鞋帶自動(dòng)穿引機(jī)械手裝置設(shè)計(jì)與研制*

陳 健，陳樂(lè)平

（浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 寧波 315211）

作為世界上最大的鞋業(yè)生產(chǎn)國(guó)，鞋類的加工，包括鞋面的沖孔、縫制、鞋底的涂膠、鞋舌裝配等工序都在向機(jī)器換人發(fā)展，但仍有許多工序以手工操作為主，需要消耗大量人力、財(cái)力和物力，比如穿鞋帶工序，迄今為止仍需要大量熟練工進(jìn)行加工。對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級(jí)，全面提升現(xiàn)代化制造水平，實(shí)現(xiàn)穿鞋帶等工序的機(jī)械化、自動(dòng)化和智能化，對(duì)于發(fā)展像鞋類這樣的傳統(tǒng)加工業(yè)，具有極其重要的作用[1-3]。

鞋帶屬于柔性體，剛度小，易變形，利用機(jī)械手進(jìn)行穿引，在控制上較為簡(jiǎn)便。機(jī)械手相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制方法較為可靠[4-8]，在采摘等類似領(lǐng)域不斷擴(kuò)大應(yīng)用。針對(duì)鞋帶工序的研究，陳罡[9-10]等專家從機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)出發(fā)，進(jìn)行了穿帶機(jī)械手結(jié)構(gòu)的仿真和優(yōu)化分析。這些研究主要集中在穿鞋帶的方案和模擬方面，建立了基于鞋帶特點(diǎn)的機(jī)械手結(jié)構(gòu)方案，并沒(méi)有涉及設(shè)備開(kāi)發(fā)的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程。因此，研發(fā)鞋帶的穿引機(jī)械手裝置，自動(dòng)化完成穿鞋帶工序，對(duì)提升我國(guó)制鞋行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，具有重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

1 鞋帶穿引原理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

人工穿鞋主要包括鞋面夾持、鞋帶穿引、拉伸整理等步驟，由此構(gòu)建了如圖1 所示機(jī)械手穿帶過(guò)程原理。

圖1 機(jī)械手裝置的穿帶原理

設(shè)置雙機(jī)械手，模擬人工雙手操作，從鞋面兩排帶孔同時(shí)進(jìn)行穿引，并結(jié)合位置標(biāo)定，提高精度和效率。詳細(xì)的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖

如圖2 所示，每個(gè)機(jī)械手配備兩個(gè)氣爪，一個(gè)設(shè)置為主氣爪，主要進(jìn)行穿引拉伸動(dòng)作，另一為輔助氣爪，主要進(jìn)行鞋帶頭的過(guò)渡銜接動(dòng)作。

穿引步驟：首先主氣爪在直線氣缸的作用下下降并夾持鞋帶頭，輔助氣爪在直線氣缸的作用下上升，然后機(jī)械手在直線組的驅(qū)動(dòng)下移動(dòng)到鞋面斜孔附近，結(jié)合位置標(biāo)定和直線氣缸的伸縮，驅(qū)動(dòng)主氣爪上的鞋帶頭穿過(guò)斜孔，輔助氣爪下降并夾持鞋帶頭，主氣爪松開(kāi)鞋帶頭并上升，機(jī)械手整體前移動(dòng)一定位置后，主氣爪下降夾持鞋帶頭，輔助氣爪松開(kāi)并上升，主氣爪上升并拉伸鞋帶，到達(dá)設(shè)定位置后在旋轉(zhuǎn)氣缸的作用下180°轉(zhuǎn)向，鞋面在夾持裝置驅(qū)動(dòng)下前進(jìn)一個(gè)孔位，機(jī)械手進(jìn)入下一對(duì)鞋孔的穿引。如此反復(fù)，直到最后完成所有鞋孔的穿引。

2 機(jī)械手位姿控制

由于鞋帶孔較小，并且不同的鞋面孔型不一，機(jī)械手在穿引過(guò)程需要進(jìn)行精確的位姿控制?；趯?duì)人眼視覺(jué)成像原理的認(rèn)知，本文設(shè)計(jì)了雙目立體成像位姿控制方法，其控制流程如圖3 所示。

雙目立體視覺(jué)方法通過(guò)標(biāo)志點(diǎn)在不同圖像的位置建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，以圖像的位置差求解獲取目標(biāo)的幾何位置參數(shù)，結(jié)合攝像裝置的設(shè)定，標(biāo)定出機(jī)械手的位姿參數(shù)并規(guī)劃設(shè)計(jì)出鞋帶穿引的路徑。

通過(guò)立體成像和攝像標(biāo)定，對(duì)機(jī)械手和目標(biāo)的位置關(guān)系進(jìn)行求解標(biāo)定，并轉(zhuǎn)化成驅(qū)動(dòng)參數(shù)，通過(guò)伺服控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)既定的鞋帶穿引動(dòng)作。

由于機(jī)械手受鞋帶柔性變形及本身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)逐步累積誤差。為了進(jìn)一步提高動(dòng)作的精度，并改善雙機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)一致性，設(shè)計(jì)了基于動(dòng)力學(xué)的計(jì)算力矩協(xié)同控制方法，以逆動(dòng)力學(xué)反饋進(jìn)行非線性補(bǔ)償減小跟蹤誤差，其控制策略如圖4 所示。

圖3 雙目立體成像控制流程

方法主要包括PID 和非線性反饋補(bǔ)償兩個(gè)模塊，其中針對(duì)外部的干擾和影響，設(shè)置常見(jiàn)的PID 環(huán)節(jié)進(jìn)行誤差修正。針對(duì)系統(tǒng)性的影響，在內(nèi)設(shè)置非線性反饋補(bǔ)償方法：以力q 與機(jī)械手的運(yùn)行速度和加速度聯(lián)合建立動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)驅(qū)動(dòng)力，補(bǔ)償運(yùn)行誤差，提高穿引過(guò)程的控制精度和穩(wěn)定性。

圖4 控制策略

機(jī)械手在執(zhí)行過(guò)程中，軌跡式樣庫(kù)配置系統(tǒng)通過(guò)計(jì)算力矩協(xié)同控制生成具體的運(yùn)動(dòng)控制指令，完成多個(gè)機(jī)械手之間的配合，實(shí)現(xiàn)多機(jī)械手高速高效的穿引協(xié)同控制。

3 運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化

穿引動(dòng)作軌跡的規(guī)劃，是控制系統(tǒng)進(jìn)行跟蹤控制的先決條件，其核心優(yōu)化運(yùn)動(dòng)路徑以提高運(yùn)行的速度和精度。利用非支配排序遺傳算法，設(shè)計(jì)了鞋帶機(jī)械手多目標(biāo)軌跡優(yōu)化流程。

方法是基于NSGA-II 求解的多目標(biāo)優(yōu)化，在物理層主要有三個(gè)基本步驟：第一步空間標(biāo)定，即建立機(jī)械關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中在空間的各個(gè)位置，連接這些位置，考慮速度和力的約束條件，利用樣條曲線進(jìn)行擬合，確保運(yùn)動(dòng)過(guò)程的連續(xù)順滑；第二步設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)，在鞋帶機(jī)械手運(yùn)動(dòng)中，一般以時(shí)間、能耗、關(guān)鍵參數(shù)變化量等為優(yōu)化目標(biāo)；第三步，利用一維Logistic 映射，對(duì)各控制參數(shù)進(jìn)行遍歷和全局搜索，解決多目標(biāo)沖突，獲取軌跡最優(yōu)解。

受鞋帶機(jī)械手目標(biāo)柔性、難以精確夾持定位、變形大的特性影響，還需要進(jìn)一步進(jìn)行避障技術(shù)的設(shè)計(jì)，以確保穿引質(zhì)量。

在軌跡規(guī)劃中，需要進(jìn)行實(shí)時(shí)避障技術(shù)的設(shè)計(jì)，確保穿引質(zhì)量。本文設(shè)計(jì)了如圖5 所示的向量直方圖避障算法架構(gòu)。

圖5 避障算法構(gòu)架

圖6 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

方法對(duì)鞋帶機(jī)械手的運(yùn)行空間劃分為若干連續(xù)二維柵格，這些二維柵格每個(gè)柵格都包含一個(gè)概率值，構(gòu)建向量直方圖。通過(guò)概率值的大小，來(lái)判斷出現(xiàn)障礙的可能性，通過(guò)與設(shè)定的閾值進(jìn)行對(duì)比，從而確定是否修改控制參數(shù)，即避開(kāi)障礙物。柵格單元的概率值，主要由傳感器的數(shù)據(jù)和設(shè)定的概率函數(shù)來(lái)確定。

4 樣機(jī)研制實(shí)驗(yàn)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，依托合作企業(yè)，開(kāi)發(fā)了如圖6 所示的自動(dòng)鞋帶機(jī)裝置主要依據(jù)圖2 的結(jié)構(gòu)，以型材搭建整體運(yùn)動(dòng)支架，以線軌為運(yùn)動(dòng)和定位部件，以氣缸為機(jī)械臂中機(jī)械手的伸縮、夾持運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源，結(jié)合原有的鞋面夾持伺服結(jié)構(gòu)，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)控制系統(tǒng)設(shè)定了多種鞋帶花型，選取了運(yùn)動(dòng)鞋、皮鞋和中、高幫女鞋等不同斜面進(jìn)行鞋帶的穿引。結(jié)果統(tǒng)計(jì)表明，鞋帶設(shè)備的定位精度可達(dá)±0.2mm，鞋帶孔的最高穿引導(dǎo)速度可調(diào)達(dá)到7 孔/分鐘，穿帶花樣可達(dá)10 種以上，穿好后的鞋帶松緊基本一致，鞋面變形小，總體穿引質(zhì)量高。

5 結(jié)論

鞋帶自動(dòng)穿引實(shí)驗(yàn)表明，該機(jī)械手裝置定位精準(zhǔn)、運(yùn)動(dòng)柔順，兩只機(jī)械手和四只氣爪運(yùn)行協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)了鞋帶的高效、自動(dòng)和可靠穿引。相比傳統(tǒng)穿鞋帶的工序方法，裝置的自動(dòng)化解決了穿鞋帶需要大量手工操作的勞動(dòng)力瓶頸問(wèn)題，提升了鞋面縫制裝備的整體現(xiàn)代先進(jìn)制造水平，不僅提高了制鞋業(yè)的生產(chǎn)率和生產(chǎn)質(zhì)量，而且降低了人工成本，為產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，提供了重要的科學(xué)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。