁片堆垛的影響因素，未來還需在此基礎(chǔ)上探索軟體機(jī)械手相關(guān)參數(shù)與面料相關(guān)參數(shù)的關(guān)系，建立基于軟體機(jī)械手抓取服裝裁片的數(shù)學(xué)模型，以期為實(shí)現(xiàn)服裝裁片堆垛的自動(dòng)化分離與轉(zhuǎn)移提供參考。