面向柔性面料立體縫紉的隨形機械手設計

高曉飛， 齊立哲， 孫云權(quán)

復旦大學 工程與應用技術(shù)研究院， 上海 200433)

服裝是人們生活中不可或缺的物品之一，其質(zhì)量的好壞過多依賴于人工技能水平的高低，具有一定的不穩(wěn)定性，尤其是縫紉工藝環(huán)節(jié)，對最終的服裝質(zhì)量有著決定性影響，而立體縫紉又是縫紉工藝中最難實現(xiàn)自動化的一種。目前，人工進行立體縫紉的衣服一致性并不是很好，受各種人為因素的影響，可能會出現(xiàn)波浪、不對稱、起皺、跳針跳線、骨位錯開、不圓順等缺陷，嚴重影響衣服的外觀和質(zhì)量。綜上，傳統(tǒng)的縫紉方式不能滿足立體縫紉一致性的要求，需要尋找一種新的縫紉方式來代替人工完成立體縫紉，以此來保證縫紉質(zhì)量的穩(wěn)定性。目前，利用機器人技術(shù)、信息技術(shù)和自動化控制工程等學科的最新研究理論與技術(shù)，研究自動化縫紉和柔性面料加工技術(shù)成為服裝加工行業(yè)的熱點。

目前，行業(yè)內(nèi)對自動化立體縫紉的研究分為以下幾個方面。1)基于視覺的自動化立體縫紉：Kim等[1]開發(fā)了自動縫紉機控制器和三維測量系統(tǒng)，可以確定立體縫紉的最佳工藝參數(shù)；Yoshimi等[2]針對三維立體縫紉織物開發(fā)了一套機器人系統(tǒng)，在低速喂料的前提下，可進行三維曲面縫制；Shungo[3]針對服裝縫制過程的自動化問題，設計了一套雙臂縫紉系統(tǒng)，實現(xiàn)了立體縫紉過程中的自動送料。2)基于力位混合信息的立體縫紉技術(shù)：如美國Softwear公司[4]研發(fā)了一條適用于T恤生產(chǎn)的全自動生產(chǎn)線，通過視覺引導縫紉，極大地提高了自動化生產(chǎn)效率；Schrimpf等[5-6]提出了雙臂協(xié)同作業(yè)進行縫紉的方案，主要由2款優(yōu)傲機器人協(xié)作運動，在激光視覺的引導下進行縫紉操作[7]，此外作者還通過三角測量的原理設計了一套視覺系統(tǒng)，用于縫紉過程中的邊緣檢測系統(tǒng)[8-9]，能夠讓機械臂在縫紉過程中完成實時的誤差調(diào)節(jié)，以達到縫紉效果最優(yōu)的目的，為控制面料縫紉過程的穩(wěn)定性，作者還加入了力控因素[10]，保證縫紉質(zhì)量的穩(wěn)定性。3)硬質(zhì)材料立體縫紉技術(shù)：德國KSL公司[11]研制的自動化縫紉系統(tǒng)由機器人攜帶縫紉機頭對材料進行縫紉，目前已經(jīng)能夠針對皮革、涼席等硬質(zhì)材料進行自動化縫紉，但無法應用于柔軟性面料；Jonathan Zornow研發(fā)出一種熱塑性溶劑，可將面料硬化增強其剛度，便于機器人抓取操作，加工完成后將面料溶于水，又會恢復面料原本的特性，這樣更容易實現(xiàn)服裝自動化加工，但其成本和可操作性都有待優(yōu)化；此外，還有一些學者對縫紉過程中的智能控制進行研究[12-14]，主要是為縫紉過程自動化控制提供一些理論模型。

雖然行業(yè)內(nèi)的專家經(jīng)過多年研究取得了一定研究成果，但在實際應用中還存在一定問題。1)柔軟面料精確定位抓取的難題。由于不同尺碼的衣服尺寸具有差異性，在自動化縫紉過程中如果衣服換碼加工，就得對生產(chǎn)線進行較大的改動，所以如何解決不同尺碼面料的自適應抓取問題成為關(guān)鍵，而且還需要自動適應不同形狀的邊緣形狀。2)面料縫制過程中自動糾偏的難題。在縫紉過程中，基于機器振動因素和面料本身的柔軟特性，面料會發(fā)生偏移，縫紉軌跡會發(fā)生偏差，傳統(tǒng)的模板法和機器人離線編程法都無法進行在線糾偏，那么如何解決縫紉過程中面料出現(xiàn)偏差時自動糾偏的難題成為難點。針對上述問題，本文通過對縫紉工藝進行分析，設計了一款適用于立體縫紉的隨形機械手裝置，以解決自適應撐布問題和縫紉過程中自動調(diào)布的問題。

1 隨形機械手機構(gòu)設計及自由度分析

1.1 工藝描述

T恤的衣袖軌跡如圖1所示。其軌跡就是把袖片和衣片連在一起，將腋下接縫處和肩縫處對齊，袖孔包住筒狀袖片，由于袖山弧線與袖窿弧線只有在空間某個位置才能重合，所以采用包縫工藝進行空間立體縫紉。為滿足立體縫紉的動作要求，首先需要有撐布的動作，將衣片和袖片撐成空間立體形狀進行空間弧線擬合，因為袖片整體近似為圓臺形，所以撐布動作需要機構(gòu)有2組繞桿軸轉(zhuǎn)動動作，分別來完成袖片和衣片的撐緊。在縫紉過程中如果縫紉軌跡與弧線有偏差，需要進行糾偏，糾偏動作需要沿著連桿方向進行移動來完成袖片的位置調(diào)節(jié)。所以根據(jù)立體縫紉的工藝要求，該機構(gòu)需要至少1個轉(zhuǎn)動自由度和1個移動自由度來完成立體縫紉的撐布和糾偏動作。

圖1 T恤衣袖軌跡示意圖

1.2 隨形機械手機構(gòu)設計

根據(jù)1.1節(jié)的工藝要求，隨形機械手機構(gòu)需至少具備2個自由度，來完成衣袖過程中的撐緊和糾偏，由于袖片屬于空間近似對稱形狀，所以自動衣袖過程也近似為對稱縫紉的過程。為簡化自動化縫紉的控制流程，本文設計為偶數(shù)組空間對稱的2自由度的平面機構(gòu)來完成空間撐布過程。以2XL的T恤作為研究對象，其袖片周長約為560 mm，如圖2所示。

圖2 袖片尺寸圖

將袖片進行若干等分，將等分點依次對齊，測量袖片和衣片之間的誤差，如圖3所示。將袖片2等分時，袖片和衣片的誤差為39 mm；將袖片4等分時，誤差為9 mm；將袖片6等分時，誤差為5.5 mm；將袖片8等分時，誤差為1 mm。

圖3 袖片等分誤差圖

通過實驗證明，8等分之后的袖片與衣片的擬合度最高，所以4組連桿機構(gòu)是能夠使袖片和衣片空間擬合的最少組數(shù)。

根據(jù)工藝需求分析，本文設計了一款空間結(jié)構(gòu)對稱的4-HPP6R隨形機械手，如圖4所示。該機構(gòu)由靜平臺和4組支鏈構(gòu)成。由于每組支鏈結(jié)構(gòu)相同、參數(shù)類似，所以本文只分析其中1組支鏈，其他支鏈的分析方法相同。該機構(gòu)每組支鏈都是1組平面連桿機構(gòu)，其機構(gòu)示意圖如圖5所示。螺旋副O(jiān)1為驅(qū)動副，驅(qū)動各個支鏈進行空間轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)副Ai、Bi、Ci(i=1，2)均為連桿機構(gòu)的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，移動副Mi(i=1，2)為驅(qū)動副，驅(qū)動面料沿著支鏈方向進行移動，所以通過驅(qū)動螺旋副和移動副能夠改變各支鏈末端的空間位置。

圖4 4-HPP6R隨形機械手三維示意圖

圖5 平面連桿機構(gòu)示意圖

1.3 自由度分析

根據(jù)Grüler_Kutzbach公式，自由度計算公式為

(1)

式中：λ為機構(gòu)的階數(shù)；n為活動構(gòu)件數(shù)；p為運動副數(shù)；fi為第i個運動副的自由度數(shù)。

由于分析的機構(gòu)為平面連桿機構(gòu)，所以階數(shù)為3，活動構(gòu)件共有7個，運動副數(shù)為9個，且運動副均為自由度為1的低副，該機構(gòu)不存在虛約束，不存在局部自由度。所以該平面機構(gòu)的自由度為

該平面連桿機構(gòu)的每只手指都可以完成繞鉸鏈轉(zhuǎn)動和沿連桿方向移動2個動作，由于該機構(gòu)為空間對稱結(jié)構(gòu)，有4組類似的結(jié)構(gòu)組成，所以整體自由度為9。該結(jié)構(gòu)中，螺旋副能夠驅(qū)動連桿向外擴張，達到撐開面料的目的，每根連桿上的皮帶移動副都可以通過正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)面料對應位置上的位置調(diào)節(jié)。

2 隨形機械手機構(gòu)運動學分析

2.1 位置分析

選取螺旋副作為內(nèi)支鏈的驅(qū)動副，鉸鏈的結(jié)構(gòu)矢量圖如圖6所示。驅(qū)動距離為Ly；連桿O1B長度為L1，其與y軸夾角為β1；連桿AB長度為L2，其與x軸夾角為α1；連桿CD長度為L3，連桿O1C長度為L4，連桿AO的長度為LAO，連桿P1B的長度為LP1B。位置分析的目的在于建立驅(qū)動副與連桿末端的映射關(guān)系，設定末端點P1(Px1，Py1)和P2(Px2，Py2)。

圖6 鉸鏈結(jié)構(gòu)矢量圖

(2)

將各矢量分別向x軸和y軸進行投影，得到

(3)

由式(3)可得

(4)

內(nèi)部鉸鏈的P1點坐標可表示為

(5)

2.2 速度與加速度分析

將式(3)分別對時間求導，得到速度關(guān)系：

(6)

進而得出轉(zhuǎn)角β1和α1的轉(zhuǎn)角速度φ1和ω1分別與驅(qū)動速度vy的關(guān)系為

(7)

將式(6)分別對時間求導，得出轉(zhuǎn)角β1和α1的轉(zhuǎn)角加速度分別與驅(qū)動加速度的關(guān)系，結(jié)果近似為0。

機構(gòu)的設計參數(shù)如下，LOA長度為98 mm，L2長度為100 mm，L1長度為110 mm，Ly為一個變動量，即

Ly=85+vt

(8)

式中：v為電動機的驅(qū)動速度，mm/s；t為裝置的運行時間，s。

電動機速度調(diào)整為10 mm/s，時間取8 s，將上述參數(shù)代入到MatLab軟件中進行仿真運算，結(jié)果如圖7所示。通過對機構(gòu)進行運動學仿真，可以得到不同驅(qū)動速度與轉(zhuǎn)角的三角函數(shù)值的對應關(guān)系，進而找到驅(qū)動參數(shù)與目標位置的函數(shù)關(guān)系。

圖7 連桿結(jié)構(gòu)運動規(guī)律曲線圖

2.3 工作空間分析

取t范圍為(0，8)代入式(4)和(5)，得出機械手手爪的工作空間，基于蒙特卡洛法通過MatLab求得手爪的工作空間，如圖8所示。該結(jié)構(gòu)能夠撐起袖口直徑為200～260 mm的袖片。

圖8 機械手爪工作空間

3 力學和單指可調(diào)范圍分析

將機械手手爪調(diào)整面料位置的過程做力學分析，如圖9所示。由于8根手指的結(jié)構(gòu)相同且對稱，所以只分析其中1根，其他分析過程類似，不再贅述。

圖9 機械手爪受力分析圖

當面料套進手爪內(nèi)，手爪在調(diào)整面料位置的過程中會對其產(chǎn)生一定的動摩擦力Fa，方向與手指調(diào)整方向一致；與調(diào)整手指相鄰的2根手指不動，會對面料產(chǎn)生一定的靜摩擦力Fc，方向沿著面料邊緣方向指向相鄰手指兩側(cè)，分別記作F′c和Fc；由于整體手指結(jié)構(gòu)近似為等八邊形，所以手指對面料有向外的支撐力Fb。由于面料具有彈性，所以手指在動作過程中會使面料有一定的彈性變形，當彈性變形達到最大值時，四者在空間會存在2處受力平衡點A和B，此時的受力方程為

(9)

Fb=Fcos(α1-β1)

(10)

(11)

兩側(cè)手指到調(diào)節(jié)手指的距離為a，則單個手指的調(diào)節(jié)范圍為

(12)

將袖片套上去之后，袖片與手指的交叉線作為基準線，然后向上調(diào)節(jié)的范圍記為L上，向下調(diào)節(jié)的范圍記為L下，實際的調(diào)節(jié)范圍就是L上+L下，如圖10所示。

圖10 單手指調(diào)節(jié)過程

與理論計算的數(shù)據(jù)做對比分析，純棉面料與硅膠材質(zhì)的表面摩擦因數(shù)為0.42[16]，純棉面料的彈性系數(shù)約為1.25 N/mm[17]，測試得到手指與面料之間的壓力結(jié)果如圖11所示?？芍斒肿尾挤€(wěn)定之后，連桿測試的壓力F值約等于8 N，然后將參數(shù)代入式(10)～(12)，得出單手指上下調(diào)節(jié)的理論范圍為±20.7 mm。

圖11 壓力與時間關(guān)系圖

4 實驗設計及驗證

搭建如圖12所示的機械手硬件平臺。該平臺主要由控制模塊和執(zhí)行模塊組成?？刂颇K主要由西門子1200系列可編程邏輯控制器(PLC)、電動機驅(qū)動板和信號轉(zhuǎn)換板組成，執(zhí)行模塊主要由驅(qū)動電動機、同步帶和同步輪，以及連桿機構(gòu)組成。

圖12 機械手實驗平臺

減速電動機的額定輸出轉(zhuǎn)速為120 r/min，控制系統(tǒng)由PLC通過脈寬調(diào)制(PWM)的控制方式控制電動機轉(zhuǎn)速。主從同步輪的齒數(shù)相同，均為18齒，節(jié)距為3 mm。設定面料的移動速度為v面料，電動機的轉(zhuǎn)速為v電動機，同步輪直徑為d，則面料進給速度為

v面料=v電動機πd

(13)

控制電動機轉(zhuǎn)速為40 r/min，則面料的進給速度約為41.9 mm/s。設計實驗每隔0.1 s進行1次調(diào)試，對比理論調(diào)試范圍和實際調(diào)試范圍的誤差值，結(jié)果如表1所示。

表1 手爪單指調(diào)節(jié)精度實驗結(jié)果

由表1可知，向上調(diào)節(jié)過程中，由于兩側(cè)手指對面料的拉力，在0.5 s時實際值與理論值的誤差已經(jīng)達到4.8 mm，且調(diào)節(jié)的實際位置與0.4 s的位置相差僅為0.1 mm，所以單手指向上調(diào)節(jié)的最大范圍為16.8 mm。同理，在向下調(diào)節(jié)過程中，在0.4 s時面料的實際位置與理論位置誤差已經(jīng)達到4.5 mm，且與0.3 s時的位置相差0.2 mm，因此，單手指向下調(diào)節(jié)的最大范圍為12.6 mm。綜上所述，機械手的單手指實際調(diào)節(jié)范圍為-12.6～16.8 mm，超出該范圍調(diào)節(jié)誤差將會明顯增加，不再具有實際調(diào)節(jié)意義，在該調(diào)節(jié)范圍內(nèi)最大誤差率為4.34%，最大誤差值為0.70 mm，根據(jù)實際縫紉工藝的技術(shù)要求[18]，縫紉誤差小于2 mm即可滿足實際應用，所以該調(diào)節(jié)精度能夠滿足縫紉要求。

5 結(jié) 論

1)本文提出一種用于柔性面料立體縫紉的隨形機械手結(jié)構(gòu)，通過蒙特卡洛法分析，利用MatLab仿真得出了機械手的工作空間，能夠完成對袖口直徑為200～260 mm袖片的撐布操作，通過力傳感器的信息反饋完成對面料的自適應控制。

2)通過實驗分析，本文所提出的機械手結(jié)構(gòu)具備縫紉過程中自動糾偏的能力，通過力學分析和實驗驗證得出單手指的調(diào)節(jié)范圍為-12.6～16.8 mm，最大誤差率為4.34%，最大誤差值為0.7 mm，可滿足實際縫紉需求。