柔性體死結(jié)打結(jié)裝置研究進(jìn)展

高震南

（陜西理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西 漢中 723000）

死結(jié)，也稱上手結(jié)、交腕結(jié)或半結(jié)，在手術(shù)結(jié)中常稱為簡單結(jié)，是日常柔性體打結(jié)的主要研究對象。柔性體打結(jié)裝置是一種替代手工操作實(shí)現(xiàn)打結(jié)動作，又能避免重復(fù)勞動強(qiáng)度大、效率低、費(fèi)時費(fèi)力等缺陷的機(jī)械化設(shè)備?，F(xiàn)有死結(jié)打結(jié)裝置以打結(jié)器居多，由于造價昂貴、維修困難等原因[1-2]，無法在服裝（吊牌、拎手繩打結(jié)）[3-4]、食品（海帶、腐竹打結(jié)）[5-6]等行業(yè)得到普及。目前工廠仍主要依靠人手操作，不僅增加了勞動力成本，并且隨著工人做重復(fù)性勞動，打結(jié)質(zhì)量無法得到保證。

近些年，隨著一些高校以及地方產(chǎn)業(yè)的投入，對死結(jié)打結(jié)技術(shù)的研究已取得一定的成果。李哲[7-8]發(fā)明了三代海帶打結(jié)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了自動化打結(jié)，提升了打結(jié)效率和打結(jié)成功率。陳天池等[9]對海帶生物力學(xué)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，并基于D 型打結(jié)器設(shè)計了一種海帶打結(jié)機(jī)構(gòu)。夏中鋒等[5]設(shè)計了一種基于PLC 的海帶自動打結(jié)機(jī)控制系統(tǒng)。呂俊杰等[10]基于繞軸旋轉(zhuǎn)打結(jié)法設(shè)計了紙袋拎手繩打結(jié)裝置，僅由一個電機(jī)驅(qū)動。然而，現(xiàn)有死結(jié)打結(jié)裝置仍存在著可靠性差，打結(jié)成功率低等問題，難以在市場上普及。為推動死結(jié)打結(jié)裝置的進(jìn)一步發(fā)展，從死結(jié)成結(jié)原理和打結(jié)技術(shù)兩個方面進(jìn)行論述，通過對不同方法下死結(jié)打結(jié)裝置的功能特點(diǎn)進(jìn)行對比分析，為其他研究者提供進(jìn)一步研究和設(shè)計的參考，對推進(jìn)打結(jié)設(shè)備工業(yè)化，具有重要理論意義和應(yīng)用價值。

1 死結(jié)成結(jié)原理

死結(jié)打結(jié)原理的研究對其裝置的研發(fā)和創(chuàng)新具有重要作用。目前，主要圍繞拓?fù)鋵W(xué)紐結(jié)理論和懸鏈線理論對打結(jié)原理展開研究。

1.1 拓?fù)鋵W(xué)紐結(jié)理論

拓?fù)鋵W(xué)是當(dāng)今數(shù)學(xué)研究的主要領(lǐng)域之一，是研究幾何圖形在連續(xù)改變形狀后仍保持不變的一些性質(zhì)的學(xué)科。紐結(jié)理論是代數(shù)拓?fù)涞囊粋€分支，其最基本的問題是怎樣區(qū)分紐結(jié)。應(yīng)用拓?fù)鋵W(xué)紐結(jié)理論來研究柔性體打結(jié)過程中的特性具有重要意義。

針對第一代海帶打結(jié)機(jī)[7]，王瑞鑫[11]將海帶條視作“8”字形曲帶研究，如圖1 所示，應(yīng)用拓?fù)鋵W(xué)紐結(jié)理論中的纏繞數(shù)、連接數(shù)（LK）及扭轉(zhuǎn)數(shù)（Tw）對海帶成結(jié)的空間狀態(tài)及拓?fù)湫再|(zhì)進(jìn)行描述，證明了第一代海帶打結(jié)機(jī)扭轉(zhuǎn)打結(jié)法的正確性、合理性。

圖1 “8”字形曲帶

針對第三代海帶打結(jié)機(jī)[8]，王小強(qiáng)[12]應(yīng)用拓?fù)鋵W(xué)紐結(jié)理論對成結(jié)機(jī)理進(jìn)行研究，如圖2所示，對打結(jié)過程拓?fù)涞刃ё儞Q，其等效圖為拓?fù)浼~結(jié)中的三葉結(jié)，證明了基于螺旋夾爪打結(jié)原理的正確性。

圖2 成結(jié)機(jī)理研究

呂俊杰[10]、張冬冬[13]等應(yīng)用拓?fù)鋵W(xué)紐結(jié)理論，從環(huán)繞數(shù)、絞擰數(shù)和扭轉(zhuǎn)數(shù)的關(guān)系入手[14]，建立了繩帶的閉環(huán)模型，如圖3 所示。

圖3 繩帶閉環(huán)模型

結(jié)合曲線論[15]，通過建立繩帶彎曲[16]和扭轉(zhuǎn)模型[17]，對繩圈彎、扭能量進(jìn)行分析，得出當(dāng)繩圈方向角θ(s)1＝θ(s)2及扭轉(zhuǎn)數(shù)越少時，繩圈較為穩(wěn)定、易于打結(jié)，并以此為依據(jù)提出繞軸旋轉(zhuǎn)打結(jié)法，如圖4 所示。

圖4 繩帶彎、扭模型

1.2 懸鏈線理論

懸鏈線理論對繩索、電纜、纜繩等柔性體的空間位姿狀態(tài)分析起著重要作用。

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一些學(xué)者們應(yīng)用懸鏈線理論對打結(jié)過程中的形態(tài)變化進(jìn)行研究。王宇銳等[18-19]應(yīng)用懸鏈線理論分析海帶線的一條邊線在海帶打結(jié)過程中的狀態(tài)變化，研究海帶成結(jié)原理，建立海帶線數(shù)學(xué)模型，得出海帶線符合扭轉(zhuǎn)打結(jié)法的條件，證明了第二代海帶打結(jié)機(jī)打結(jié)方法的正確性、合理性。圖5 為海帶線受力圖。

圖5 海帶線受力圖

為了對成結(jié)機(jī)理及柔性體在成結(jié)過程中的狀態(tài)變化進(jìn)行綜合研究，一些學(xué)者將拓?fù)鋵W(xué)紐結(jié)理論與懸鏈線理論相結(jié)合。陳君榮等[20-22]以成結(jié)過程中的交叉點(diǎn)個數(shù)和極值點(diǎn)個數(shù)的變化規(guī)律來反映繩帶拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、幾何形態(tài)，并作為組合指標(biāo)來綜合反映打結(jié)過程中柔性體的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了繩帶在打結(jié)運(yùn)動過程中的形態(tài)控制。

對死結(jié)成結(jié)原理的研究，證明了設(shè)計方案、打結(jié)方法的可行性，為尋求打結(jié)方法以及打結(jié)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了理論上的指導(dǎo)，為提高打結(jié)成功率奠定了基礎(chǔ)。

2 死結(jié)打結(jié)裝置

目前，死結(jié)打結(jié)方法主要有繞軸旋轉(zhuǎn)打結(jié)法、纏繞打結(jié)法、扭轉(zhuǎn)打結(jié)法及基于D 型打結(jié)器式4 種。以幾種典型死結(jié)打結(jié)裝置為例，分別以上述打結(jié)方法對打結(jié)裝置的結(jié)構(gòu)原理、功能特點(diǎn)等展開論述。

2.1 繞軸旋轉(zhuǎn)打結(jié)法

繞軸旋轉(zhuǎn)打結(jié)法是將柔性體繞某一構(gòu)件旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)打結(jié)的方法。呂俊杰等[10]應(yīng)用拓?fù)鋵W(xué)紐結(jié)理論建立拎手繩數(shù)學(xué)模型，通過對繩圈能量分析，提出繞軸旋轉(zhuǎn)打結(jié)法。圖6 為紙袋拎手繩打結(jié)裝置，主要包括夾持機(jī)構(gòu)、繞繩機(jī)構(gòu)和成結(jié)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，僅由一個電機(jī)驅(qū)動，易于控制，能夠減少人工成本；但存在繩子易從凹槽脫落，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差的問題。

圖6 紙袋拎手繩打結(jié)裝置

陳君榮等[21]提出繞軸旋轉(zhuǎn)穿越打結(jié)法，將繩帶一端固定并以自身作為旋轉(zhuǎn)軸，設(shè)計了一種以非完整齒輪盤為驅(qū)動、弧形立面凸輪為支撐、可動夾爪固定的鞋帶打結(jié)機(jī)，并以極值點(diǎn)數(shù)和交叉點(diǎn)數(shù)作為幾何形態(tài)的綜合指標(biāo)對成結(jié)狀態(tài)進(jìn)行描述。如圖7 所示為鞋帶打結(jié)裝置三維模型。

圖7 鞋帶打結(jié)裝置三維模型

2.2 纏繞打結(jié)法和扭轉(zhuǎn)打結(jié)法

纏繞打結(jié)法和扭轉(zhuǎn)打結(jié)法衍生于醫(yī)療行業(yè)的縫合技術(shù)[23-25]。

纏繞打結(jié)法如圖8 所示，其工作原理為[25]：工具1 夾住縫線一端繞工具2 旋轉(zhuǎn)成環(huán)，工具2 夾住縫合線另一端，兩工具相對運(yùn)動，使線圈拉緊成結(jié)。在纏繞過程中，會產(chǎn)生絞擰和扭轉(zhuǎn)兩種變形，因此打結(jié)時繩圈易松脫，打結(jié)速度慢，張緊力不容易控制，增加了打結(jié)難度。

圖8 纏繞打結(jié)法示意圖

圖9 扭轉(zhuǎn)打結(jié)法示意圖

圖10 為三代海帶打結(jié)機(jī)[7-8]，均符合扭轉(zhuǎn)打結(jié)法條件，其功能特點(diǎn)比較如表1 所示。第一代海帶打結(jié)機(jī)全部由氣缸驅(qū)動，打結(jié)過程需要不同夾爪之間三次交接海帶條，使得打結(jié)穩(wěn)定性不好，效率較低[12]。第二代和第三代采用螺旋夾爪進(jìn)行打結(jié)，其工作原理為，由動夾爪和定夾爪分別夾住海帶條兩端，動夾爪在擋桿的配合作用下，夾持海帶條的一端使其繞擋桿和定夾爪形成一個海帶環(huán)再抽出，最后后退形成海帶結(jié)。第三代是將第二代打結(jié)平動機(jī)構(gòu)和打結(jié)轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動方式轉(zhuǎn)為伺服電機(jī)驅(qū)動，有益于增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性、提高打結(jié)效率，但存在夾緊不可靠、海帶條纏繞在夾爪上無法進(jìn)行連續(xù)打結(jié)的問題[12]。

表1 三代海帶打結(jié)機(jī)功能特點(diǎn)比較

圖10 三代海帶打結(jié)機(jī)

2.3 D 型打結(jié)器

D 型打結(jié)器是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域打捆機(jī)的核心機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)對秸稈等農(nóng)作物收集和存儲的作用，可以完成繩子的送線、夾線、繞線成環(huán)、咬線、推線成結(jié)、割線等一系列動作，最終形成一個死結(jié)[26-27]。目前，D 型打結(jié)器在食品加工、包裝等領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用[9]。黃自強(qiáng)等[28]應(yīng)用紐結(jié)理論描述了D 型打結(jié)器打出α結(jié)絞擰數(shù)、環(huán)繞數(shù)和扭轉(zhuǎn)數(shù)之間的關(guān)系，通過分析繩圈彎、扭能量，得出α結(jié)繩圈處于圓形形狀時達(dá)到最低能量穩(wěn)定狀態(tài)。圖11 為基于D 型打結(jié)器設(shè)計的紙袋拎手繩打結(jié)裝置。

圖11 紙袋拎手繩打結(jié)裝置

對以上各類裝置的功能特點(diǎn)及應(yīng)用情況進(jìn)行比較，如表2 所示。

表2 死結(jié)打結(jié)方法及其特點(diǎn)匯總表

從應(yīng)用層面分析如下：

（1）在食品行業(yè)，海帶打結(jié)機(jī)的研究是近年來的一個熱點(diǎn)話題。據(jù)市場調(diào)研機(jī)構(gòu)智研咨詢發(fā)布的報告顯示，我國海帶產(chǎn)量據(jù)世界第一，養(yǎng)殖產(chǎn)量、面積等均同比增長[29-30]。國外在海帶自動打結(jié)方面的研究成果很少見于發(fā)表[31]，且在國內(nèi)外市場上都很少有，因此海帶打結(jié)的工業(yè)化仍然是世界范圍內(nèi)的難題。

（2）繞軸旋轉(zhuǎn)打結(jié)法和扭轉(zhuǎn)打結(jié)法主要應(yīng)用在包裝、食品加工行業(yè)，是目前應(yīng)用較多的兩種打結(jié)方法，所涉及的打結(jié)機(jī)構(gòu)多樣，但普遍存在著打結(jié)效率、打結(jié)成功率較低等問題，并且無法得到一種通用的技術(shù)，需要針對不同的產(chǎn)品設(shè)計相應(yīng)的打結(jié)裝置。

（3）D 型打結(jié)器在包裝和食品加工行業(yè)中得到了一定的研究和應(yīng)用。然而，D 型打結(jié)器空間構(gòu)造復(fù)雜、配合精度高，價格昂貴，帶來的經(jīng)濟(jì)成本較高，因此無法得到普及，目前行業(yè)仍主要以人工打結(jié)為主。

3 總結(jié)與展望

（1）死結(jié)成結(jié)原理的研究，為柔性體打結(jié)方法與機(jī)構(gòu)設(shè)計之間的關(guān)鍵技術(shù)提供了理論支撐。通過拓?fù)鋵W(xué)紐結(jié)理論、懸鏈線理論及曲線論等對死結(jié)成結(jié)原理有了一定的研究，但仍然不夠深入，未形成更加完整的理論，包括數(shù)學(xué)模型等仍有所欠缺，有待于開展深入的理論及應(yīng)用研究，進(jìn)一步的對理論研究進(jìn)行完善；

（2）目前死結(jié)打結(jié)方法主要有四類，繞軸旋轉(zhuǎn)打結(jié)法、纏繞打結(jié)法、扭轉(zhuǎn)打結(jié)法、D 型打結(jié)器式。打結(jié)方法是打結(jié)設(shè)備功能特點(diǎn)的映射，是打結(jié)設(shè)備研發(fā)設(shè)計的重要一環(huán)。由于柔性體打結(jié)過程中姿態(tài)控制的不確定性，打結(jié)質(zhì)量、效率及整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性仍然需要改善。

（3）死結(jié)打結(jié)裝置通過機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)平移、旋轉(zhuǎn)、抓取等基本動作完成打結(jié)任務(wù)，結(jié)構(gòu)簡單、效率較高，雖然取得了很多研究成果，但由于柔性體自身的特性以及使用剛性結(jié)構(gòu)操作柔性物體技術(shù)的不成熟，使得打結(jié)機(jī)仍存在可靠性差、打結(jié)成功率低等問題，難以滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。為推進(jìn)打結(jié)設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用，需加大研究力度，產(chǎn)學(xué)研協(xié)同合作，以實(shí)現(xiàn)打結(jié)設(shè)備的工業(yè)化應(yīng)用。