鞋帶自動穿引機械手裝置設計與研制*

陳 健，陳樂平

（浙江紡織服裝職業技術學院，浙江 寧波 315211）

作為世界上最大的鞋業生產國，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器換人發展，但仍有許多工序以手工操作為主，需要消耗大量人力、財力和物力，比如穿鞋帶工序，迄今為止仍需要大量熟練工進行加工。對傳統產業的生產進行轉型升級，全面提升現代化制造水平，實現穿鞋帶等工序的機械化、自動化和智能化，對于發展像鞋類這樣的傳統加工業，具有極其重要的作用[1-3]。

鞋帶屬于柔性體，剛度小，易變形，利用機械手進行穿引，在控制上較為簡便。機械手相應的結構設計和控制方法較為可靠[4-8]，在采摘等類似領域不斷擴大應用。針對鞋帶工序的研究，陳罡[9-10]等專家從機構動力學出發，進行了穿帶機械手結構的仿真和優化分析。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的機械手結構方案，并沒有涉及設備開發的具體實現過程。因此，研發鞋帶的穿引機械手裝置，自動化完成穿鞋帶工序，對提升我國制鞋行業的競爭力，具有重要的社會經濟效益。

1 鞋帶穿引原理與結構設計

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

圖1 機械手裝置的穿帶原理

設置雙機械手，模擬人工雙手操作，從鞋面兩排帶孔同時進行穿引，并結合位置標定，提高精度和效率。詳細的結構如圖2 所示。

圖2 機械手結構圖

如圖2 所示，每個機械手配備兩個氣爪，一個設置為主氣爪，主要進行穿引拉伸動作，另一為輔助氣爪，主要進行鞋帶頭的過渡銜接動作。

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，然后機械手在直線組的驅動下移動到鞋面斜孔附近，結合位置標定和直線氣缸的伸縮，驅動主氣爪上的鞋帶頭穿過斜孔，輔助氣爪下降并夾持鞋帶頭，主氣爪松開鞋帶頭并上升，機械手整體前移動一定位置后，主氣爪下降夾持鞋帶頭，輔助氣爪松開并上升，主氣爪上升并拉伸鞋帶，到達設定位置后在旋轉氣缸的作用下180°轉向，鞋面在夾持裝置驅動下前進一個孔位，機械手進入下一對鞋孔的穿引。如此反復，直到最后完成所有鞋孔的穿引。

2 機械手位姿控制

由于鞋帶孔較小，并且不同的鞋面孔型不一，機械手在穿引過程需要進行精確的位姿控制。基于對人眼視覺成像原理的認知，本文設計了雙目立體成像位姿控制方法，其控制流程如圖3 所示。

雙目立體視覺方法通過標志點在不同圖像的位置建立對應關系，以圖像的位置差求解獲取目標的幾何位置參數，結合攝像裝置的設定，標定出機械手的位姿參數并規劃設計出鞋帶穿引的路徑。

通過立體成像和攝像標定，對機械手和目標的位置關系進行求解標定，并轉化成驅動參數，通過伺服控制系統，驅動機械手實現既定的鞋帶穿引動作。

由于機械手受鞋帶柔性變形及本身結構強度的限制，在運動過程中會逐步累積誤差。為了進一步提高動作的精度，并改善雙機械手運動的協調一致性，設計了基于動力學的計算力矩協同控制方法，以逆動力學反饋進行非線性補償減小跟蹤誤差，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 和非線性反饋補償兩個模塊，其中針對外部的干擾和影響，設置常見的PID 環節進行誤差修正。針對系統性的影響，在內設置非線性反饋補償方法：以力q 與機械手的運行速度和加速度聯合建立動力學模型，通過實時調整電機驅動力，補償運行誤差，提高穿引過程的控制精度和穩定性。

圖4 控制策略

機械手在執行過程中，軌跡式樣庫配置系統通過計算力矩協同控制生成具體的運動控制指令，完成多個機械手之間的配合，實現多機械手高速高效的穿引協同控制。

3 運動軌跡優化

穿引動作軌跡的規劃，是控制系統進行跟蹤控制的先決條件，其核心優化運動路徑以提高運行的速度和精度。利用非支配排序遺傳算法，設計了鞋帶機械手多目標軌跡優化流程。

方法是基于NSGA-II 求解的多目標優化，在物理層主要有三個基本步驟：第一步空間標定，即建立機械關節運動過程中在空間的各個位置，連接這些位置，考慮速度和力的約束條件，利用樣條曲線進行擬合，確保運動過程的連續順滑；第二步設置優化目標，在鞋帶機械手運動中，一般以時間、能耗、關鍵參數變化量等為優化目標；第三步，利用一維Logistic 映射，對各控制參數進行遍歷和全局搜索，解決多目標沖突，獲取軌跡最優解。

受鞋帶機械手目標柔性、難以精確夾持定位、變形大的特性影響，還需要進一步進行避障技術的設計，以確保穿引質量。

在軌跡規劃中，需要進行實時避障技術的設計，確保穿引質量。本文設計了如圖5 所示的向量直方圖避障算法架構。

圖5 避障算法構架

圖6 實驗樣機

方法對鞋帶機械手的運行空間劃分為若干連續二維柵格，這些二維柵格每個柵格都包含一個概率值，構建向量直方圖。通過概率值的大小，來判斷出現障礙的可能性，通過與設定的閾值進行對比，從而確定是否修改控制參數，即避開障礙物。柵格單元的概率值，主要由傳感器的數據和設定的概率函數來確定。

4 樣機研制實驗

根據以上設計，依托合作企業，開發了如圖6 所示的自動鞋帶機裝置主要依據圖2 的結構，以型材搭建整體運動支架，以線軌為運動和定位部件，以氣缸為機械臂中機械手的伸縮、夾持運動的動力源，結合原有的鞋面夾持伺服結構，搭建實驗平臺。

實驗中，通過控制系統設定了多種鞋帶花型，選取了運動鞋、皮鞋和中、高幫女鞋等不同斜面進行鞋帶的穿引。結果統計表明，鞋帶設備的定位精度可達±0.2mm，鞋帶孔的最高穿引導速度可調達到7 孔/分鐘，穿帶花樣可達10 種以上，穿好后的鞋帶松緊基本一致，鞋面變形小，總體穿引質量高。

5 結論

鞋帶自動穿引實驗表明，該機械手裝置定位精準、運動柔順，兩只機械手和四只氣爪運行協調，實現了鞋帶的高效、自動和可靠穿引。相比傳統穿鞋帶的工序方法，裝置的自動化解決了穿鞋帶需要大量手工操作的勞動力瓶頸問題，提升了鞋面縫制裝備的整體現代先進制造水平，不僅提高了制鞋業的生產率和生產質量，而且降低了人工成本，為產業的發展，提供了重要的科學和經濟價值。