鞋带自动穿引机械手装置设计与研制*

陈 健，陈乐平

（浙江纺织服装职业技术学院，浙江 宁波 315211）

作为世界上最大的鞋业生产国，鞋类的加工，包括鞋面的冲孔、缝制、鞋底的涂胶、鞋舌装配等工序都在向机器换人发展，但仍有许多工序以手工操作为主，需要消耗大量人力、财力和物力，比如穿鞋带工序，迄今为止仍需要大量熟练工进行加工。对传统产业的生产进行转型升级，全面提升现代化制造水平，实现穿鞋带等工序的机械化、自动化和智能化，对于发展像鞋类这样的传统加工业，具有极其重要的作用[1-3]。

鞋带属于柔性体，刚度小，易变形，利用机械手进行穿引，在控制上较为简便。机械手相应的结构设计和控制方法较为可靠[4-8]，在采摘等类似领域不断扩大应用。针对鞋带工序的研究，陈罡[9-10]等专家从机构动力学出发，进行了穿带机械手结构的仿真和优化分析。这些研究主要集中在穿鞋带的方案和模拟方面，建立了基于鞋带特点的机械手结构方案，并没有涉及设备开发的具体实现过程。因此，研发鞋带的穿引机械手装置，自动化完成穿鞋带工序，对提升我国制鞋行业的竞争力，具有重要的社会经济效益。

1 鞋带穿引原理与结构设计

人工穿鞋主要包括鞋面夹持、鞋带穿引、拉伸整理等步骤，由此构建了如图1 所示机械手穿带过程原理。

图1 机械手装置的穿带原理

设置双机械手，模拟人工双手操作，从鞋面两排带孔同时进行穿引，并结合位置标定，提高精度和效率。详细的结构如图2 所示。

图2 机械手结构图

如图2 所示，每个机械手配备两个气爪，一个设置为主气爪，主要进行穿引拉伸动作，另一为辅助气爪，主要进行鞋带头的过渡衔接动作。

穿引步骤：首先主气爪在直线气缸的作用下下降并夹持鞋带头，辅助气爪在直线气缸的作用下上升，然后机械手在直线组的驱动下移动到鞋面斜孔附近，结合位置标定和直线气缸的伸缩，驱动主气爪上的鞋带头穿过斜孔，辅助气爪下降并夹持鞋带头，主气爪松开鞋带头并上升，机械手整体前移动一定位置后，主气爪下降夹持鞋带头，辅助气爪松开并上升，主气爪上升并拉伸鞋带，到达设定位置后在旋转气缸的作用下180°转向，鞋面在夹持装置驱动下前进一个孔位，机械手进入下一对鞋孔的穿引。如此反复，直到最后完成所有鞋孔的穿引。

2 机械手位姿控制

由于鞋带孔较小，并且不同的鞋面孔型不一，机械手在穿引过程需要进行精确的位姿控制。基于对人眼视觉成像原理的认知，本文设计了双目立体成像位姿控制方法，其控制流程如图3 所示。

双目立体视觉方法通过标志点在不同图像的位置建立对应关系，以图像的位置差求解获取目标的几何位置参数，结合摄像装置的设定，标定出机械手的位姿参数并规划设计出鞋带穿引的路径。

通过立体成像和摄像标定，对机械手和目标的位置关系进行求解标定，并转化成驱动参数，通过伺服控制系统，驱动机械手实现既定的鞋带穿引动作。

由于机械手受鞋带柔性变形及本身结构强度的限制，在运动过程中会逐步累积误差。为了进一步提高动作的精度，并改善双机械手运动的协调一致性，设计了基于动力学的计算力矩协同控制方法，以逆动力学反馈进行非线性补偿减小跟踪误差，其控制策略如图4 所示。

图3 双目立体成像控制流程

方法主要包括PID 和非线性反馈补偿两个模块，其中针对外部的干扰和影响，设置常见的PID 环节进行误差修正。针对系统性的影响，在内设置非线性反馈补偿方法：以力q 与机械手的运行速度和加速度联合建立动力学模型，通过实时调整电机驱动力，补偿运行误差，提高穿引过程的控制精度和稳定性。

图4 控制策略

机械手在执行过程中，轨迹式样库配置系统通过计算力矩协同控制生成具体的运动控制指令，完成多个机械手之间的配合，实现多机械手高速高效的穿引协同控制。

3 运动轨迹优化

穿引动作轨迹的规划，是控制系统进行跟踪控制的先决条件，其核心优化运动路径以提高运行的速度和精度。利用非支配排序遗传算法，设计了鞋带机械手多目标轨迹优化流程。

方法是基于NSGA-II 求解的多目标优化，在物理层主要有三个基本步骤：第一步空间标定，即建立机械关节运动过程中在空间的各个位置，连接这些位置，考虑速度和力的约束条件，利用样条曲线进行拟合，确保运动过程的连续顺滑；第二步设置优化目标，在鞋带机械手运动中，一般以时间、能耗、关键参数变化量等为优化目标；第三步，利用一维Logistic 映射，对各控制参数进行遍历和全局搜索，解决多目标冲突，获取轨迹最优解。

受鞋带机械手目标柔性、难以精确夹持定位、变形大的特性影响，还需要进一步进行避障技术的设计，以确保穿引质量。

在轨迹规划中，需要进行实时避障技术的设计，确保穿引质量。本文设计了如图5 所示的向量直方图避障算法架构。

图5 避障算法构架

图6 实验样机

方法对鞋带机械手的运行空间划分为若干连续二维栅格，这些二维栅格每个栅格都包含一个概率值，构建向量直方图。通过概率值的大小，来判断出现障碍的可能性，通过与设定的阈值进行对比，从而确定是否修改控制参数，即避开障碍物。栅格单元的概率值，主要由传感器的数据和设定的概率函数来确定。

4 样机研制实验

根据以上设计，依托合作企业，开发了如图6 所示的自动鞋带机装置主要依据图2 的结构，以型材搭建整体运动支架，以线轨为运动和定位部件，以气缸为机械臂中机械手的伸缩、夹持运动的动力源，结合原有的鞋面夹持伺服结构，搭建实验平台。

实验中，通过控制系统设定了多种鞋带花型，选取了运动鞋、皮鞋和中、高帮女鞋等不同斜面进行鞋带的穿引。结果统计表明，鞋带设备的定位精度可达±0.2mm，鞋带孔的最高穿引导速度可调达到7 孔/分钟，穿带花样可达10 种以上，穿好后的鞋带松紧基本一致，鞋面变形小，总体穿引质量高。

5 结论

鞋带自动穿引实验表明，该机械手装置定位精准、运动柔顺，两只机械手和四只气爪运行协调，实现了鞋带的高效、自动和可靠穿引。相比传统穿鞋带的工序方法，装置的自动化解决了穿鞋带需要大量手工操作的劳动力瓶颈问题，提升了鞋面缝制装备的整体现代先进制造水平，不仅提高了制鞋业的生产率和生产质量，而且降低了人工成本，为产业的发展，提供了重要的科学和经济价值。