面向柔性面料立體縫紉的隨形機械手設計

高曉飛， 齊立哲， 孫云權

復旦大學 工程與應用技術研究院， 上海 200433)

服裝是人們生活中不可或缺的物品之一，其質量的好壞過多依賴于人工技能水平的高低，具有一定的不穩定性，尤其是縫紉工藝環節，對最終的服裝質量有著決定性影響，而立體縫紉又是縫紉工藝中最難實現自動化的一種。目前，人工進行立體縫紉的衣服一致性并不是很好，受各種人為因素的影響，可能會出現波浪、不對稱、起皺、跳針跳線、骨位錯開、不圓順等缺陷，嚴重影響衣服的外觀和質量。綜上，傳統的縫紉方式不能滿足立體縫紉一致性的要求，需要尋找一種新的縫紉方式來代替人工完成立體縫紉，以此來保證縫紉質量的穩定性。目前，利用機器人技術、信息技術和自動化控制工程等學科的最新研究理論與技術，研究自動化縫紉和柔性面料加工技術成為服裝加工行業的熱點。

目前，行業內對自動化立體縫紉的研究分為以下幾個方面。1)基于視覺的自動化立體縫紉：Kim等[1]開發了自動縫紉機控制器和三維測量系統，可以確定立體縫紉的最佳工藝參數；Yoshimi等[2]針對三維立體縫紉織物開發了一套機器人系統，在低速喂料的前提下，可進行三維曲面縫制；Shungo[3]針對服裝縫制過程的自動化問題，設計了一套雙臂縫紉系統，實現了立體縫紉過程中的自動送料。2)基于力位混合信息的立體縫紉技術：如美國Softwear公司[4]研發了一條適用于T恤生產的全自動生產線，通過視覺引導縫紉，極大地提高了自動化生產效率；Schrimpf等[5-6]提出了雙臂協同作業進行縫紉的方案，主要由2款優傲機器人協作運動，在激光視覺的引導下進行縫紉操作[7]，此外作者還通過三角測量的原理設計了一套視覺系統，用于縫紉過程中的邊緣檢測系統[8-9]，能夠讓機械臂在縫紉過程中完成實時的誤差調節，以達到縫紉效果最優的目的，為控制面料縫紉過程的穩定性，作者還加入了力控因素[10]，保證縫紉質量的穩定性。3)硬質材料立體縫紉技術：德國KSL公司[11]研制的自動化縫紉系統由機器人攜帶縫紉機頭對材料進行縫紉，目前已經能夠針對皮革、涼席等硬質材料進行自動化縫紉，但無法應用于柔軟性面料；Jonathan Zornow研發出一種熱塑性溶劑，可將面料硬化增強其剛度，便于機器人抓取操作，加工完成后將面料溶于水，又會恢復面料原本的特性，這樣更容易實現服裝自動化加工，但其成本和可操作性都有待優化；此外，還有一些學者對縫紉過程中的智能控制進行研究[12-14]，主要是為縫紉過程自動化控制提供一些理論模型。

雖然行業內的專家經過多年研究取得了一定研究成果，但在實際應用中還存在一定問題。1)柔軟面料精確定位抓取的難題。由于不同尺碼的衣服尺寸具有差異性，在自動化縫紉過程中如果衣服換碼加工，就得對生產線進行較大的改動，所以如何解決不同尺碼面料的自適應抓取問題成為關鍵，而且還需要自動適應不同形狀的邊緣形狀。2)面料縫制過程中自動糾偏的難題。在縫紉過程中，基于機器振動因素和面料本身的柔軟特性，面料會發生偏移，縫紉軌跡會發生偏差，傳統的模板法和機器人離線編程法都無法進行在線糾偏，那么如何解決縫紉過程中面料出現偏差時自動糾偏的難題成為難點。針對上述問題，本文通過對縫紉工藝進行分析，設計了一款適用于立體縫紉的隨形機械手裝置，以解決自適應撐布問題和縫紉過程中自動調布的問題。

1 隨形機械手機構設計及自由度分析

1.1 工藝描述

T恤的衣袖軌跡如圖1所示。其軌跡就是把袖片和衣片連在一起，將腋下接縫處和肩縫處對齊，袖孔包住筒狀袖片，由于袖山弧線與袖窿弧線只有在空間某個位置才能重合，所以采用包縫工藝進行空間立體縫紉。為滿足立體縫紉的動作要求，首先需要有撐布的動作，將衣片和袖片撐成空間立體形狀進行空間弧線擬合，因為袖片整體近似為圓臺形，所以撐布動作需要機構有2組繞桿軸轉動動作，分別來完成袖片和衣片的撐緊。在縫紉過程中如果縫紉軌跡與弧線有偏差，需要進行糾偏，糾偏動作需要沿著連桿方向進行移動來完成袖片的位置調節。所以根據立體縫紉的工藝要求，該機構需要至少1個轉動自由度和1個移動自由度來完成立體縫紉的撐布和糾偏動作。

圖1 T恤衣袖軌跡示意圖

1.2 隨形機械手機構設計

根據1.1節的工藝要求，隨形機械手機構需至少具備2個自由度，來完成衣袖過程中的撐緊和糾偏，由于袖片屬于空間近似對稱形狀，所以自動衣袖過程也近似為對稱縫紉的過程。為簡化自動化縫紉的控制流程，本文設計為偶數組空間對稱的2自由度的平面機構來完成空間撐布過程。以2XL的T恤作為研究對象，其袖片周長約為560 mm，如圖2所示。

圖2 袖片尺寸圖

將袖片進行若干等分，將等分點依次對齊，測量袖片和衣片之間的誤差，如圖3所示。將袖片2等分時，袖片和衣片的誤差為39 mm；將袖片4等分時，誤差為9 mm；將袖片6等分時，誤差為5.5 mm；將袖片8等分時，誤差為1 mm。

圖3 袖片等分誤差圖

通過實驗證明，8等分之后的袖片與衣片的擬合度最高，所以4組連桿機構是能夠使袖片和衣片空間擬合的最少組數。

根據工藝需求分析，本文設計了一款空間結構對稱的4-HPP6R隨形機械手，如圖4所示。該機構由靜平臺和4組支鏈構成。由于每組支鏈結構相同、參數類似，所以本文只分析其中1組支鏈，其他支鏈的分析方法相同。該機構每組支鏈都是1組平面連桿機構，其機構示意圖如圖5所示。螺旋副O1為驅動副，驅動各個支鏈進行空間轉動，旋轉副Ai、Bi、Ci(i=1，2)均為連桿機構的轉動關節，移動副Mi(i=1，2)為驅動副，驅動面料沿著支鏈方向進行移動，所以通過驅動螺旋副和移動副能夠改變各支鏈末端的空間位置。

圖4 4-HPP6R隨形機械手三維示意圖

圖5 平面連桿機構示意圖

1.3 自由度分析

根據Grüler_Kutzbach公式，自由度計算公式為

(1)

式中：λ為機構的階數；n為活動構件數；p為運動副數；fi為第i個運動副的自由度數。

由于分析的機構為平面連桿機構，所以階數為3，活動構件共有7個，運動副數為9個，且運動副均為自由度為1的低副，該機構不存在虛約束，不存在局部自由度。所以該平面機構的自由度為

該平面連桿機構的每只手指都可以完成繞鉸鏈轉動和沿連桿方向移動2個動作，由于該機構為空間對稱結構，有4組類似的結構組成，所以整體自由度為9。該結構中，螺旋副能夠驅動連桿向外擴張，達到撐開面料的目的，每根連桿上的皮帶移動副都可以通過正反轉實現面料對應位置上的位置調節。

2 隨形機械手機構運動學分析

2.1 位置分析

選取螺旋副作為內支鏈的驅動副，鉸鏈的結構矢量圖如圖6所示。驅動距離為Ly；連桿O1B長度為L1，其與y軸夾角為β1；連桿AB長度為L2，其與x軸夾角為α1；連桿CD長度為L3，連桿O1C長度為L4，連桿AO的長度為LAO，連桿P1B的長度為LP1B。位置分析的目的在于建立驅動副與連桿末端的映射關系，設定末端點P1(Px1，Py1)和P2(Px2，Py2)。

圖6 鉸鏈結構矢量圖

(2)

將各矢量分別向x軸和y軸進行投影，得到

(3)

由式(3)可得

(4)

內部鉸鏈的P1點坐標可表示為

(5)

2.2 速度與加速度分析

將式(3)分別對時間求導，得到速度關系：

(6)

進而得出轉角β1和α1的轉角速度φ1和ω1分別與驅動速度vy的關系為

(7)

將式(6)分別對時間求導，得出轉角β1和α1的轉角加速度分別與驅動加速度的關系，結果近似為0。

機構的設計參數如下，LOA長度為98 mm，L2長度為100 mm，L1長度為110 mm，Ly為一個變動量，即

Ly=85+vt

(8)

式中：v為電動機的驅動速度，mm/s；t為裝置的運行時間，s。

電動機速度調整為10 mm/s，時間取8 s，將上述參數代入到MatLab軟件中進行仿真運算，結果如圖7所示。通過對機構進行運動學仿真，可以得到不同驅動速度與轉角的三角函數值的對應關系，進而找到驅動參數與目標位置的函數關系。

圖7 連桿結構運動規律曲線圖

2.3 工作空間分析

取t范圍為(0，8)代入式(4)和(5)，得出機械手手爪的工作空間，基于蒙特卡洛法通過MatLab求得手爪的工作空間，如圖8所示。該結構能夠撐起袖口直徑為200～260 mm的袖片。

圖8 機械手爪工作空間

3 力學和單指可調范圍分析

將機械手手爪調整面料位置的過程做力學分析，如圖9所示。由于8根手指的結構相同且對稱，所以只分析其中1根，其他分析過程類似，不再贅述。

圖9 機械手爪受力分析圖

當面料套進手爪內，手爪在調整面料位置的過程中會對其產生一定的動摩擦力Fa，方向與手指調整方向一致；與調整手指相鄰的2根手指不動，會對面料產生一定的靜摩擦力Fc，方向沿著面料邊緣方向指向相鄰手指兩側，分別記作F′c和Fc；由于整體手指結構近似為等八邊形，所以手指對面料有向外的支撐力Fb。由于面料具有彈性，所以手指在動作過程中會使面料有一定的彈性變形，當彈性變形達到最大值時，四者在空間會存在2處受力平衡點A和B，此時的受力方程為

(9)

Fb=Fcos(α1-β1)

(10)

(11)

兩側手指到調節手指的距離為a，則單個手指的調節范圍為

(12)

將袖片套上去之后，袖片與手指的交叉線作為基準線，然后向上調節的范圍記為L上，向下調節的范圍記為L下，實際的調節范圍就是L上+L下，如圖10所示。

圖10 單手指調節過程

與理論計算的數據做對比分析，純棉面料與硅膠材質的表面摩擦因數為0.42[16]，純棉面料的彈性系數約為1.25 N/mm[17]，測試得到手指與面料之間的壓力結果如圖11所示。可知，當手爪撐布穩定之后，連桿測試的壓力F值約等于8 N，然后將參數代入式(10)～(12)，得出單手指上下調節的理論范圍為±20.7 mm。

圖11 壓力與時間關系圖

4 實驗設計及驗證

搭建如圖12所示的機械手硬件平臺。該平臺主要由控制模塊和執行模塊組成。控制模塊主要由西門子1200系列可編程邏輯控制器(PLC)、電動機驅動板和信號轉換板組成，執行模塊主要由驅動電動機、同步帶和同步輪，以及連桿機構組成。

圖12 機械手實驗平臺

減速電動機的額定輸出轉速為120 r/min，控制系統由PLC通過脈寬調制(PWM)的控制方式控制電動機轉速。主從同步輪的齒數相同，均為18齒，節距為3 mm。設定面料的移動速度為v面料，電動機的轉速為v電動機，同步輪直徑為d，則面料進給速度為

v面料=v電動機πd

(13)

控制電動機轉速為40 r/min，則面料的進給速度約為41.9 mm/s。設計實驗每隔0.1 s進行1次調試，對比理論調試范圍和實際調試范圍的誤差值，結果如表1所示。

表1 手爪單指調節精度實驗結果

由表1可知，向上調節過程中，由于兩側手指對面料的拉力，在0.5 s時實際值與理論值的誤差已經達到4.8 mm，且調節的實際位置與0.4 s的位置相差僅為0.1 mm，所以單手指向上調節的最大范圍為16.8 mm。同理，在向下調節過程中，在0.4 s時面料的實際位置與理論位置誤差已經達到4.5 mm，且與0.3 s時的位置相差0.2 mm，因此，單手指向下調節的最大范圍為12.6 mm。綜上所述，機械手的單手指實際調節范圍為-12.6～16.8 mm，超出該范圍調節誤差將會明顯增加，不再具有實際調節意義，在該調節范圍內最大誤差率為4.34%，最大誤差值為0.70 mm，根據實際縫紉工藝的技術要求[18]，縫紉誤差小于2 mm即可滿足實際應用，所以該調節精度能夠滿足縫紉要求。

5 結 論

1)本文提出一種用于柔性面料立體縫紉的隨形機械手結構，通過蒙特卡洛法分析，利用MatLab仿真得出了機械手的工作空間，能夠完成對袖口直徑為200～260 mm袖片的撐布操作，通過力傳感器的信息反饋完成對面料的自適應控制。

2)通過實驗分析，本文所提出的機械手結構具備縫紉過程中自動糾偏的能力，通過力學分析和實驗驗證得出單手指的調節范圍為-12.6～16.8 mm，最大誤差率為4.34%，最大誤差值為0.7 mm，可滿足實際縫紉需求。