林晨寬 陳林 孫邦輝 盧毅

摘? 要：傳統(tǒng)的衣領(lǐng)的縫紉都為手工縫紉，縫紉質(zhì)量差異化嚴(yán)重、效率低、人工成本高，針對(duì)這些不足，搭建一個(gè)基于機(jī)器視覺的智能縫紉系統(tǒng)，該系統(tǒng)將視覺定位技術(shù)、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用在電動(dòng)縫紉機(jī)上，完成衣領(lǐng)的智能縫紉。系統(tǒng)通過預(yù)先標(biāo)定方法獲得圖像中的點(diǎn)移動(dòng)到縫紉機(jī)縫針正下方時(shí)圖像坐標(biāo)與機(jī)械運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的關(guān)系，工作時(shí)運(yùn)用機(jī)器視覺技術(shù)獲得待縫紉衣領(lǐng)的圖像并計(jì)算縫紉路徑和縫紉點(diǎn)坐標(biāo)，通過得到的圖像坐標(biāo)與機(jī)械運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，再結(jié)合運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)和電動(dòng)縫紉機(jī)技術(shù)完成衣領(lǐng)的智能縫紉。該系統(tǒng)可減少一線縫紉工的勞動(dòng)強(qiáng)度和技術(shù)難度，提高衣領(lǐng)縫紉質(zhì)量和縫紉效率。

關(guān)鍵詞：視覺定位；圖像標(biāo)定；智能縫紉；運(yùn)動(dòng)控制；機(jī)器視覺

中圖分類號(hào)：TP391.4? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）17-0038-04

Abstract： Traditional collar sewing is manual work， with serious sewing quality differentiation， low efficiency and high labor cost. In view of these shortcomings， an intelligent sewing system based on machine vision is built. The system applies visual positioning technology and motion control technology to electric sewing machine to complete intelligent sewing of collar. The system obtains the relationship between the image coordinates and the mechanical motion coordinates when the point in the image is moved directly under the sewing needle of the sewing machine by the pre-calibration method. During working， the machine vision technology is used to obtain the image of the sewing collar and calculate the sewing path and sewing point coordinates， through the transformation relationship between the image coordinates and mechanical motion coordinates， and then combine the motion control technology and electric sewing machine technology to complete the intelligent sewing of the collar. The system reduces the labor intensity and technical difficulty of front-line sewing workers， and improves the sewing quality and sewing efficiency of collar sewing.

Keywords： visual positioning; image calibration; intelligent sewing; motion control; machine vision

服裝行業(yè)的原材料和勞動(dòng)力成本不斷上漲，產(chǎn)品產(chǎn)量、生產(chǎn)效率要求卻不斷提高，作業(yè)方式老化、熟練工人培訓(xùn)周期長(zhǎng)、招工難等問題不斷凸顯，使得傳統(tǒng)服裝加工企業(yè)面臨前所未有的競(jìng)爭(zhēng)和挑戰(zhàn)[1-2]。近年來工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展[3-5]，越來越多的工業(yè)機(jī)器人參與到服裝業(yè)生產(chǎn)過程中來解決服裝行業(yè)的這些瓶頸[6-8]。目前，數(shù)字化、智能化、自動(dòng)化已經(jīng)在服裝企業(yè)得到廣泛應(yīng)用，特別是CAM、CAD的發(fā)展，使得服裝前端工序已經(jīng)基本能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化[9-10]。但在縫制工序方面，高昂的人工成本、差異化的縫紉質(zhì)量仍然是主要問題[11-12]，這是自動(dòng)化縫紉技術(shù)被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛研究的主要原因之一。

目前自動(dòng)化縫紉技術(shù)方面研究已經(jīng)取得一定的進(jìn)展與成果。如文獻(xiàn)[13]在原有縫紉機(jī)功能的基礎(chǔ)上，加入了自動(dòng)移動(dòng)布料平臺(tái)，極大提高了生產(chǎn)效率。文獻(xiàn)[14]設(shè)計(jì)了一種縫紉線繞線機(jī)自動(dòng)初繞裝置，有效地提高了縫紉線繞制過程中初繞工序的效率和自動(dòng)化程度。文獻(xiàn)[15]提出了一種基于智能視覺技術(shù)的全自動(dòng)服裝模板縫紉技術(shù)，設(shè)計(jì)一個(gè)可沿X、Y、Z 3個(gè)方向自由運(yùn)動(dòng)的機(jī)械本體，完成對(duì)面料、PVC、皮革等不同材料的裁剪和制模，實(shí)現(xiàn)服裝縫紉自動(dòng)化。該系統(tǒng)的成功研發(fā)對(duì)后續(xù)自動(dòng)化縫紉設(shè)備的研究具有重要的借鑒意義，但系統(tǒng)使用時(shí)仍然會(huì)發(fā)生由于面料形變導(dǎo)致的縫紉品質(zhì)差異化大的問題。

本文提出的基于機(jī)器視覺的衣領(lǐng)智能縫紉系統(tǒng)是自動(dòng)化縫紉技術(shù)的一種。為保障質(zhì)感和形狀穩(wěn)定，部分衣領(lǐng)在縫紉制成衣服之前需要對(duì)其三邊平行于衣領(lǐng)邊緣區(qū)域進(jìn)行縫紉，如圖1所示為縫紉衣領(lǐng)實(shí)物圖；圖2為縫紉示意圖，黑色框內(nèi)區(qū)域?yàn)橐骂I(lǐng)，虛線為衣領(lǐng)的縫紉路徑。類似地，衣領(lǐng)縫紉同樣存在差異化嚴(yán)重、效率低、人工成本高的問題，急需解決。

1? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作流程

本文提出的衣領(lǐng)智能縫紉系統(tǒng)的主要組成結(jié)構(gòu)包括衣領(lǐng)放置區(qū)域、工業(yè)相機(jī)、相機(jī)支架、背光源、工控機(jī)、電動(dòng)縫紉機(jī)、衣領(lǐng)壓板、二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)及PLC等。圖3示意了其部分關(guān)鍵零件。

上述結(jié)構(gòu)中，衣領(lǐng)放置區(qū)域的材料為設(shè)有矩形陣列小孔的透明亞克力材料。透明亞克力材料確保相機(jī)能夠穩(wěn)定采集到衣領(lǐng)影像，亞克力上的小孔配合底下的負(fù)壓系統(tǒng)能夠確保衣領(lǐng)吸附在上面；壓板可由氣缸控制，下壓時(shí)壓板壓住衣領(lǐng)，上抬時(shí)壓板釋放衣領(lǐng)；壓板安裝在二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由PLC控制其往X、Y方向運(yùn)動(dòng)；工業(yè)相機(jī)位于衣領(lǐng)放置區(qū)域正上方，配合穩(wěn)定的背光源能夠采集置于衣領(lǐng)放置區(qū)域上衣領(lǐng)的圖像；工控機(jī)與工業(yè)相機(jī)和PLC連接，接受工業(yè)相機(jī)采集的圖像，進(jìn)行圖像分析，計(jì)算縫紉路徑及縫紉點(diǎn)坐標(biāo)，并將縫紉點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成機(jī)械運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，發(fā)送給PLC。

系統(tǒng)的工作流程如下。

首先，將待縫紉的衣領(lǐng)放到衣領(lǐng)放置區(qū)域并通過負(fù)壓系統(tǒng)將其吸附在工作臺(tái)上。

其次，系統(tǒng)觸發(fā)相機(jī)采集衣領(lǐng)的圖像并發(fā)送給工控機(jī)，工控機(jī)上的圖像算法對(duì)圖像進(jìn)行處理，計(jì)算縫紉路徑及縫紉點(diǎn)坐標(biāo)，同時(shí)將這些縫紉點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成其運(yùn)動(dòng)到縫針下方時(shí)機(jī)械需要運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)，并發(fā)送給PLC，該坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系通過標(biāo)定獲得，標(biāo)定方法將在本文第2節(jié)介紹。

最后，PLC通過壓板壓住衣領(lǐng)，根據(jù)上一步得到的機(jī)械運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)逐次將衣領(lǐng)移動(dòng)到相應(yīng)縫紉位置并控制電動(dòng)縫紉機(jī)完成縫紉。

2? 圖像坐標(biāo)系與機(jī)械坐標(biāo)系的標(biāo)定

本文第1節(jié)提到，縫紉坐標(biāo)與機(jī)械坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換關(guān)系通過標(biāo)定完成，本章將介紹標(biāo)定方法。

假設(shè)相機(jī)平面與衣領(lǐng)放置平面平行，二維平移臺(tái)機(jī)械坐標(biāo)系OXY與圖像坐標(biāo)系O′X′Y′存在一定的夾角，記為θ，則它們的關(guān)系如圖4所示。

則對(duì)于圖像上的任何一點(diǎn)（x′，y′）與機(jī)械坐標(biāo)（x，y）的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下

x=x′×r×cos（θ）-y′×r×sin（θ）+x0，（1）

y=x′×r×sin（θ）+y′×r×cos（θ）+y0，（2）

式中：r為圖像放大率，單位μm/pixel；θ為2個(gè)坐標(biāo)系之間的夾角；（x0，y0）為圖像坐標(biāo)系原點(diǎn)到機(jī)械坐標(biāo)系原點(diǎn)的距離。

簡(jiǎn)化抽象公式，令

a=r×cos（θ）， （3）

b=r×sin（θ）， （4）

c=x0， （5）

d=y0。 （6）

則將公式（1）、（2）分別簡(jiǎn)化為公式（7）、（8）

x=x′×a-y′×b+c， （7）

y=x′×b+y′×a+d。 （8）

要解出這個(gè)方程，需要2組對(duì)應(yīng)關(guān)系，就是2組對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)。因此筆者設(shè)計(jì)了一種標(biāo)定方法，標(biāo)定流程如下。

第一，用透明菲林紙制作含有2個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的標(biāo)定板（如圖5所示）放入相機(jī)視場(chǎng)中，2個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的距離記為l1，單位為μm。

第二，相機(jī)采集標(biāo)定板圖像，并發(fā)送給工控機(jī)。工控機(jī)上安裝的圖像處理算法能夠計(jì)算2個(gè)點(diǎn)的圖像坐標(biāo)，記為（x′1，y′1）、（x′2，y′2）以及它們之間的距離l2，單位為pixels，則公式（1）、（2）中的圖像放大率r=l1/l2。

第三，通過壓板壓住標(biāo)定紙，并通過PLC控制二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，分別手動(dòng)將（x1，y1）、（x2，y2）對(duì)應(yīng)的標(biāo)記點(diǎn)移動(dòng)到縫紉機(jī)縫針正下方，此時(shí)并分別對(duì)應(yīng)2個(gè)點(diǎn)的機(jī)械坐標(biāo)（x1，y1）、（x2，y2）。

第四，將第三步中得到的2組坐標(biāo)代入公式（7）、（8），即可得到a、b、c、d 4個(gè)系數(shù)，標(biāo)定完成。

通過標(biāo)定完成得到的a、b、c、d 4個(gè)系數(shù)以及公式（7）、（8），即可知圖像中的點(diǎn)移動(dòng)到縫紉機(jī)縫針正下方時(shí)圖像坐標(biāo)與機(jī)械運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的關(guān)系。

3? 縫紉點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算

系統(tǒng)采集到衣領(lǐng)圖像（如圖6所示）后，需經(jīng)過圖像處理算法計(jì)算得到衣領(lǐng)的縫紉點(diǎn)坐標(biāo)，這是系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

算法的處理流程如下。

第一，通過圖像二值化算法篩選衣領(lǐng)區(qū)域，如圖7中灰色框?yàn)橐骂I(lǐng)區(qū)域的輪廓。

第二，假設(shè)縫紉路徑與邊緣的距離為d（μm），則圖像中縫紉路徑與邊緣的距離d1=d/r（pixels）。其中，r為圖像放大率，由本文第2節(jié)中標(biāo)定獲得。進(jìn)一步，算法定義直徑大小為d1的圓形卷積核，并利用該卷積核對(duì)衣領(lǐng)區(qū)域作腐蝕運(yùn)算，得到腐蝕后的衣領(lǐng)區(qū)域。如圖8所示，白色框?yàn)槠渫廨喞?/p>

第三，根據(jù)衣領(lǐng)縫紉工序，腐蝕后衣領(lǐng)區(qū)域的外輪廓的上、左、右3邊輪廓即為縫紉路徑，因此算法需要分割得到這3邊輪廓。算法根據(jù)拐點(diǎn)將腐蝕后衣領(lǐng)區(qū)域的外輪廓分割成子輪廓，并根據(jù)子輪廓的位姿得到左、上、下3條輪廓，如圖9中白色線所示。

第四，在得到縫紉路徑后，算法還需要計(jì)算每個(gè)縫紉點(diǎn)的坐標(biāo)。根據(jù)衣領(lǐng)縫紉工序的要求，每2個(gè)縫紉點(diǎn)間距需保持一致，因此需對(duì)設(shè)定的縫針間距進(jìn)行微調(diào)。調(diào)整方法如下：根據(jù)3條子輪廓的長(zhǎng)度以及初始縫針間距確定每條輪廓上的縫紉點(diǎn)個(gè)數(shù)。如子輪廓長(zhǎng)度為L(zhǎng)，縫紉間距為d2，則該輪廓上縫紉點(diǎn)的個(gè)數(shù)n為L(zhǎng)/d2四舍五入后的整數(shù)，則調(diào)整后的縫紉間距d3=L/n。

第五，最后，算法根據(jù)縫紉路徑（輪廓）及調(diào)整后的縫針間距d3可計(jì)算得到衣領(lǐng)的縫紉點(diǎn)坐標(biāo)，如圖10中白色的點(diǎn)所示。

4? 結(jié)束語

在本文中，提出了一種基于機(jī)器視覺的衣領(lǐng)智能縫紉系統(tǒng)，系統(tǒng)將機(jī)器視覺技術(shù)、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用在電動(dòng)縫紉技術(shù)上，完成衣領(lǐng)的智能縫紉。系統(tǒng)節(jié)省了模具設(shè)計(jì)、制作和更換等帶來的經(jīng)濟(jì)、時(shí)間成本，減少了一線縫紉工的勞動(dòng)強(qiáng)度和技術(shù)難度，提高了衣領(lǐng)縫紉工藝質(zhì)量和縫紉效率。該縫紉系統(tǒng)同樣適用于其他縫紉場(chǎng)合，如衣服口袋、領(lǐng)帶、口罩等，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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