紡織機器人來了！

紡織行業(yè)作為我國國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)和重要的民生產(chǎn)業(yè)，正處于轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵時期。整個行業(yè)面臨人口紅利消失、原材料價格上漲、環(huán)保壓力增大、出口縮減等現(xiàn)實問題。其中，人力成本長期居高不下，是紡織業(yè)目前面臨的痛點難點問題。紡織產(chǎn)業(yè)是典型的勞動密集型產(chǎn)業(yè)，勞動力優(yōu)勢讓中國成為世界第一大紡織品出口國，但從2012年開始，隨著我國人口紅利逐漸消失，人工成本逐年提高。調(diào)查顯示，東南沿海地區(qū)紡織廠工人工資集中在5000-10000元，中西部地區(qū)工人工資大致在3000-6000元左右，人工成本在紡織類公司總成本的占比已經(jīng)從20%迅速飆升到了60%。紡織行業(yè)工作內(nèi)容很辛苦，80后基本慢慢退下，90后不想做，00后更不愿涉足。另外勞動人口減少，員工不穩(wěn)定，流動加快造成額外費用等，也是紡織企業(yè)面臨的難題。

面對諸多發(fā)展困境，我國紡織行業(yè)積極求變，加快新舊動能轉(zhuǎn)換，以智能制造為手段，推動紡織行業(yè)由“大”向“大而強”的轉(zhuǎn)型發(fā)展，謀求在部分領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破并引領(lǐng)世界。借力“人工智能”、“互聯(lián)網(wǎng)+”、“大數(shù)據(jù)”在紡織行業(yè)的創(chuàng)新應(yīng)用，加快新一代信息技術(shù)與紡織業(yè)融合的創(chuàng)新發(fā)展已經(jīng)成為大勢所趨，結(jié)合持續(xù)的科技創(chuàng)新，推動紡織產(chǎn)業(yè)向綠色低碳、數(shù)字化、智能化和柔性化等方向發(fā)展，是實現(xiàn)這一偉大轉(zhuǎn)變的必由路徑。
清華大學(xué)天津高端裝備研究院智能綠創(chuàng)裝備研究中心長期致力于智能制造與綠色環(huán)保創(chuàng)新技術(shù)的科技成果轉(zhuǎn)化工作，專注于各個行業(yè)自動化裝備的研發(fā)與創(chuàng)新，旨在利用自動化設(shè)備代替人工，減輕工人勞動強度，提升設(shè)備生產(chǎn)效率。今天，小編帶大家了解的是由該中心科研人員研發(fā)的在紡織行業(yè)可以替代人工上紗的智能化絡(luò)筒機自動上紗系統(tǒng)。

【國內(nèi)現(xiàn)狀】
自二十世紀(jì)八十年代起，我國開始引進和研制自動絡(luò)筒機，自動絡(luò)筒機實現(xiàn)了絡(luò)筒工序中多個工作步驟的自動化，降低了工人的勞動強度，提高了生產(chǎn)效率。絡(luò)筒是紡紗過程的最后一道工序，將小容量的管紗連接起來，做成大容量的筒紗，供后續(xù)的織造使用。但是在將管紗放置到絡(luò)筒機的紗庫中這一步驟始終還需要人工操作。工人推著裝有管紗的小車在絡(luò)筒機前巡回，向紗庫中插管紗，這一步驟被稱為上紗，一個工人需要負(fù)責(zé)多條絡(luò)筒機生產(chǎn)線的上紗工作，勞動強度大。由于工作環(huán)境存在高粉塵、高濕度和高噪音等問題，紡織企業(yè)“招工難”、“用工貴”的問題日益突出。因此，研制絡(luò)筒機的自動上紗系統(tǒng)已成為紡織行業(yè)的一項現(xiàn)實需求。

【實現(xiàn)功能】
絡(luò)筒機自動上紗系統(tǒng)主要由視覺、移動、儲存和抓取四個模塊組成。實現(xiàn)功能所需步驟如下：
1、自動導(dǎo)航車沿鋪設(shè)在地面的磁性軌道線，在車間中巡航；
2、在接到需要給某一絡(luò)筒機上紗的指令后，運動至指定的絡(luò)筒機紗庫旁；
3、計算機視覺模塊拍攝自動絡(luò)筒機紗庫的圖像，運行深度學(xué)習(xí)算法，識別并定位沒有管紗的紗庫空位；
4、計算機視覺模塊拍攝周轉(zhuǎn)箱內(nèi)的圖像，運行深度學(xué)習(xí)算法，預(yù)測管紗的掩碼和關(guān)鍵點，計算出管紗的抓取點；
5、如果檢測出圖像中有多個可抓取的管紗，則根據(jù)抓取策略，對各管紗的抓取點排序，選擇最優(yōu)抓取目標(biāo)；
6、機器人抓取管紗；
7、機器人將管紗放入紗庫的空位中。
由于管紗在放入紗庫后還需要進行管紗找頭工作，為提高絡(luò)筒機整體運行效率，科研人員在后期還會在自動上紗系統(tǒng)上增加找頭機構(gòu)，從而節(jié)省絡(luò)筒機找頭時間。每個模塊所實現(xiàn)的功能及樣機整體結(jié)構(gòu)如下圖所示：

【科技創(chuàng)新】

1、首創(chuàng)使用關(guān)節(jié)機器人進行紗管的夾取與放置，結(jié)構(gòu)輕便靈活。
當(dāng)前產(chǎn)品大多數(shù)通過傳統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)管紗的運輸與放置，這樣的結(jié)構(gòu)就要求管紗需要整齊的擺放在周轉(zhuǎn)箱中，會多出擺放管紗時間，同樣需要較多的人工來實現(xiàn)。且傳統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)過于笨重，導(dǎo)致機器整體較大，制造成本高。

2、采用圖像識別技術(shù)，改進計算機視覺算法。
對現(xiàn)有算法進行改進與優(yōu)化，使設(shè)備識別效率明顯提高，可快速判斷抓取位置，并快速識別紗庫空位。

3、改進關(guān)節(jié)機器人路徑規(guī)劃。
通常情況下為減小計算量，關(guān)節(jié)機器人的運動軌跡會被分為多段分別進行計算，再分別執(zhí)行，這就造成了機器人的頻繁啟停，會影響機器人的工作效率。此款設(shè)備在設(shè)計中將分段分別計算的軌跡拼接在了一起，有效地提升了機器人的運行效率。

4、吸盤結(jié)構(gòu)提升抓取成功率。
在夾爪上添加吸盤結(jié)構(gòu)，在夾爪夾取管紗前吸盤將管紗吸住，并隨滾珠絲杠提起，保證在即使多個管紗重疊，夾爪也能順利夾起管紗。

5、自動電量檢測，自動充電。
設(shè)備上配電池管理系統(tǒng)（BMS），降低設(shè)備能耗，并在電量用盡后自動前往電源處進行自動充電。

6、多種導(dǎo)航方式可選。
此套系統(tǒng)開發(fā)了包括磁導(dǎo)航，激光雷達(dá)導(dǎo)航在內(nèi)的多種導(dǎo)航方式，可適用于不同廠房的不同需求。

【應(yīng)用價值】

據(jù)中國紡織機械協(xié)會統(tǒng)計，我國環(huán)錠紡紗錠數(shù)已超過1.2億錠，其中85%以上應(yīng)用了自動絡(luò)筒機，其中近80%為紗庫式自動絡(luò)筒機，以每千紗錠配置1條紗庫式自動絡(luò)筒機生產(chǎn)線計，則紗庫式自動絡(luò)筒機生產(chǎn)線數(shù)量有約81600條，且當(dāng)前還沒有出現(xiàn)非常實用的自動上紗系統(tǒng)，因此此套系統(tǒng)有很大的發(fā)展?jié)摿Α?br /> 基于此套系統(tǒng)研發(fā)的計算機識別算法以及機器人路徑規(guī)劃算法適用不僅適用于紡織領(lǐng)域，這些算法可以適用于不同的抓取場景，同時也可以引導(dǎo)機器人在物體散亂且密集的場景中抓取目標(biāo)，為機器人在復(fù)雜場景下的抓取問題提供一個解決方案。