CN106087262B - 机器人缝纫系统及其操作方法和系统的研发方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人缝纫系统及其操作方法和系统的研发方法，包括1、添加附加轴：在六自由度机械臂末端通过串联的方式安装一号附加轴和二号附加轴。2、编程仿真：将编写的缝纫机仿真程序运行于教学控制器的机器人系统中。3、可控量关系仿真：将七号教学伺服电机实际工作过程中的转速作为一号可控量，八号教学伺服电机一次往复运动中的转速作为二号可控量，机器人末端的移动速度作为三号可控量；通过MATLAB仿真。4、缝纫程序：将六自由度机械臂的末端在工作空间坐标系下的移动速度值替换为缝纫机仿真程序中一号教学伺服电机的实时速度。本发明是基于机器人系统的缝纫工艺包，解决了缝纫机控制器和机器人控制器硬件成本浪费的问题。

Description

机器人缝纫系统及其操作方法和系统的研发方法

技术领域

本发明涉及工业机器人控制技术领域，具体的说是机器人缝纫系统及其操作方法和系统的研发方法。

背景技术

传统缝纫行业中，通过移动沙发皮具实现缝制，缝纫完成后将缝制的皮具制作成需要的形状，这种方法适合于缝制平面皮具制品，无法适应具有一定形状的空间缝制，不能满足高端缝纫业对于缝纫质量要求。并且传统缝纫的生产过程中离不开工人的操作，对于人工的需求非常巨大。

现有的3D缝纫技术分别通过缝纫机控制器和机器人控制器控制缝纫机和机器人，缝纫机和机器人之间采用通讯的方式配合工作，这种方法在硬件上过于浪费，增加了开发成本，同时通讯控制器之间的通讯存在风险，在实际工作中需要机器人末端匀速移动，很难适应复杂的工作场合。

为了满足高端缝纫业对于缝纫质量的要求，同时减少大规模生产中的人员投入，人们采用机器人缝纫系统，对于缝纫行业向高端发展具有积极作用，硬件上将缝纫机控制系统集成于机器人控制系统中，消除控制器间通讯的风险，可以适应复杂的工作场合。但是目前普遍的缝纫生产线自动化水平不高，而且操作人员缺乏相关技能，还不能真正实现缝纫机器人生产线。

发明内容

针对上述技术的缺陷，本发明提出机器人缝纫系统及其操作方法和系统的研发方法。

机器人缝纫系统的研发方法，包括以下步骤：

(1)添加附加轴：在六自由度机械臂末端通过串联的方式安装一号附加轴和二号附加轴；所述一号附加轴和二号附加轴分别包括一号附加伺服电机、与一号附加伺服电机配合的一号附加伺服驱动器和二号附加伺服电机、与二号附加伺服电机配合的二号附加伺服驱动器，所述六自由度机械臂、一号附加轴、二号附加轴共同连接有一个八通道控制器，所述八通道控制器分别与六自由度机械臂中的六个伺服驱动器、一号附加伺服驱动器、二号附加伺服驱动器相连；所述一号附加伺服电机控制缝纫机针；所述二号附加伺服电机控制机针平移装置；所述机针通过机针平移装置安装于缝纫机上，机针平移装置在缝纫机的机头处往复运动；

(2)编程仿真：仿真教学平台具有教学控制器、与教学控制器相匹配的一号至八号共8个教学伺服驱动器、与8个教学伺服驱动器对应相连的一号至八号共8个教学伺服电机以及一台显示器；将编写的缝纫机仿真程序运行于教学控制器的机器人系统中，当缝纫机仿真程序执行时，将七号教学伺服电机和八号教学伺服电机转速实时显示在屏幕上；

(3)可控量关系仿真：将七号教学伺服电机实际工作过程中的转速作为一号可控量，八号教学伺服电机一次往复运动过程中的转速作为二号可控量，机器人末端的移动速度作为三号可控量；通过MATLAB仿真，得出一号可控量，二号可控量和三号可控量之间的关系式；将三者的关系式写入步骤(2)中的缝纫仿真程序中，机器人末端速度值在缝纫仿真程序中以教学控制器的一号通道表示；通过教学控制器使三号通道对应的三号教学伺服驱动器控制三号教学伺服电机，三号教学伺服电机实时速度以10秒内的速度曲线显示于屏幕上；七号教学伺服电机和八号教学伺服电机分别以教学控制器的七号通道和八号通道表示，七号教学伺服电机和八号教学伺服电机实时速度均以10秒内速度曲线的方式显示于屏幕上；七号教学伺服电机和八号教学伺服电机分别对应于一号附加伺服电机和二号附加伺服电机。

(4)缝纫程序：将六自由度机械臂的末端在工作空间坐标系下的移动速度值实时保存于三号可控量中，替换掉缝纫机仿真程序中一号教学伺服电机的实时速度；将更改后的缝纫程序写入机器人系统中，在机器人系统示教程序中加入控制缝纫机运动状态的代码，实现机器人移动过程中的缝纫动作。

在缝纫轨迹确定过程中，以缝纫针位作为工具中心点，确定机器人末端工具坐标，以被缝制皮革所处位置确定缝纫位置的工件坐标，其中缝纫针位为缝纫机器人开始下针时缝纫针所处的位置；缝纫机器人沿目标缝纫轨迹移动，生成缝纫轨迹示教文件，目标缝纫轨迹就是工具中心点位置移动的轨迹。

在缝纫零点确定时，缝纫轨迹示教文件生成后，在缝纫轨迹示教文件的起针位置点前加入缝纫初始化指令，机器人按照缝纫轨迹运动，在起针位置点处缝纫机初始化，缝纫机初始化就是机针平移装置移动至缝纫机上安装的限位开关报警位置，八通道控制器获取报警信号后，机针平移装置反向运动，进行固定距离的平移，并以反向运动的终点位置作为机针平移装置零点位置。

机器人缝纫系统，包括一套20公斤机器人系统、缝纫机驱动器以及缝纫机。其中20公斤机器人系统包括20公斤六自由度机械臂、电控柜系统，所述电控柜系统控制六自由度机械臂、缝纫机、缝纫机驱动器。所述电控柜系统包括电机驱动器、与电机驱动器相连的机器人控制器、编码器端子板、为机器人控制器和电机驱动器供电的电源模块、控制对应电机驱动器的继电器模块以及各种端子和与控制器相连的示教器等部分。使用时，将缝纫机驱动器安装在机器人电控柜内部，缝纫机驱动器通过编码器端子板与机器人控制器连接，电机驱动器直接由电源模块接入220V交流电。将缝纫机安装于六自由度机械臂末端位置，通过缝纫机驱动器控制缝纫机。

机器人缝纫系统的操作步骤为：机器人控制器启动后，机器人系统初始化，并开始进行参数信息设置及读取，参数信息设置及读取的范围包括文件管理信息、示教程序、坐标系管理信息、IO逻辑管理信息(模拟量输入、输出，数字量输入、输出)和缝纫程序参数管理信息。从外存读入内存，从内存中读入示教文件，机器人轨迹示教程序开始执行，同时机器人运动指令开始传递，然后缝纫程序线程开始，之后判断缝纫线程是否结束，如果缝纫程序线程结束，线程终止，缝纫轨迹示教程序结束，对内存中的参数信息进行更新，并重新进行参数信息设置及读取，如果缝纫程序线程结束后，缝纫轨迹示教程序没有结束，则机器人运动指令继续执行，同时缝纫程序线程继续执行。

缝纫机器人沿着缝纫轨迹运动过程中，缝纫机针在零点位置时，机针平移装置反向运动，此时缝纫动作开始，使缝纫机相对于目标皮革静止，缝纫针插入目标皮具，经过下针位后，缝纫针从目标皮具抽出时为一个缝纫动作的结束，缝纫针回到缝纫针位置，接着向上针位运动，机针平移装置以数倍于机器人末端的速度同向于机器人末端运动，此时为回针动作，当机针由上针位重新移动至缝纫针位，机针平移装置移动至初始位置，为一个回针动作结束；上针位为缝纫机针缝纫过程中所处的最上方位置，下针位为缝纫机针缝纫过程中所处的最下方位置。

所述目标轨迹可以是空间轨迹，通过操作移动工具中心位置在空间中的移动实现。

本发明的有益效果是：

本发明是基于机器人系统的缝纫工艺包，解决了缝纫机控制器和机器人控制器硬件成本浪费的问题，降低了通讯过程中存在的风险问题，同时解决了现有3D缝纫无法解决的变速状态下缝纫效果不佳，无法适应复杂缝纫环境的问题。

所设计的缝纫工艺包，功能强大，可以设置缝纫过程中所需要的缝纫参数，同时界面简洁，操作方便。并且给调试人员预留了调试界面，方便了实际使用中对程序功能的修改和添加。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的系统动作流程图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明进一步阐述。

机器人缝纫系统及其操作方法和系统的研发方法，研发过程中所涉及到的硬件部分为：一套20公斤机器人系统、缝纫机驱动器以及缝纫机。其中20公斤机器人系统包括20公斤六自由度机械臂、电控柜系统。所述电控柜系统包括电机驱动器、机器人控制器、编码器端子板、电源模块、继电器模块以及各种端子和示教器等部分。硬件上将缝纫机驱动器安装在机器人电控柜内部，缝纫机驱动器通过编码器端子板与机器人控制器连接，电机驱动器直接由电源模块入220V交流电。将缝纫机安装于六自由度机械臂末端位置，通过缝纫机驱动器控制缝纫机。

研发方法包括以下步骤：

(1)添加附加轴：在六自由度机械臂末端通过串联的方式安装一号附加轴和二号附加轴；所述一号附加轴和二号附加轴分别包括一号附加伺服电机、与一号附加伺服电机配合的一号附加伺服驱动器和二号附加伺服电机、与二号附加伺服电机配合的二号附加伺服驱动器，所述六自由度机械臂、一号附加轴、二号附加轴共同连接有一个八通道控制器，所述八通道控制器分别与六自由度机械臂中的六个伺服电机、一号附加伺服驱动器、二号附加伺服驱动器相连；所述一号附加伺服电机控制缝纫机针；所述二号附加伺服电机控制机针平移装置；所述机针通过机针平移装置安装于缝纫机上，机针平移装置在缝纫机的机头处往复运动；

(2)编程仿真：仿真教学平台具有教学控制器、与教学控制器相匹配的一号至八号共8个教学伺服驱动器、与8个教学伺服驱动器对应相连的一号至八号共8个教学伺服电机以及一台显示器；将编写的缝纫机仿真程序运行于教学控制器的机器人系统中，当缝纫机仿真程序执行时，将七号教学伺服电机和八号教学伺服电机转速实时显示在屏幕上；

(3)可控量关系仿真：将七号教学伺服电机实际工作过程中的转速作为一号可控量，八号教学伺服电机一次往复运动过程中的转速作为二号可控量，机器人末端的移动速度作为三号可控量；通过MATLAB仿真，得出一号可控量，二号可控量和三号可控量之间的关系式；将三者的关系式写入步骤(2)中的缝纫仿真程序中，机器人末端速度值在缝纫仿真程序中以教学控制器的一号通道表示；通过教学控制器使三号通道对应的三号教学伺服驱动器控制三号教学伺服电机，三号教学伺服电机实时速度以10秒内的速度曲线显示于屏幕上；七号教学伺服电机和八号教学伺服电机分别以教学控制器的七号通道和八号通道表示，七号教学伺服电机和八号教学伺服电机实时速度均以10秒内速度曲线的方式显示于屏幕上；七号教学伺服电机和八号教学伺服电机分别对应于一号附加伺服电机和二号附加伺服电机。

(5)缝纫程序：将六自由度机械臂的末端在工作空间坐标系下的移动速度值实时保存于三号可控量中，替换掉缝纫机仿真程序中一教学伺服电机的实时速度；将更改后的缝纫程序写入机器人系统中，在机器人系统示教程序中加入控制缝纫机运动状态的代码，实现机器人移动过程中的缝纫动作。

在缝纫轨迹确定过程中，以缝纫针位作为工具中心点，确定机器人末端工具坐标，以被缝制皮革所处位置确定缝纫位置的工件坐标，其中缝纫针位为缝纫机器人开始下针时缝纫针所处的位置；缝纫机器人沿目标缝纫轨迹移动，生成缝纫轨迹示教文件，目标缝纫轨迹就是工具中心点位置移动的轨迹。

在缝纫零点确定时，缝纫轨迹示教文件生成后，在缝纫轨迹示教文件的起针位置点前加入缝纫初始化指令，机器人按照缝纫轨迹运动，在起针位置点处缝纫机初始化，缝纫机初始化就是机针平移装置移动至缝纫机上安装的限位开关报警位置，八通道控制器获取报警信号后，机针平移装置反向运动，进行固定距离的平移，并以反向运动的终点位置作为机针平移装置零点位置。

缝纫机器人沿着缝纫轨迹运动过程中，缝纫机针在零点位置时，机针平移装置反向运动，此时缝纫动作开始，使缝纫机相对于目标皮革静止，缝纫针插入目标皮具，经过下针位后，缝纫针从目标皮具抽出时为一个缝纫动作的结束，缝纫针回到缝纫针位置，接着向上针位运动，机针平移装置以数倍于机器人末端的速度同向于机器人末端运动，此时为回针动作，当机针由上针位重新移动至缝纫针位，机针平移装置移动至初始位置，为一个回针动作结束；上针位为缝纫机针缝纫过程中所处的最上方位置，下针位为缝纫机针缝纫过程中所处的最下方位置。

所述目标轨迹可以是空间轨迹，通过操作移动工具中心位置在空间中的移动实现。所述缝纫机器人的行程规划是基于机器人控制器实现的，可以选择通过人工示教的方式规划机器人行程轨迹，也可以选择机器人离线仿真程序实现机器人行程轨迹的规划。

缝纫机机头具有机针和机针穿刺机构，机针穿刺机构驱动机针进行针刺动作，从而完成缝纫；缝纫机安装于机器人末端，由机器人控制，按照示教轨迹运行后开始缝纫；所述缝纫机上具有机针平移装置，在缝纫时，机针平移装置驱动机针相对于缝纫机机头平移运动。

缝纫时，在一个针刺动作周期内，机针平移装置的运动分为两段，一段的运动速度与机器人末端相同且方向相反，另一段的运动方向与机器人末端相同且速度大于缝纫机机头速度。机针平移装置与机器人末端速度相同且方向相反的过程中，缝纫机机头穿刺机构执行穿刺动作，一个机针穿刺周期对应一个针距。

缝纫机器人在变速移动过程实现精确的在目标点处扎孔，缝纫机扎针速度随着机器人末端速度的变化而变化，缝纫精度对于缝纫轨迹的依赖性较低。当缝纫过程中出现断电等事故时，缝纫机可以立刻停止工作，再次接通电源后，缝纫机器人按照断电前位置继续缝纫任务。无需对机针重新较准，可以适应复杂的工业环境。

如图1所示，缝纫机器人程序流程为：机器人控制器启动后，机器人系统初始化，并开始进行参数信息设置及读取，参数信息设置及读取的范围包括文件管理信息、示教程序、坐标系管理信息、IO逻辑管理信息(数字量输入、输出，模拟量输入、输出)和缝纫程序参数管理信息。从机器人控制器的外存读入机器人控制器的内存，从内存中读入缝纫轨迹示教文件，缝纫轨迹示教序开始执行，同时机器人运动指令开始传递，然后缝纫程序线程开始，之后判断缝纫线程是否结束，如果缝纫程序线程结束，线程终止，缝纫轨迹示教程序结束，对内存中的参数信息进行更新，并重新进行参数信息设置及读取，如果缝纫程序线程结束后，缝纫轨迹示教程序没有结束，则机器人运动指令继续执行，同时缝纫程序线程继续执行。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.机器人缝纫系统的生产设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)添加附加轴：在六自由度机械臂末端通过串联的方式安装一号附加轴和二号附加轴；所述一号附加轴和二号附加轴分别包括一号附加伺服电机、与一号附加伺服电机配合的一号附加伺服驱动器和二号附加伺服电机、与二号附加伺服电机配合的二号附加伺服驱动器，所述六自由度机械臂、一号附加轴、二号附加轴共同连接有一个八通道控制器，所述八通道控制器分别与六自由度机械臂中的六个伺服驱动器、一号附加伺服驱动器、二号附加伺服驱动器相连；所述一号附加伺服电机控制缝纫机针；所述二号附加伺服电机控制机针平移装置；所述机针通过机针平移装置安装于缝纫机上，机针平移装置在缝纫机的机头处往复运动；

(2)编程仿真：仿真教学平台具有教学控制器、与教学控制器相匹配的一号至八号共8个教学伺服驱动器、与8个教学伺服驱动器对应相连的一号至八号共8个教学伺服电机以及一台显示器；将编写的缝纫机仿真程序运行于教学控制器的机器人系统中，当缝纫机仿真程序执行时，将七号教学伺服电机和八号教学伺服电机转速实时显示在屏幕上；

(3)可控量关系仿真：将七号教学伺服电机实际工作过程中的转速作为一号可控量，八号教学伺服电机一次往复运动过程中的转速作为二号可控量，机器人末端的移动速度作为三号可控量；通过MATLAB仿真，得出一号可控量，二号可控量和三号可控量之间的关系式；将三者的关系式写入步骤(2)中的缝纫仿真程序中，机器人末端速度值在缝纫仿真程序中以教学控制器的三号通道表示；通过教学控制器使三号通道对应的三号教学伺服驱动器控制三号教学伺服电机，三号教学伺服电机实时速度以10秒内的速度曲线显示于屏幕上；七号教学伺服电机和八号教学伺服电机分别以教学控制器的七号通道和八号通道表示，七号教学伺服电机和八号教学伺服电机实时速度均以10秒内速度曲线的方式显示于屏幕上；七号教学伺服电机和八号教学伺服电机分别对应于一号附加伺服电机和二号附加伺服电机；

(4)缝纫程序：将六自由度机械臂的末端在工作空间坐标系下的移动速度值实时保存于三号可控量中，替换掉缝纫机仿真程序中一号教学伺服电机的实时速度；将更改后的缝纫程序写入机器人系统中，在机器人系统示教程序中加入控制缝纫机运动状态的代码，实现机器人移动过程中的缝纫动作。

2.根据权利要求1所述的机器人缝纫系统的生产设计方法，其特征在于：在缝纫轨迹确定过程中，以缝纫针位作为工具中心点，确定机器人末端工具坐标，以被缝制皮革所处位置确定缝纫位置的工件坐标，其中缝纫针位为缝纫机器人开始下针时缝纫针所处的位置；缝纫机器人沿目标缝纫轨迹移动，生成缝纫轨迹示教文件，目标缝纫轨迹就是工具中心点位置移动的轨迹。

3.根据权利要求2所述的机器人缝纫系统的生产设计方法，其特征在于：在缝纫零点确定时，缝纫轨迹示教文件生成后，在缝纫轨迹示教文件的起针位置点前加入缝纫初始化指令，机器人按照缝纫轨迹运动，在起针位置点处缝纫机初始化，缝纫机初始化就是机针平移装置移动至缝纫机上安装的限位开关报警位置，八通道控制器获取报警信号后，机针平移装置反向运动，进行固定距离的平移，并以反向运动的终点位置作为机针平移装置零点位置。

4.根据权利要求3所述的机器人缝纫系统的生产设计方法，其特征在于：缝纫机器人沿着缝纫轨迹运动过程中，缝纫机针在零点位置时，机针平移装置反向运动，此时缝纫动作开始，使缝纫机相对于目标皮革静止，缝纫针插入目标皮具，经过下针位后，缝纫针从目标皮具抽出时为一个缝纫动作的结束，缝纫针回到缝纫针位置，接着向上针位运动，机针平移装置以数倍于机器人末端的速度同向于机器人末端运动，此时为回针动作，当机针由上针位重新移动至缝纫针位，机针平移装置移动至初始位置，为一个回针动作结束；上针位为缝纫机针缝纫过程中所处的最上方位置，下针位为缝纫机针缝纫过程中所处的最下方位置。

5.根据权利要求2或3所述的机器人缝纫系统的生产设计方法，其特征在于：目标轨迹可以是空间轨迹，通过操作移动工具中心位置在空间中的移动实现。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的机器人缝纫系统，其特征在于：包括机器人系统、缝纫机驱动器以及缝纫机，所述机器人系统包括六自由度机械臂、电控柜系统，所述电控柜系统控制六自由度机械臂、缝纫机、缝纫机驱动器；所述电控柜系统包括电机驱动器、与电机驱动器相连的机器人控制器、编码器端子板、为机器人控制器和电机驱动器供电的电源模块、控制对应电机驱动器的继电器模块以及与控制器相连的示教器；缝纫机驱动器通过编码器端子板与机器人控制器连接，电机驱动器直接由电源模块接入220V交流电；将缝纫机安装于六自由度机械臂末端位置，通过缝纫机驱动器控制缝纫机。

7.根据权利要求6所述的机器人缝纫系统的操作方法，其特征在于：机器人控制器启动后，机器人系统初始化，并开始进行参数信息设置及读取，参数信息设置及读取的范围包括文件管理信息、示教程序、坐标系管理信息、IO逻辑管理信息和缝纫程序参数管理信息，所述IO逻辑管理信息包括数字量输入、输出，模拟量输入、输出；从机器人控制器的外存读入机器人控制器的内存，从内存中读入缝纫轨迹示教文件，缝纫轨迹示教程序开始执行，同时机器人运动指令开始传递，然后缝纫程序线程开始，之后判断缝纫线程是否结束，如果缝纫程序线程结束，缝纫轨迹示教程序结束，对内存中的参数信息进行更新，并重新进行参数信息设置及读取，如果缝纫程序线程结束后，缝纫轨迹示教程序没有结束，则机器人运动指令继续执行，同时缝纫程序线程继续执行。