陳 罡, 金貴陽(yáng), 吳 菁, 羅 千

(1. 浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院, 浙江 杭州 310059; 2. 寧波大學(xué) 機(jī)械工程與力學(xué)學(xué)院, 浙江 寧波 315210; 3. 舒普智能技術(shù)股份有限公司, 浙江 寧波 315100)

服裝縫制行業(yè)是典型的勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè),人工依賴程度高,供應(yīng)鏈周期長(zhǎng),長(zhǎng)期以來(lái)面臨招工難等痛點(diǎn)。通過(guò)引進(jìn)機(jī)器人,結(jié)合視覺(jué)技術(shù),打造高效、專用、穩(wěn)定的高質(zhì)量智能縫制成套裝備,降低縫紉技能要求、減少人工成本、緩解招工難題、提高縫制效率和質(zhì)量,是今后發(fā)展的必然趨勢(shì)。本文設(shè)計(jì)了一種使用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)引導(dǎo)工業(yè)機(jī)械臂完成面料的抓取、對(duì)齊、縫制,并能進(jìn)行縫制軌跡規(guī)劃的智能服裝縫制成套裝備,為提高服裝行業(yè)的自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化程度提供了思路,助力服裝縫制行業(yè)加速轉(zhuǎn)型升級(jí),為中國(guó)智能制造持續(xù)賦能。

縫制成套裝備開發(fā)過(guò)程中,主要有以下難點(diǎn):

1)工業(yè)機(jī)械臂絕對(duì)定位精度不夠[1]。服裝面料要達(dá)到美觀的縫制效果,面料對(duì)齊精度要控制在0.2 mm以內(nèi)、機(jī)械臂抓取誤差要控制在0.2 mm以內(nèi)?，F(xiàn)有工業(yè)機(jī)械臂的絕對(duì)定位精度一般為毫米級(jí),無(wú)法滿足高端制造領(lǐng)域和服裝縫制領(lǐng)域的精度要求。

2)輪廓提取困難[1]。面料縫制過(guò)程中,要求針、線的配合精度高,如果輪廓提取的精度不高或缺失,將影響縫制的質(zhì)量。當(dāng)前有些算法提取輪廓時(shí),容易受到背景影響,易檢測(cè)到錯(cuò)誤邊緣,需要對(duì)其改進(jìn)。

3)機(jī)械臂與專用縫機(jī)協(xié)同控制困難。由于二者是2個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng),需要做到二者精準(zhǔn)的協(xié)同,才能完成面料的轉(zhuǎn)移、對(duì)齊和復(fù)雜的縫制任務(wù),而當(dāng)前主要依靠人工示教,費(fèi)時(shí)費(fèi)力、靈活性低,無(wú)法保證精度。

近年來(lái),已有不少學(xué)者針對(duì)以上關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了相關(guān)的研究工作。對(duì)于機(jī)械臂絕對(duì)定位精度不夠,主要靠工業(yè)機(jī)械臂校準(zhǔn)和誤差補(bǔ)償方法改進(jìn)。工業(yè)機(jī)械臂校準(zhǔn)方法有空間長(zhǎng)度校準(zhǔn)法、空間坐標(biāo)校準(zhǔn)法、空間姿態(tài)校準(zhǔn)法[2];誤差補(bǔ)償方法有基于運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的和基于非運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的誤差補(bǔ)償方法[3-5],分別可以解決幾何參數(shù)誤差和非幾何參數(shù)誤差導(dǎo)致的工業(yè)機(jī)械臂絕對(duì)定位精度低的問(wèn)題。對(duì)于輪廓提取算法,文獻(xiàn)[1]比較了基于邊緣算子、基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)、基于水平集的面料輪廓視覺(jué)提取算法,得出基于Canny算子的輪廓提取算法,更適用于服裝面料的輪廓提取。

綜合現(xiàn)有研究,針對(duì)智能縫制裝備的研究主要以綜述介紹性論文為主,泛泛介紹了相關(guān)的面料抓取技術(shù)[6]、輪廓提取技術(shù)及縫制線跡規(guī)劃技術(shù)[1],并沒(méi)有系統(tǒng)化研究縫制裝備關(guān)鍵技術(shù)。本文結(jié)合機(jī)器視覺(jué)、工業(yè)機(jī)械臂絕對(duì)定位誤差補(bǔ)償、輪廓提取技術(shù)、機(jī)械臂與縫紉機(jī)同步控制等技術(shù),系統(tǒng)化地研究了智能縫制裝備所需的技術(shù)體系,開發(fā)出雙層衣片智能縫制成套裝備,并通過(guò)實(shí)際案例,分析了以上關(guān)鍵技術(shù)在服裝縫制行業(yè)中提質(zhì)增效方面的效果,有效解決該行業(yè)人工依賴程度高等問(wèn)題,有助于實(shí)現(xiàn)服裝縫制的智能化。

1 智能縫制成套裝備的組成

智能縫制成套裝備組成架構(gòu)如圖1所示,主要由機(jī)器視覺(jué)單元、控制單元和執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元組成。

圖1 智能縫制成套裝備組成Fig. 1 Components of intelligent sewing machine

1)機(jī)器視覺(jué)單元主要包含相機(jī)和光源。縫制裝備上面料后,相機(jī)和光源共同完成對(duì)面料的高質(zhì)量取像。

2)控制單元由工控機(jī)和人機(jī)界面等控制元件組成,可完成縫制成套裝備的實(shí)時(shí)控制。此單元是成套裝備的核心,協(xié)調(diào)視覺(jué)、機(jī)械臂、縫紉機(jī)、輔助設(shè)備協(xié)同工作,并完成縫制工作。工控機(jī)接收視覺(jué)單元發(fā)送過(guò)來(lái)的面料圖像,對(duì)面料進(jìn)行精確定位、識(shí)別面料輪廓,據(jù)此生成面料輪廓像素坐標(biāo),并將其轉(zhuǎn)換為機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡,引導(dǎo)機(jī)械臂完成面料抓取、轉(zhuǎn)移、疊放和縫制任務(wù)。人機(jī)界面包含人機(jī)交互功能和縫制生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理功能。

3)執(zhí)行機(jī)構(gòu)單元由上下料機(jī)構(gòu)、機(jī)械臂、縫紉機(jī)和輔助機(jī)構(gòu)組成。根據(jù)控制單元的指令,上下料機(jī)構(gòu)完成面料的上下料,機(jī)械臂完成面料的抓取、轉(zhuǎn)移、疊放等動(dòng)作,縫紉機(jī)完成面料的縫制工作。

2 智能縫制成套裝備關(guān)鍵技術(shù)

2.1 機(jī)械臂絕對(duì)定位誤差優(yōu)化補(bǔ)償技術(shù)

服裝縫制成套裝備的應(yīng)用涉及工業(yè)機(jī)械臂的進(jìn)給軌跡控制,要求較高的絕對(duì)定位精度,需要優(yōu)化機(jī)械臂的絕對(duì)定位誤差,才能滿足縫制任務(wù)要求。在不考慮環(huán)境及動(dòng)力學(xué)因素的影響,機(jī)械臂絕對(duì)定位誤差主要由運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的誤差引起[8]。一般通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)建模、測(cè)量、參數(shù)辨識(shí)、誤差補(bǔ)償4個(gè)步驟完成誤差校正[8-9]。

用于工業(yè)機(jī)械臂實(shí)際位姿的測(cè)量設(shè)備通常有激光跟蹤儀、球桿儀、三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x和拉線編碼器等[10]。鑒于拉線編碼器的低成本且測(cè)量結(jié)果滿足精度要求,本文采用基于拉線編碼器的機(jī)械臂絕對(duì)定位誤差優(yōu)化補(bǔ)償算法。

如圖2所示,取機(jī)械臂基坐標(biāo)系Cb空間中任意兩點(diǎn)P(i),P(i+1),兩點(diǎn)的理論位置為Pt(i),Pt(i+1), 實(shí)際的測(cè)量位置為Pm(i),Pm(i+1)。設(shè)兩點(diǎn)之間的理論距離為lt(i,i+1),實(shí)際距離為lm(i,i+1)。 則理論值與實(shí)際值的誤差為

圖2 基坐標(biāo)系下兩點(diǎn)距離誤差Fig. 2 Two points distance error on base coordinate

Δl(i,i+1)=lm(i,i+1)-lt(i,i+1)=

[Pm(i+1)-Pm(i)]-[Pt(i+1)-Pt(i)]=

[Pm(i+1)-Pt(i+1)]-[Pm(i)-Pt(i)]=

ΔP(i+1)-ΔP(i)

(1)

式(1)表明,兩點(diǎn)之間的距離誤差可描述為兩點(diǎn)的位置誤差之差。上式兩邊乘理論長(zhǎng)度得:

lt(i,i+1)·Δl(i,i+1)=[Pt(i+1)-Pt(i)]·(ΔP(i+1)-ΔP(i)),可化簡(jiǎn)為

(2)

用拉線編碼器對(duì)絕對(duì)定位誤差校正時(shí),選擇一端(Pbase)固定并作為基準(zhǔn)點(diǎn),通過(guò)精確定位,認(rèn)為其位置誤差ΔPbase不存在,即ΔPbase=0,另一端(P(i))隨著機(jī)械臂末端移動(dòng),其位置誤差為ΔP(i),則式2可變?yōu)?

(3)

由于縫制成套裝備中的工業(yè)機(jī)械臂工作范圍主要集中在工作臺(tái)面上,可以避開奇異點(diǎn)問(wèn)題。故采用4個(gè)參數(shù)的Denavit-Hartenberg(D-H)模型,即可完成絕對(duì)定位誤差的優(yōu)化。

由機(jī)械臂D-H模型可知,機(jī)械臂的名義(理論)末端位姿可由矩陣Tt求取

由Tm,Tt可得機(jī)械臂的位姿誤差矩陣:

dT=Tm-Tt

(4)

對(duì)該式的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)進(jìn)行微分,并忽略高階項(xiàng)(2階以上),可得機(jī)械臂的位姿誤差模型:

ΔE=J·ΔX

(5)

針對(duì)機(jī)械臂工具的某一點(diǎn),則其ΔP(i)=Ji·ΔX,結(jié)合式3可得機(jī)械臂的距離誤差模型與機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)誤差之間的關(guān)系:

(6)

通過(guò)測(cè)量機(jī)械臂上拉線編碼器移動(dòng)端的N個(gè)值(N個(gè)值都位于工作臺(tái)面上或附近位置),可得:

(7)

最后將優(yōu)化后的D-H參數(shù)ai,di,αi,θi,i=1,…,6, 寫入機(jī)械臂控制器中,提高機(jī)械臂絕對(duì)定位精度。

2.2 基于機(jī)器視覺(jué)的面料輪廓提取技術(shù)

縫制任務(wù)一般是對(duì)面料的外輪廓進(jìn)行縫紉?；跈C(jī)器視覺(jué)的面料輪廓識(shí)別即首先通過(guò)相機(jī)獲取待縫面料圖像,利用輪廓提取算法提取面料外輪廓曲線,并根據(jù)縫制要求計(jì)算縫制線跡的像素坐標(biāo)點(diǎn)組,然后將線跡像素坐標(biāo)點(diǎn)組轉(zhuǎn)換為機(jī)械臂基坐標(biāo)系下的軌跡點(diǎn)組,最后通過(guò)機(jī)械臂帶動(dòng)面料移動(dòng)與縫機(jī)完成協(xié)同作業(yè),完成面料的縫制。

該技術(shù)的關(guān)鍵在于面料的外輪廓提取,比較多位專家對(duì)Sobel算子、Prewitt算子、Roberts算子、Log 算子、和Canny算子等輪廓檢測(cè)算法的研究[2],認(rèn)為Canny檢測(cè)算法更符合服裝面料輪廓信息的提取,它由以下步驟實(shí)現(xiàn)。

1)用高斯濾波器平滑面料的灰度圖像,去除圖像噪聲

g(x,y)=h(x,y,σ)×f(x,y)

(8)

2)計(jì)算梯度大小和方向。求取圖像x、y2個(gè)方向的梯度大小和方向。圖像梯度大小可由式9計(jì)算得到:

(9)

梯度方向可由式(10)計(jì)算得到:

θM=arctan(dy/dx)

(10)

式中:dx=f(x,y)×Sobelx(x,y);dy=f(x,y)×Sobely(x,y),f(x,y)為原始灰度圖像,Sobelx(x,y),Sobely(x,y)為Sobel濾波器。

3)根據(jù)梯度方向?qū)μ荻确颠M(jìn)行非極大值抑制。從上一步得到的梯度圖像存在邊緣粗寬、弱邊緣干擾等眾多問(wèn)題,這一步使用非極大值抑制來(lái)尋找像素點(diǎn)局部最大值,將非極大值所對(duì)應(yīng)的灰度值置0,剔除一大部分非邊緣的像素點(diǎn)。

4)用雙閾值算法檢測(cè)和連接邊緣。經(jīng)過(guò)以上三步,已得到較高的邊緣質(zhì)量,但還存在一些偽邊緣,可采用雙閾值法,具體思路為選取兩個(gè)閾值,將小于低閾值的點(diǎn)認(rèn)為是假邊緣置0,將大于高閾值的點(diǎn)認(rèn)為是強(qiáng)邊緣置1,介于中間的像素點(diǎn)需進(jìn)行進(jìn)一步的檢查。通過(guò)選擇合適的閾值,可以得到很好的面料輪廓曲線。

5)提取輪廓上的關(guān)鍵點(diǎn)。提取輪廓上的關(guān)鍵點(diǎn)信息,一般為輪廓的頂點(diǎn),然后以某個(gè)頂點(diǎn)為起點(diǎn),根據(jù)線跡的直線、圓弧、曲線、曲率等要求,選用多邊形方式擬合出相應(yīng)的點(diǎn)組,并將點(diǎn)組變換成機(jī)械臂的運(yùn)行軌跡點(diǎn)組,并以數(shù)組的形式發(fā)送給機(jī)械臂控制器。

2.3 機(jī)械臂與縫紉機(jī)速度同步技術(shù)

機(jī)械臂與縫紉機(jī)一起協(xié)作完成縫制任務(wù),縫機(jī)固定在工作平臺(tái)上,面料外側(cè)邊緣由縫機(jī)送布輪送進(jìn),被壓腳壓平,面料內(nèi)側(cè)由機(jī)械臂工具控制運(yùn)動(dòng),如果面料邊緣速度與內(nèi)側(cè)速度不匹配,則縫制線跡錯(cuò)亂或無(wú)法完成縫制,如果面料速度與機(jī)針?biāo)俣炔黄ヅ?則縫制線跡將不規(guī)整。為了得到整齊規(guī)整的縫制線跡,必須對(duì)機(jī)械臂工具速度、送布輪送布速度和縫紉機(jī)機(jī)針?biāo)俣冗M(jìn)行同步控制。

機(jī)械臂工具運(yùn)動(dòng)速度(vtool)由縫機(jī)針頭的上下運(yùn)動(dòng)速度(n)和針距(d)決定,針距確定的情況下,為了提高縫制速度,就需要提高縫機(jī)轉(zhuǎn)速和機(jī)械臂工具運(yùn)動(dòng)速度。

(11)

式中:n存在最大值nmax和最小值nmin,表示縫機(jī)的最大和最小允許速度。針距d由縫制參數(shù)確定,在針距d確定的情況下,vtool與n滿足上式關(guān)系,即可得到規(guī)整的縫制線跡,當(dāng)需要一些特殊縫制線跡時(shí),可以通過(guò)非線性關(guān)系擬合vtool與n。

此外,還需控制縫紉機(jī)送布輪速度(vfeed),使其與機(jī)械臂工具運(yùn)動(dòng)速度(vtool)相等。控制過(guò)程中,將vtool作為送布輪速度vfeed的設(shè)定值發(fā)送給縫紉機(jī)控制器,由于控制系統(tǒng)慣性和機(jī)械誤差的存在,如果縫機(jī)控制器開環(huán)控制送布輪速度,必將存在誤差Δv,使得縫制效果打折扣。采用式(12)描述的PID算法閉環(huán)控制送布輪速度,可以提高速度跟隨的精度,獲得更好的縫制線跡。

(12)

式中:Kp、Td為比例、微分調(diào)節(jié)系數(shù);Ts為采樣時(shí)間;Δv為速度差值。

3 雙層衣片智能縫制裝備研發(fā)

舒普智能技術(shù)股份有限公司是縫制成套裝備的解決方案供應(yīng)商,針對(duì)客戶需求開發(fā)了雙層衣片智能縫制裝備,如圖3、4所示,由機(jī)械臂、相機(jī)、縫紉機(jī)、工作平臺(tái)、上下料等輔助機(jī)構(gòu)組成。機(jī)械臂采用 6軸機(jī)械臂,工作半徑為886 mm,滿足大尺寸面料的縫制任務(wù)。相機(jī)選用?？?00萬(wàn)像素工業(yè)相機(jī),支持GiGE通訊接口,拍攝照片大小為900 mm×500 mm。 縫紉機(jī)采用公司自行開發(fā)的新一代物聯(lián)網(wǎng)縫機(jī),支持以太網(wǎng)通信,可遠(yuǎn)程控制縫制、抬壓腳、剪線等動(dòng)作。縫制裝備為模塊化結(jié)構(gòu),可根據(jù)縫制需求組合出不同縫制設(shè)備,圖3示出上料工作平臺(tái),通過(guò)橫移機(jī)構(gòu)將面料放置到左右2個(gè)上料平臺(tái),面料放置平臺(tái)下方為光照系統(tǒng)。圖4示出縫制裝備縫制模塊,在機(jī)器視覺(jué)的引導(dǎo)下,機(jī)械臂抓取上料平臺(tái)中的2片面料并疊放在一起,再送給縫機(jī)完成縫制。該縫制裝備能完成最大400 mm×400 mm面料的縫合任務(wù),精度可達(dá)0.2 mm。

圖3 縫制裝備上料平臺(tái)Fig. 3 Feeding system of sewing equipment

圖4 縫制裝備縫制模塊Fig. 4 Sewing system of sewing equipment

4 雙層衣片智能縫制裝備分析

4.1 智能縫制控制系統(tǒng)架構(gòu)分析

縫制裝備控制系統(tǒng)內(nèi)部通過(guò)以太網(wǎng)通信(見圖5中虛線部分)。選用含以太網(wǎng)接口的工業(yè)相機(jī)采集面料圖像,然后通過(guò)以太網(wǎng)接口發(fā)送給計(jì)算機(jī),再使用OpenCV處理圖像,完成面料定位、輪廓提取、機(jī)械臂軌跡規(guī)劃等任務(wù);機(jī)械臂的控制器、拉線編碼器也通過(guò)以太網(wǎng)連接到計(jì)算機(jī)上,完成手眼標(biāo)定、誤差優(yōu)化等任務(wù);機(jī)械臂與縫紉機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)連接,在縫制作業(yè)時(shí),機(jī)械臂發(fā)送同步、壓腳、剪線、縫制等命令給縫機(jī),縫紉機(jī)據(jù)此控制機(jī)針和送布輪速度,實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂與縫紉機(jī)的同步。

圖5 縫制裝備控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig. 5 Sewing equipment control system architecture

4.2 機(jī)械臂絕對(duì)定位誤差優(yōu)化分析

根據(jù)2.1節(jié)的機(jī)械臂絕對(duì)定位誤差優(yōu)化技術(shù),開發(fā)了如圖6所示的機(jī)械臂標(biāo)定軟件,并對(duì)縫制裝備的機(jī)械臂做誤差優(yōu)化。優(yōu)化過(guò)程分3個(gè)步驟:數(shù)據(jù)采集、機(jī)械臂標(biāo)定和精度驗(yàn)證。數(shù)據(jù)采集分單次采集和自動(dòng)采集,本文通過(guò)示教程序自動(dòng)采集工作臺(tái)平面上的50個(gè)位姿點(diǎn);機(jī)械臂標(biāo)定界面對(duì)六軸機(jī)械臂進(jìn)行標(biāo)定,在界面上設(shè)置P1～P6 6個(gè)軸的臂長(zhǎng),通過(guò)勾選需要優(yōu)化的參數(shù),利用采集的50個(gè)位姿點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)D-H參數(shù)進(jìn)行迭代計(jì)算;最后得到標(biāo)定后的結(jié)果如表1所示。從標(biāo)定結(jié)果可以看出,通過(guò)誤差補(bǔ)償優(yōu)化,機(jī)械臂工具中心點(diǎn)(TCP)處絕對(duì)定位誤差從均值1.263 5 mm降低到了0.128 5 mm,滿足了縫制線跡的縫制質(zhì)量需求。

圖6 誤差優(yōu)化軟件機(jī)械臂標(biāo)定界面Fig. 6 Calibration interface of calibration software

表1 機(jī)械臂的誤差補(bǔ)償前后的TCP誤差對(duì)比Tab. 1 Robotic arm TCP error information before and after error compensation

圖7示出絕對(duì)定位誤差優(yōu)化前后的縫制效果對(duì)比。可見,未經(jīng)過(guò)誤差優(yōu)化的機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于絕對(duì)定位精度不高,縫制線跡偏離設(shè)定軌跡,導(dǎo)致縫制線跡不完整(圖7(a)),經(jīng)過(guò)誤差優(yōu)化后,極大提高了面料的縫制質(zhì)量(圖7(b))。

圖7 誤差優(yōu)化前后縫制效果Fig. 7 Sewing effect before error compensation(a)and after error compensation(b)

4.3 面料輪廓及關(guān)鍵點(diǎn)提取分析

面料輪廓和關(guān)鍵點(diǎn)提取是機(jī)械臂軌跡規(guī)劃的基礎(chǔ)。根據(jù)2.2節(jié)的面料輪廓提取技術(shù),開發(fā)了基于OpenCV的面料輪廓及關(guān)鍵點(diǎn)提取程序。圖8(a)示出任意形狀的面料,代表了真實(shí)面料的直線、圓弧、曲線等各種輪廓。程序首先基于Canny算法提取圖像的邊緣,然后進(jìn)行邊緣分析,尋找最外層輪廓,根據(jù)最外層輪廓進(jìn)行多邊形和圓弧擬合,獲得輪廓關(guān)鍵點(diǎn)像素,并在二值圖像上繪制輪廓和關(guān)鍵點(diǎn),將關(guān)鍵點(diǎn)像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成機(jī)械臂基坐標(biāo)系下的關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)值,并轉(zhuǎn)換成TCP坐標(biāo)值送給機(jī)械臂控制器,做好縫制線跡的規(guī)劃工作。如圖8(b)所示,本算法能夠提取任意形狀面料的輪廓和關(guān)鍵點(diǎn)信息,并能根據(jù)輪廓曲率的不同生成不同數(shù)量的關(guān)鍵點(diǎn),曲率越大,提取的關(guān)鍵點(diǎn)越多,便于機(jī)械臂軌跡規(guī)劃,提高縫制質(zhì)量。

圖8 面料輪廓和關(guān)鍵點(diǎn)提取Fig. 8 Fabric contour extraction. (a) Fabric;(b)Contour line and key points

4.4 機(jī)械臂與縫紉機(jī)同步縫制效果分析

面料縫制線跡的質(zhì)量很大程度取決于機(jī)械臂與縫紉機(jī)的同步能力。機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中并非勻速,而存在加減速,如果縫紉機(jī)的機(jī)針?biāo)俣扰c送布速度不能實(shí)時(shí)響應(yīng),則存在不協(xié)同的局部運(yùn)動(dòng),造成縫制質(zhì)量比較差。靠人工示教很難做到機(jī)械臂與縫紉機(jī)的同步,必須依靠機(jī)械臂與縫紉機(jī)的通信,并將機(jī)械臂的速度發(fā)送給縫紉機(jī),縫紉機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)發(fā)送過(guò)來(lái)的速度自動(dòng)調(diào)整縫紉機(jī)的機(jī)針?biāo)俣扰c送布速度,才能做到機(jī)械臂與縫紉機(jī)真正的協(xié)同控制。根據(jù)2.3節(jié)的機(jī)械臂與縫紉機(jī)速度同步技術(shù),構(gòu)建了如圖9所示的控制框圖及對(duì)應(yīng)的控制程序,縫紉機(jī)機(jī)針?biāo)俣葹殚_環(huán)控制,其速度與機(jī)械臂TCP速度成比例關(guān)系;縫紉機(jī)送布輪速度為閉環(huán)控制,提高了送布輪速度跟隨機(jī)械臂TCP速度的跟隨能力;圖中字母含義參見2.3節(jié)。

圖9 機(jī)械臂與縫紉機(jī)同步控制框圖Fig. 9 Industrial robot and sewing machine synchronous control block diagram

圖10示出了機(jī)械臂與縫針?biāo)俣任赐綍r(shí)的縫制效果,圖10(a)表示未同步時(shí),由于面料曲率變大,縫針?biāo)俣任茨芟鄳?yīng)變小,導(dǎo)致針跡變密;圖10(b) 表示未同步時(shí),由于起動(dòng)階段機(jī)械臂存在加速度,機(jī)械臂速度逐漸變大,而縫針?biāo)俣炔荒芨S變大,導(dǎo)致針跡變疏。

圖10 機(jī)械臂與縫針未同步時(shí)縫制效果Fig. 10 Sewing effect with robot and sewing needle not synchronized. (a)Stitches become denser with curvature is large; (b)Stitches become sparse with robot has acceleration

機(jī)械臂與縫針同步后的效果可參考圖11。面料輪廓曲率即使變大,但縫針?biāo)俣瓤梢愿鶕?jù)機(jī)械臂的速度做同步變化,使得針跡比較均勻。機(jī)械臂與縫紉機(jī)送布輪速度不匹配時(shí),引起面料邊緣速度和內(nèi)側(cè)速度不一致,將導(dǎo)致縫制針腳錯(cuò)亂甚至無(wú)法完成縫制。

圖11 曲率大處針跡不變的效果圖Fig. 11 Stitches remains constant with curvature is large

5 結(jié)論

本文基于機(jī)械臂絕對(duì)定位誤差優(yōu)化補(bǔ)償、面料輪廓和關(guān)鍵點(diǎn)提取、機(jī)械臂與縫紉機(jī)同步控制等技術(shù),研發(fā)了智能縫制成套裝備,主要結(jié)論如下。

1)針對(duì)當(dāng)前機(jī)械臂絕對(duì)定位精度不足以滿足縫制需求的問(wèn)題,研究了基于拉線編碼器的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)誤差優(yōu)化技術(shù),開發(fā)了誤差優(yōu)化軟件,提高了機(jī)械臂的絕對(duì)定位精度。

2)針對(duì)面料外輪廓提取問(wèn)題,研究了基于Canny算法的面料輪廓識(shí)別技術(shù),開發(fā)了基于OpenCV的面料輪廓和關(guān)鍵點(diǎn)提取算法,滿足任意面料的外輪廓提取要求。

3)針對(duì)機(jī)械臂與縫紉機(jī)的速度同步問(wèn)題,研究了機(jī)械臂與縫紉機(jī)的速度同步技術(shù),開發(fā)了機(jī)械臂與縫紉機(jī)機(jī)針?biāo)俣鹊拈_環(huán)控制算法,以及機(jī)械臂與縫紉機(jī)送布輪速度的閉環(huán)控制算法,提高了縫制線跡的質(zhì)量。

4)研發(fā)了智能雙層衣片縫制成套裝備,并驗(yàn)證了相關(guān)技術(shù)的有效性。

智能縫制成套裝備的研發(fā)有效減少了設(shè)備操作人員數(shù)量,解決了縫制工人短缺問(wèn)題,為縫制裝備的自動(dòng)化、智能化提供了技術(shù)積累,也為縫制行業(yè)其它工序的自動(dòng)化、智能化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了技術(shù)基礎(chǔ)。下一步,將主要從以下2個(gè)方面對(duì)縫制成套裝備進(jìn)行改進(jìn):將6軸機(jī)械臂改為SCARA機(jī)械臂,降低裝備成本及提高絕對(duì)定位精度;設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單易用的人機(jī)交互界面,方便操作及切換縫制任務(wù)。