基于機器視覺的衣領(lǐng)智能縫紉系統(tǒng)

摘" 要：傳統(tǒng)的衣領(lǐng)的縫紉都為手工縫紉，縫紉質(zhì)量差異化嚴重、效率低、人工成本高，針對這些不足，搭建一個基于機器視覺的智能縫紉系統(tǒng)，該系統(tǒng)將視覺定位技術(shù)、運動控制技術(shù)應(yīng)用在電動縫紉機上，完成衣領(lǐng)的智能縫紉。系統(tǒng)通過預(yù)先標定方法獲得圖像中的點移動到縫紉機縫針正下方時圖像坐標與機械運動坐標的關(guān)系，工作時運用機器視覺技術(shù)獲得待縫紉衣領(lǐng)的圖像并計算縫紉路徑和縫紉點坐標，通過得到的圖像坐標與機械運動坐標的轉(zhuǎn)換關(guān)系，再結(jié)合運動控制技術(shù)和電動縫紉機技術(shù)完成衣領(lǐng)的智能縫紉。該系統(tǒng)可減少一線縫紉工的勞動強度和技術(shù)難度，提高衣領(lǐng)縫紉質(zhì)量和縫紉效率。

關(guān)鍵詞：視覺定位；圖像標定；智能縫紉；運動控制；機器視覺

中圖分類號：TP391.4" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）17-0038-04

Abstract： Traditional collar sewing is manual work， with serious sewing quality differentiation， low efficiency and high labor cost. In view of these shortcomings， an intelligent sewing system based on machine vision is built. The system applies visual positioning technology and motion control technology to electric sewing machine to complete intelligent sewing of collar. The system obtains the relationship between the image coordinates and the mechanical motion coordinates when the point in the image is moved directly under the sewing needle of the sewing machine by the pre-calibration method. During working， the machine vision technology is used to obtain the image of the sewing collar and calculate the sewing path and sewing point coordinates， through the transformation relationship between the image coordinates and mechanical motion coordinates， and then combine the motion control technology and electric sewing machine technology to complete the intelligent sewing of the collar. The system reduces the labor intensity and technical difficulty of front-line sewing workers， and improves the sewing quality and sewing efficiency of collar sewing.

Keywords： visual positioning; image calibration; intelligent sewing; motion control; machine vision

服裝行業(yè)的原材料和勞動力成本不斷上漲，產(chǎn)品產(chǎn)量、生產(chǎn)效率要求卻不斷提高，作業(yè)方式老化、熟練工人培訓(xùn)周期長、招工難等問題不斷凸顯，使得傳統(tǒng)服裝加工企業(yè)面臨前所未有的競爭和挑戰(zhàn)[1-2]。近年來工業(yè)機器人技術(shù)的飛速發(fā)展[3-5]，越來越多的工業(yè)機器人參與到服裝業(yè)生產(chǎn)過程中來解決服裝行業(yè)的這些瓶頸[6-8]。目前，數(shù)字化、智能化、自動化已經(jīng)在服裝企業(yè)得到廣泛應(yīng)用，特別是CAM、CAD的發(fā)展，使得服裝前端工序已經(jīng)基本能夠?qū)崿F(xiàn)自動化[9-10]。但在縫制工序方面，高昂的人工成本、差異化的縫紉質(zhì)量仍然是主要問題[11-12]，這是自動化縫紉技術(shù)被國內(nèi)外學(xué)者廣泛研究的主要原因之一。

目前自動化縫紉技術(shù)方面研究已經(jīng)取得一定的進展與成果。如文獻[13]在原有縫紉機功能的基礎(chǔ)上，加入了自動移動布料平臺，極大提高了生產(chǎn)效率。文獻[14]設(shè)計了一種縫紉線繞線機自動初繞裝置，有效地提高了縫紉線繞制過程中初繞工序的效率和自動化程度。文獻[15]提出了一種基于智能視覺技術(shù)的全自動服裝模板縫紉技術(shù)，設(shè)計一個可沿X、Y、Z 3個方向自由運動的機械本體，完成對面料、PVC、皮革等不同材料的裁剪和制模，實現(xiàn)服裝縫紉自動化。該系統(tǒng)的成功研發(fā)對后續(xù)自動化縫紉設(shè)備的研究具有重要的借鑒意義，但系統(tǒng)使用時仍然會發(fā)生由于面料形變導(dǎo)致的縫紉品質(zhì)差異化大的問題。

本文提出的基于機器視覺的衣領(lǐng)智能縫紉系統(tǒng)是自動化縫紉技術(shù)的一種。為保障質(zhì)感和形狀穩(wěn)定，部分衣領(lǐng)在縫紉制成衣服之前需要對其三邊平行于衣領(lǐng)邊緣區(qū)域進行縫紉，如圖1所示為縫紉衣領(lǐng)實物圖；圖2為縫紉示意圖，黑色框內(nèi)區(qū)域為衣領(lǐng)，虛線為衣領(lǐng)的縫紉路徑。類似地，衣領(lǐng)縫紉同樣存在差異化嚴重、效率低、人工成本高的問題，急需解決。

1" 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作流程

本文提出的衣領(lǐng)智能縫紉系統(tǒng)的主要組成結(jié)構(gòu)包括衣領(lǐng)放置區(qū)域、工業(yè)相機、相機支架、背光源、工控機、電動縫紉機、衣領(lǐng)壓板、二維運動平臺及PLC等。圖3示意了其部分關(guān)鍵零件。

上述結(jié)構(gòu)中，衣領(lǐng)放置區(qū)域的材料為設(shè)有矩形陣列小孔的透明亞克力材料。透明亞克力材料確保相機能夠穩(wěn)定采集到衣領(lǐng)影像，亞克力上的小孔配合底下的負壓系統(tǒng)能夠確保衣領(lǐng)吸附在上面；壓板可由氣缸控制，下壓時壓板壓住衣領(lǐng)，上抬時壓板釋放衣領(lǐng)；壓板安裝在二維運動平臺上，二維運動平臺由PLC控制其往X、Y方向運動；工業(yè)相機位于衣領(lǐng)放置區(qū)域正上方，配合穩(wěn)定的背光源能夠采集置于衣領(lǐng)放置區(qū)域上衣領(lǐng)的圖像；工控機與工業(yè)相機和PLC連接，接受工業(yè)相機采集的圖像，進行圖像分析，計算縫紉路徑及縫紉點坐標，并將縫紉點坐標轉(zhuǎn)換成機械運動坐標，發(fā)送給PLC。

系統(tǒng)的工作流程如下。

首先，將待縫紉的衣領(lǐng)放到衣領(lǐng)放置區(qū)域并通過負壓系統(tǒng)將其吸附在工作臺上。

其次，系統(tǒng)觸發(fā)相機采集衣領(lǐng)的圖像并發(fā)送給工控機，工控機上的圖像算法對圖像進行處理，計算縫紉路徑及縫紉點坐標，同時將這些縫紉點坐標轉(zhuǎn)換成其運動到縫針下方時機械需要運動的坐標，并發(fā)送給PLC，該坐標轉(zhuǎn)換關(guān)系通過標定獲得，標定方法將在本文第2節(jié)介紹。

最后，PLC通過壓板壓住衣領(lǐng)，根據(jù)上一步得到的機械運動坐標逐次將衣領(lǐng)移動到相應(yīng)縫紉位置并控制電動縫紉機完成縫紉。

2" 圖像坐標系與機械坐標系的標定

本文第1節(jié)提到，縫紉坐標與機械坐標的轉(zhuǎn)換關(guān)系通過標定完成，本章將介紹標定方法。

假設(shè)相機平面與衣領(lǐng)放置平面平行，二維平移臺機械坐標系OXY與圖像坐標系O′X′Y′存在一定的夾角，記為θ，則它們的關(guān)系如圖4所示。

則對于圖像上的任何一點（x′，y′）與機械坐標（x，y）的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下

x=x′×r×cos（θ）-y′×r×sin（θ）+x0，（1）

y=x′×r×sin（θ）+y′×r×cos（θ）+y0，（2）

式中：r為圖像放大率，單位μm/pixel；θ為2個坐標系之間的夾角；（x0，y0）為圖像坐標系原點到機械坐標系原點的距離。

簡化抽象公式，令

a=r×cos（θ）， （3）

b=r×sin（θ）， （4）

c=x0， （5）

d=y0。 （6）

則將公式（1）、（2）分別簡化為公式（7）、（8）

x=x′×a-y′×b+c， （7）

y=x′×b+y′×a+d。 （8）

要解出這個方程，需要2組對應(yīng)關(guān)系，就是2組對應(yīng)的坐標點。因此筆者設(shè)計了一種標定方法，標定流程如下。

第一，用透明菲林紙制作含有2個標記點的標定板（如圖5所示）放入相機視場中，2個標記點的距離記為l1，單位為μm。

第二，相機采集標定板圖像，并發(fā)送給工控機。工控機上安裝的圖像處理算法能夠計算2個點的圖像坐標，記為（x′1，y′1）、（x′2，y′2）以及它們之間的距離l2，單位為pixels，則公式（1）、（2）中的圖像放大率r=l1/l2。

第三，通過壓板壓住標定紙，并通過PLC控制二維運動平臺，分別手動將（x1，y1）、（x2，y2）對應(yīng)的標記點移動到縫紉機縫針正下方，此時并分別對應(yīng)2個點的機械坐標（x1，y1）、（x2，y2）。

第四，將第三步中得到的2組坐標代入公式（7）、（8），即可得到a、b、c、d 4個系數(shù)，標定完成。

通過標定完成得到的a、b、c、d 4個系數(shù)以及公式（7）、（8），即可知圖像中的點移動到縫紉機縫針正下方時圖像坐標與機械運動坐標的關(guān)系。

3" 縫紉點坐標的計算

系統(tǒng)采集到衣領(lǐng)圖像（如圖6所示）后，需經(jīng)過圖像處理算法計算得到衣領(lǐng)的縫紉點坐標，這是系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

算法的處理流程如下。

第一，通過圖像二值化算法篩選衣領(lǐng)區(qū)域，如圖7中灰色框為衣領(lǐng)區(qū)域的輪廓。

第二，假設(shè)縫紉路徑與邊緣的距離為d（μm），則圖像中縫紉路徑與邊緣的距離d1=d/r（pixels）。其中，r為圖像放大率，由本文第2節(jié)中標定獲得。進一步，算法定義直徑大小為d1的圓形卷積核，并利用該卷積核對衣領(lǐng)區(qū)域作腐蝕運算，得到腐蝕后的衣領(lǐng)區(qū)域。如圖8所示，白色框為其外輪廓。

第三，根據(jù)衣領(lǐng)縫紉工序，腐蝕后衣領(lǐng)區(qū)域的外輪廓的上、左、右3邊輪廓即為縫紉路徑，因此算法需要分割得到這3邊輪廓。算法根據(jù)拐點將腐蝕后衣領(lǐng)區(qū)域的外輪廓分割成子輪廓，并根據(jù)子輪廓的位姿得到左、上、下3條輪廓，如圖9中白色線所示。

第四，在得到縫紉路徑后，算法還需要計算每個縫紉點的坐標。根據(jù)衣領(lǐng)縫紉工序的要求，每2個縫紉點間距需保持一致，因此需對設(shè)定的縫針間距進行微調(diào)。調(diào)整方法如下：根據(jù)3條子輪廓的長度以及初始縫針間距確定每條輪廓上的縫紉點個數(shù)。如子輪廓長度為L，縫紉間距為d2，則該輪廓上縫紉點的個數(shù)n為L/d2四舍五入后的整數(shù)，則調(diào)整后的縫紉間距d3=L/n。

第五，最后，算法根據(jù)縫紉路徑（輪廓）及調(diào)整后的縫針間距d3可計算得到衣領(lǐng)的縫紉點坐標，如圖10中白色的點所示。

4" 結(jié)束語

在本文中，提出了一種基于機器視覺的衣領(lǐng)智能縫紉系統(tǒng)，系統(tǒng)將機器視覺技術(shù)、運動控制技術(shù)應(yīng)用在電動縫紉技術(shù)上，完成衣領(lǐng)的智能縫紉。系統(tǒng)節(jié)省了模具設(shè)計、制作和更換等帶來的經(jīng)濟、時間成本，減少了一線縫紉工的勞動強度和技術(shù)難度，提高了衣領(lǐng)縫紉工藝質(zhì)量和縫紉效率。該縫紉系統(tǒng)同樣適用于其他縫紉場合，如衣服口袋、領(lǐng)帶、口罩等，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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