張 潔， 徐楚橋， 汪俊亮， 鄭小虎

1. 東華大學(xué) 人工智能研究院， 上海 201620； 2. 上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院， 上海 200240)

紡織行業(yè)是我國(guó)重要的民生產(chǎn)業(yè)和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)，包含棉紡、毛紡、化纖、印染、針織、家紡、服裝等行業(yè)。近年來(lái)，紡織行業(yè)在自動(dòng)化、信息化方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，單機(jī)自動(dòng)化和車(chē)間信息化建設(shè)已經(jīng)達(dá)到較高的水平，但在疫情和招工難的沖擊下，紡織產(chǎn)業(yè)需由勞動(dòng)密集型向自動(dòng)化、少人或無(wú)人化生產(chǎn)升級(jí)過(guò)渡，在此過(guò)程中存在部分典型、關(guān)鍵工藝難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)等問(wèn)題，產(chǎn)線效率仍有待提高，全流程自動(dòng)化生產(chǎn)難以實(shí)現(xiàn)[1-2]。

近年來(lái)，隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與普及，大力促進(jìn)機(jī)器人技術(shù)與紡織工藝相結(jié)合，提升其在紡織自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用已勢(shì)在必行。我國(guó)是紡織機(jī)械裝備及工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)大國(guó)，但工業(yè)機(jī)器人技術(shù)在紡織自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用嚴(yán)重滯后，高端紡織裝備一直被歐洲、日本等壟斷，價(jià)格高昂。在國(guó)內(nèi)，例如經(jīng)緯紡織機(jī)械股份有限公司也開(kāi)發(fā)出了紡紗全流程自動(dòng)化生產(chǎn)裝備，部分實(shí)現(xiàn)了以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的棉紡生產(chǎn)設(shè)備與流程管控一體化，但部分關(guān)鍵工藝節(jié)點(diǎn)仍然依賴(lài)人工，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多機(jī)協(xié)調(diào)下的全流程自動(dòng)化生產(chǎn)[3]。

隨著自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)紡織自動(dòng)化生產(chǎn)工藝與機(jī)器人的深度融合，并對(duì)其生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析、決策，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的“自感知-自分析-自決策”紡織生產(chǎn)智能管控系統(tǒng)，已經(jīng)成為紡織智能轉(zhuǎn)型升級(jí)的必然趨勢(shì)。本文系統(tǒng)梳理了紡織機(jī)器人生產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展歷程，描述了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人化紡織生產(chǎn)智能管控系統(tǒng)體系架構(gòu)，探討了其關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用，以期促進(jìn)更多紡織領(lǐng)域機(jī)器人化生產(chǎn)智能管控系統(tǒng)的理論技術(shù)研究與工程應(yīng)用發(fā)展。

1 發(fā)展歷程

紡織行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程具有多工序、長(zhǎng)流程、連續(xù)化生產(chǎn)的特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)，機(jī)器人需求包括：1)單工序內(nèi)部的作業(yè)連續(xù)化，如斷紗檢測(cè)機(jī)器人、細(xì)紗自動(dòng)接頭機(jī)器人實(shí)現(xiàn)細(xì)紗工序生產(chǎn)的連續(xù)化；2)多工序間的物流連續(xù)化，如配棉排包機(jī)器人與精梳機(jī)自動(dòng)喂卷機(jī)器人實(shí)現(xiàn)開(kāi)清—精梳一體連續(xù)化生產(chǎn)。圖1示出紡織機(jī)器人的發(fā)展歷程。可見(jiàn)其發(fā)展可大致分為3個(gè)階段。

圖1 紡織機(jī)器人發(fā)展歷程

早期的紡織機(jī)器人，主要通過(guò)自由度較低的自動(dòng)化裝置結(jié)合傳感器完成一些簡(jiǎn)單重復(fù)而繁重的工作任務(wù)，以降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度并提高生產(chǎn)效率。相關(guān)研究集中于上下料機(jī)器人、物料運(yùn)輸機(jī)器人和一些簡(jiǎn)單的輔助生產(chǎn)動(dòng)作替代機(jī)器人。由于自動(dòng)化裝置功能單一且傳感器位置固定，早期的紡織機(jī)器人并不靈活，智能化水平較低，僅實(shí)現(xiàn)了少量工序間的聯(lián)接和部分工序內(nèi)相對(duì)意義上的連續(xù)生產(chǎn)，且仍需人工值機(jī)。例如環(huán)錠紡紗工藝流程中的粗/細(xì)紗自動(dòng)落紗裝置[4]，通過(guò)電氣檢測(cè)元器件識(shí)別滿(mǎn)管信號(hào)，隨后落紗機(jī)構(gòu)相繼完成導(dǎo)紗葉子板翻轉(zhuǎn)、拔管、插管等動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)落紗。早期的物料運(yùn)輸機(jī)器人，依靠輸送帶或低自由度的工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)紡織生產(chǎn)線物料流、卷裝流的聯(lián)接[5-6]。

隨著自動(dòng)化技術(shù)和傳感器的進(jìn)一步發(fā)展，紡織機(jī)器人靈活性大大增加，可以完成相對(duì)復(fù)雜的工作任務(wù)，進(jìn)一步提高了生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)性并降低了人力需求[7-8]。如斷紗檢測(cè)等生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)機(jī)器人和異纖檢測(cè)等在制品質(zhì)量檢測(cè)機(jī)器人的研究成果逐漸增加，轉(zhuǎn)杯紡自動(dòng)接頭[9]等較為復(fù)雜的輔助生產(chǎn)動(dòng)作替代機(jī)器人也有了突破性進(jìn)展?？椩旃に嚵鞒讨械淖詣?dòng)穿經(jīng)機(jī)器人[10]，可實(shí)現(xiàn)經(jīng)紗在鋼筘、停經(jīng)片、綜絲間的自動(dòng)穿線，且能適應(yīng)多品種紗線。然而當(dāng)時(shí)的人力資源相對(duì)低廉，此類(lèi)自動(dòng)化裝備成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人工成本，紡織機(jī)器人發(fā)展進(jìn)入停滯期。

近十余年來(lái)，人工智能技術(shù)的蓬勃發(fā)展以及人力成本的不斷攀升，為紡織機(jī)器人的發(fā)展注入新的動(dòng)力[11]。工業(yè)相機(jī)等光電式感知設(shè)備逐漸成為主流，機(jī)器視覺(jué)技術(shù)為機(jī)器人提供更加敏銳、直觀的感知能力[12]。剛性機(jī)器人在柔性紗線、面料加工生產(chǎn)動(dòng)作中的困難被克服，柔性的末端執(zhí)行器[13]和機(jī)器人控制技術(shù)研究成為熱點(diǎn)。隨著紡織產(chǎn)業(yè)向全流程自動(dòng)化、智能化目標(biāo)的不斷邁進(jìn)，紡織機(jī)器人的相關(guān)研究更加集中于生產(chǎn)狀況監(jiān)控、非接觸式檢測(cè)以及尚需人工值機(jī)的關(guān)鍵生產(chǎn)工序。例如化纖生產(chǎn)中使用的自動(dòng)鏟板機(jī)器人[14]，通過(guò)彈簧并聯(lián)在減少對(duì)噴絲板損傷的情況下，有效清潔板面。染整工藝涉及大量化學(xué)品，通過(guò)對(duì)溫度[15]、酸堿度[16]等工藝變量的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)原料智能配比與運(yùn)輸。對(duì)于織物色差[17]、手感等受感官因素影響的指標(biāo)，也逐漸發(fā)展出全新的基于類(lèi)腦數(shù)據(jù)智能的評(píng)價(jià)體系。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人力在制造系統(tǒng)中的比重逐步減少，并將積累的經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)萃取、固化在制造系統(tǒng)中[18]。制造系統(tǒng)智能化的演化方向與目標(biāo)，是系統(tǒng)自主根據(jù)輸入和產(chǎn)出條件進(jìn)行制造活動(dòng)，無(wú)需人為干預(yù)。隨著人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、新一代移動(dòng)通信技術(shù)等與制造業(yè)的深度融合，制造系統(tǒng)從自動(dòng)化集成到全連接工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，并不斷向認(rèn)知制造發(fā)展[19]，紡織生產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)也是如此。

2 體系架構(gòu)

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人化紡織生產(chǎn)智能管控系統(tǒng)的體系架構(gòu)如圖2所示。通過(guò)“紡織纖維流-數(shù)據(jù)信息流-決策控制流”三流合一，動(dòng)態(tài)優(yōu)化與調(diào)整機(jī)器人參數(shù)，使制造系統(tǒng)始終保持最優(yōu)穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)紡織全流程高度自動(dòng)化生產(chǎn)和智能協(xié)同管控。

圖2 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人化紡織生產(chǎn)智能管控系統(tǒng)體系架構(gòu)

裝備層：通過(guò)紡織自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備與機(jī)器人的深度融合，補(bǔ)全紡織自動(dòng)化生產(chǎn)斷點(diǎn)，集成各工序信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全流程自動(dòng)化生產(chǎn)作業(yè)與數(shù)據(jù)的泛在感知。其關(guān)鍵技術(shù)在于補(bǔ)全流程斷點(diǎn)的多類(lèi)型紡織機(jī)器人。

數(shù)據(jù)層：根據(jù)紡織裝備層的生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)，建立紡織大數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)和數(shù)字主線，實(shí)現(xiàn)紡織全流程多要素?cái)?shù)據(jù)的集成與存儲(chǔ)運(yùn)算，為大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的紡織生產(chǎn)系統(tǒng)的智能管控提供海量數(shù)據(jù)與運(yùn)算能力支持。其關(guān)鍵技術(shù)在于多鏈融合的紡織全流程數(shù)字主線。

應(yīng)用層：借助大數(shù)據(jù)、人工智能算法對(duì)機(jī)器人化紡織生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)、預(yù)測(cè)、調(diào)控[20-21]，建立 “自感知-自分析-自決策”紡織工業(yè)微服務(wù)組件庫(kù)與應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具。面向紡織設(shè)備管理、產(chǎn)品質(zhì)量控制、工藝執(zhí)行管理、生產(chǎn)物流調(diào)度等業(yè)務(wù)，根據(jù)民生、醫(yī)用、軍工等具體業(yè)務(wù)場(chǎng)景，構(gòu)建監(jiān)控、分析、優(yōu)化等紡織工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)。其關(guān)鍵技術(shù)在于多應(yīng)用協(xié)同的紡織智能管控系統(tǒng)。

3 關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

3.1 補(bǔ)全流程斷點(diǎn)的多類(lèi)型紡織機(jī)器人

紡織生產(chǎn)過(guò)程中，生產(chǎn)設(shè)備按工藝流程完成生產(chǎn)任務(wù)，需根據(jù)生產(chǎn)工藝流程分析全流程中的自動(dòng)化斷點(diǎn)，在原有生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上對(duì)紡織機(jī)器人生產(chǎn)線進(jìn)行配置設(shè)計(jì)。按照結(jié)構(gòu)形式分類(lèi)，主要包括直角坐標(biāo)系機(jī)器人、柱面坐標(biāo)系機(jī)器人、球面坐標(biāo)系機(jī)器人和多關(guān)節(jié)型機(jī)器人4種，需根據(jù)具體紡織作業(yè)場(chǎng)景及任務(wù)動(dòng)作適當(dāng)選擇。因紡織過(guò)程中場(chǎng)景任務(wù)多樣，按照?qǐng)?zhí)行功能劃分更有益于生產(chǎn)應(yīng)用，主要分為物流、服務(wù)作業(yè)、檢測(cè)3類(lèi)機(jī)器人。

3.1.1 物流機(jī)器人

物流機(jī)器人指將生產(chǎn)過(guò)程中的物料、半成品或成品從某一工位或工序移動(dòng)到另一工位或工序的自動(dòng)化裝置[22]，此過(guò)程中物料或產(chǎn)品外觀及內(nèi)在性質(zhì)未發(fā)生改變，因此，需根據(jù)紡織各工序產(chǎn)品的分裝形式，設(shè)計(jì)合適的夾持及移動(dòng)方式，打通紡織全流程物流銜接斷點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)全流程無(wú)人化全自動(dòng)橋接。

1)包/袋裝上下料機(jī)器人：生產(chǎn)中多采用包/袋封裝物料，如棉包、編織袋裝紗線、塑料袋裝面料等。由于其具有質(zhì)量大、可壓縮性、擺放地點(diǎn)次序不確定的特點(diǎn)，常采用抱合式末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，配合無(wú)人駕駛叉車(chē)實(shí)現(xiàn)上下料。例如棉包上料機(jī)器人，根據(jù)數(shù)據(jù)中心的生產(chǎn)訂單計(jì)劃及配棉方案，自動(dòng)導(dǎo)航至原料定置定位區(qū)，按順序自動(dòng)一次性?shī)A取多個(gè)相應(yīng)標(biāo)號(hào)的棉包，按照排包圖的坐標(biāo)放置于往復(fù)相應(yīng)的包臺(tái)上，機(jī)器人排完包后發(fā)出信息，傳輸給抓棉機(jī)開(kāi)車(chē)運(yùn)行。

2)桶/籠裝轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人：為方便儲(chǔ)存、運(yùn)輸和喂入，生產(chǎn)中部分半成品常采用桶裝或籠裝，如生條桶、熟條桶、染色紗籠等。由于其具有圓滑型、需更換空桶/籠的特征，多采用圈套式或吊桿鎖扣式末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，配合視覺(jué)識(shí)別定位，自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車(chē)(AGV)或直角坐標(biāo)系機(jī)器人實(shí)現(xiàn)上下料。例如條桶轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)器人，在梳棉—并條/精梳、并條—粗紗生產(chǎn)流程中，對(duì)滿(mǎn)桶進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，1次夾持多個(gè)條桶，轉(zhuǎn)運(yùn)至下一工序的空缺工位處。如無(wú)空缺工位，則按順序識(shí)別空桶，將滿(mǎn)桶與空桶進(jìn)行更換，在滿(mǎn)桶全部放置完成后，將空桶轉(zhuǎn)運(yùn)至上一工序的等待工位。

3)卷裝輸送機(jī)器人：紡織生產(chǎn)中部分成品或半成品常為卷裝形式，例如筒紗、化纖絲餅、卷裝面料等。由于其具有質(zhì)量相對(duì)輕、柱形外觀、需旋轉(zhuǎn)的特征，多采用夾爪式末端執(zhí)行器[23]，配合柱面或球面坐標(biāo)系機(jī)器人完成輸送。例如筒紗輸送機(jī)器人，在絡(luò)筒完成后，根據(jù)生產(chǎn)參數(shù)定義每臺(tái)筒紗取放機(jī)械手對(duì)應(yīng)的筒紗品種，首先機(jī)械手將筒紗從自動(dòng)絡(luò)筒機(jī)上取下，每個(gè)筒紗抓手配有1個(gè)編碼板，記憶抓手裝載狀態(tài)及筒紗品種，筒紗輸送鏈條輸送至落紗區(qū)，系統(tǒng)讀取抓手編碼信息分品種落紗，落紗平臺(tái)將筒紗按預(yù)定位置及指定數(shù)量有序擺放，以增強(qiáng)多品種處理能力，最大化儲(chǔ)運(yùn)空間。

4)整裝碼/拆垛機(jī)器人：紡織產(chǎn)品整裝碼垛時(shí)多為托盤(pán)式或箱體式，如盤(pán)裝筒紗、箱裝面料、箱裝服裝等。由于其具有質(zhì)量大、規(guī)則方形、擺放位置靈活的特點(diǎn)，多采用固定托舉/吊持式末端執(zhí)行器[24]，配合關(guān)節(jié)機(jī)器人、AGV完成碼垛和拆垛。例如盤(pán)裝筒紗碼垛機(jī)器人，通過(guò)棧存軌道機(jī)械手抓取落紗平臺(tái)上的筒紗，按指定的排列方式分品種堆垛，堆垛完成后呼叫自主巡航AGV將成垛筒紗放置到回潮區(qū)，自然回潮一段時(shí)間后，系統(tǒng)調(diào)度自主巡航AGV將成垛筒紗托起輸送到包裝系統(tǒng)。拆棧喂入機(jī)械手將成垛筒紗拆開(kāi)，逐列將筒紗放置到筒紗包裝輸送線上，進(jìn)入包裝系統(tǒng)中?？筛鶕?jù)要求對(duì)平型筒和錐形筒進(jìn)行多層堆焊，以適用于不同的紗筒規(guī)格。成包的筒紗在抓取線上進(jìn)行定位，碼垛機(jī)械手將筒紗按指定排列碼垛在托盤(pán)上，供棧機(jī)將碼垛好的托盤(pán)輸出，并提供下一個(gè)空托盤(pán)。

3.1.2 服務(wù)作業(yè)機(jī)器人

紡織生產(chǎn)過(guò)程中，生產(chǎn)設(shè)備已能夠高度自動(dòng)化完成主要工藝作業(yè)，但仍有一定的工藝過(guò)程由于動(dòng)作復(fù)雜、靈活性高，需人工作業(yè)完成。服務(wù)作業(yè)機(jī)器人指生產(chǎn)中某一工位上為完成既定工藝過(guò)程，配合主要生產(chǎn)設(shè)備對(duì)在制品進(jìn)行外觀或內(nèi)在性能改變的自動(dòng)化裝置[25]。

1)色織紗自動(dòng)染色機(jī)器人：通過(guò)染色自動(dòng)裝卸紗末端執(zhí)行器對(duì)10層以上、直徑為140～180 mm筒子紗進(jìn)行抓取。在裝紗籠時(shí)先沿圓周方向裝里側(cè)紗桿，逐層向外裝;從紗籠卸紗卷時(shí)，先沿圓周方向卸外側(cè)紗桿，逐層向里裝卸，實(shí)現(xiàn)大范圍高速全自動(dòng)染色。

2)色織紗烘干工藝自適應(yīng)機(jī)器人：在色紗卷裝進(jìn)入烘干工序時(shí)，具有翻轉(zhuǎn)功能、防掉紗的專(zhuān)用夾持末端執(zhí)行器對(duì)色紗卷裝進(jìn)行抓取，識(shí)別產(chǎn)品批次及類(lèi)型，自適應(yīng)匹配烘干工藝流程，規(guī)劃對(duì)應(yīng)烘干路徑，下傳烘干運(yùn)動(dòng)控制命令到機(jī)器人控制程序，機(jī)器人關(guān)節(jié)執(zhí)行命令動(dòng)作，完成一次多個(gè)的大負(fù)載、高效率、不同種類(lèi)色紗的烘干。

3)紗線接頭機(jī)器人：在紡紗、針織等生產(chǎn)過(guò)程中，都存在大量紗線接頭的工作。在環(huán)錠紡紗過(guò)程中，細(xì)紗工序常出現(xiàn)斷紗導(dǎo)致紡紗過(guò)程中斷，需將斷紗牽引接頭以恢復(fù)該錠位正常生產(chǎn)。目前主要有瑞士立達(dá)集團(tuán)和西班牙品特集團(tuán)的Robo Spin機(jī)器人，均為軌道式自動(dòng)接頭機(jī)器人，斷紗識(shí)別系統(tǒng)告知機(jī)器人斷紗錠位坐標(biāo)后，機(jī)器人自動(dòng)行駛至目的坐標(biāo)，并對(duì)機(jī)械手進(jìn)行二次校準(zhǔn)。通過(guò)制停紗、拔紗管、繞紗、放紗管、穿鋼絲圈、喂羅拉一系列動(dòng)作完成斷紗自動(dòng)接頭，但以上技術(shù)看臺(tái)率低，還未在國(guó)內(nèi)實(shí)際應(yīng)用。在緯編針織中，史偉民教授團(tuán)隊(duì)[26]提出的接頭機(jī)器人，在針織紗舊紗筒上的紗線即將紡?fù)陼r(shí)，移動(dòng)至舊紗筒接頭工位，檢測(cè)紗線根數(shù)和紗頭位置，針織紗接頭末端執(zhí)行器預(yù)設(shè)打結(jié)流程執(zhí)行吸取、引紗挑線、打結(jié)等一系列接頭動(dòng)作，模擬針織紗人工打結(jié)的并攏、成圈、成結(jié)、修剪動(dòng)作流程，自動(dòng)捻結(jié)新、舊紗筒上的紗線。

4)噴絲板鏟板機(jī)器人：化纖長(zhǎng)絲生產(chǎn)過(guò)程中，噴絲作業(yè)完成后需要在高溫惡劣環(huán)境下對(duì)噴絲板殘余的物料進(jìn)行鏟除。噴絲板鏟板機(jī)器人通過(guò)定制軌道和導(dǎo)航磁條到達(dá)工作區(qū)域，根據(jù)后臺(tái)控制單元指令完成對(duì)刀，在接觸力優(yōu)化算法下通過(guò)機(jī)器人關(guān)節(jié)控制鏟板末端執(zhí)行器動(dòng)作，完成噴絲板鏟板。

3.1.3 檢測(cè)機(jī)器人

為確保產(chǎn)品質(zhì)量，紡織生產(chǎn)過(guò)程中存在大量的半成品、成品質(zhì)量檢測(cè)工作，依賴(lài)大量人工在車(chē)間巡回檢測(cè)。檢測(cè)機(jī)器人是指對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中或生產(chǎn)完成后的在制品、半成品或成品進(jìn)行感知、分析、評(píng)價(jià)，測(cè)量或判定其質(zhì)量指標(biāo)的自動(dòng)化裝置[27]。

1)筒紗外觀質(zhì)量檢測(cè)機(jī)器人：絡(luò)筒完后的筒子紗經(jīng)過(guò)皮帶輸送裝置進(jìn)入打包工序的途中，光電傳感器捕獲筒紗經(jīng)過(guò)拱形門(mén)檢測(cè)點(diǎn)位，觸發(fā)成像系統(tǒng)拍攝圖像，調(diào)用筒紗缺陷圖像識(shí)別算法，判斷筒紗外觀是否正常或具體缺陷類(lèi)別。通過(guò)筒紗外觀檢測(cè)軟件實(shí)時(shí)查看筒紗外觀各類(lèi)型缺陷統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，輔助決策及時(shí)優(yōu)化調(diào)整原棉或工藝參數(shù)，提升產(chǎn)品質(zhì)量，降低工人用眼的勞動(dòng)強(qiáng)度。

2)顏色空間品質(zhì)檢測(cè)機(jī)器人：在染色烘干的紗線完成堆垛后，顏色空間品質(zhì)檢測(cè)機(jī)器人從下往上逐排逐卷掃描紗線卷裝，機(jī)械臂到達(dá)設(shè)定位置完成視覺(jué)對(duì)焦后，觸發(fā)顏色傳感器拍照成像，調(diào)用紗線顏色品質(zhì)檢測(cè)算法，分析染色烘干的紗線色差，通過(guò)品質(zhì)檢測(cè)軟件系統(tǒng)可視化輸出最終檢測(cè)結(jié)果。

3)面料疵點(diǎn)檢測(cè)機(jī)器人：在面料生產(chǎn)完成后，平鋪于面料傳遞模塊，通過(guò)卷繞機(jī)構(gòu)控制面料運(yùn)行速度，成像模塊高頻拍攝面料圖片，通過(guò)疵點(diǎn)檢測(cè)算法[28]判斷是否存在疵點(diǎn)及疵點(diǎn)的具體類(lèi)型，并在顯示屏上顯示當(dāng)前具體疵點(diǎn)數(shù)量、位置及類(lèi)型，通過(guò)觸打標(biāo)模塊的激光模組照射面料疵點(diǎn)所在位置，引導(dǎo)、輔助工人做下一步修補(bǔ)處理。

3.2 多鏈融合的紡織全流程數(shù)字主線

在紡織機(jī)器人等裝備進(jìn)行生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)，隨著工藝行進(jìn)形成錯(cuò)綜復(fù)雜的數(shù)據(jù)流。記錄、關(guān)聯(lián)和分析紡織生產(chǎn)數(shù)據(jù)流，建立紡織全流程數(shù)字主線，是實(shí)現(xiàn)紡織生產(chǎn)車(chē)間智能運(yùn)行分析與決策的必要基礎(chǔ)。

紡織產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)制造屬于流程-離散制造混合模式，兼具流程制造中工藝過(guò)程連續(xù)不斷和離散制造中多品種的特點(diǎn)[29]，其生產(chǎn)數(shù)據(jù)流呈現(xiàn)串行、并行多鏈混合交織的特征。紡織全流程數(shù)字主線指覆蓋紡織品全生命周期和全價(jià)值鏈的紡織過(guò)程元數(shù)據(jù)[30]，包含企業(yè)內(nèi)部數(shù)字主線與行業(yè)內(nèi)部數(shù)字主線2個(gè)部分。企業(yè)內(nèi)部數(shù)字主線指紡織各細(xì)分行業(yè)中，從下層執(zhí)行到上層資源管理的縱向統(tǒng)一的數(shù)據(jù)描述。行業(yè)內(nèi)部數(shù)字主線指以原料生產(chǎn)為起點(diǎn)，歷經(jīng)紡紗、織布、染色、制衣等子行業(yè)，涵蓋整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的橫向數(shù)據(jù)描述。圖3示出紡織全流程數(shù)字主線?？梢钥闯觯ㄟ^(guò)該數(shù)字主線，紡織全過(guò)程中的數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)追溯與關(guān)聯(lián)，促使行業(yè)內(nèi)部不同企業(yè)之間資源整合，充分發(fā)揮各自專(zhuān)長(zhǎng)，從而在紡織品制造過(guò)程分析與優(yōu)化中實(shí)現(xiàn)更大的價(jià)值，最大化地利用生產(chǎn)資源。

圖3 紡織全流程數(shù)字主線

如在環(huán)錠紡紗中：縱向集成紡紗過(guò)程中生產(chǎn)設(shè)備、作業(yè)信息系統(tǒng)，抽取底層紡紗物流、配棉、工藝、質(zhì)量、設(shè)備、環(huán)境等數(shù)據(jù)信息，形成紡紗大數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)；橫向鏈接紡紗全流程數(shù)據(jù)信息，面向紡紗全生命周期，端到端對(duì)齊采購(gòu)、物流、配棉、排包、清棉、梳棉、精梳、并條、粗紗、細(xì)紗、絡(luò)筒、打包、入庫(kù)等生產(chǎn)鏈中的數(shù)據(jù)信息，以“生產(chǎn)編碼+時(shí)間戳”的數(shù)據(jù)鏈接對(duì)齊方法，實(shí)現(xiàn)一對(duì)一或一對(duì)多集成，建立紡紗全流程數(shù)字主線，從而實(shí)現(xiàn)紡紗全流程數(shù)據(jù)追溯。在集成紡紗全流程數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，集成以統(tǒng)一模型為核心的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造和保障的數(shù)字化數(shù)據(jù)流[31]。根據(jù)不同的紡紗應(yīng)用主題開(kāi)發(fā)智能算法，面向配棉、調(diào)度、工藝優(yōu)化、質(zhì)量管控、設(shè)備運(yùn)維、能耗調(diào)控等主題的紡紗智能應(yīng)用系統(tǒng)提供全面數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)算法。

3.3 多應(yīng)用協(xié)同的紡織生產(chǎn)智能管控

隨著紡織生產(chǎn)管控系統(tǒng)的升級(jí)，紡織車(chē)間控制結(jié)構(gòu)逐漸從傳統(tǒng)的立體多層次結(jié)構(gòu)向扁平互聯(lián)化發(fā)展。圖4示出多應(yīng)用協(xié)同的紡織生產(chǎn)智能管控結(jié)構(gòu)?？梢钥闯?，傳統(tǒng)的紡織車(chē)間控制結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)典型的逐層控制結(jié)構(gòu)[32]，下層的數(shù)據(jù)獲取為上層計(jì)劃決策提供數(shù)據(jù)依據(jù)，再?gòu)纳蠈拥钠髽I(yè)資源管理和車(chē)間管理，到中間的過(guò)程控制和可編程邏輯控制器(PLC)執(zhí)行控制層，再到底層的現(xiàn)場(chǎng)控制層，逐層實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程控制。多應(yīng)用協(xié)同的紡織生產(chǎn)智能管控結(jié)構(gòu)，在紡織全流程數(shù)字主線的基礎(chǔ)上，工業(yè)應(yīng)用軟件(APP)之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化的數(shù)據(jù)交換，各APP之間的互聯(lián)互通與互操作，貫通各生產(chǎn)部門(mén)之間的業(yè)務(wù)鏈接，各APP可在邊緣裝備/機(jī)器人端和軟件系統(tǒng)端同時(shí)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的訂單管理、計(jì)劃排產(chǎn)、工藝執(zhí)行、質(zhì)量控制、設(shè)備運(yùn)維等目標(biāo)，提升紡織生產(chǎn)管控的協(xié)同性。

圖4 多應(yīng)用協(xié)同的紡織生產(chǎn)智能管控結(jié)構(gòu)

針對(duì)紡織產(chǎn)業(yè)多流程并行、上下游企業(yè)間產(chǎn)品關(guān)系緊密的特點(diǎn)，區(qū)別于傳統(tǒng)的企業(yè)資源計(jì)劃(ERP)、制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)等僅在各自的應(yīng)用范圍內(nèi)獨(dú)立工作，多應(yīng)用協(xié)同的紡織生產(chǎn)智能管控不僅在縱向上與企業(yè)內(nèi)部其他APP數(shù)據(jù)互通，且在橫向上與紡織產(chǎn)業(yè)鏈上下游其他企業(yè)的APP建立數(shù)據(jù)聯(lián)系與共享。其具有全局視野，跨越了企業(yè)內(nèi)部的信息孤島及企業(yè)間的數(shù)據(jù)鴻溝，實(shí)現(xiàn)了信息共享與知識(shí)互補(bǔ)，可以快速響應(yīng)供求關(guān)系變化并及時(shí)調(diào)整業(yè)務(wù)，幫助紡織企業(yè)實(shí)現(xiàn)紡織產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率等多方面競(jìng)爭(zhēng)力的躍升。紡織生產(chǎn)智能管控系統(tǒng)[33]中的工業(yè)APP從總體上可分為4類(lèi)：業(yè)務(wù)協(xié)同類(lèi)APP、分析優(yōu)化類(lèi)APP、過(guò)程管控類(lèi)APP、流程執(zhí)行類(lèi)APP。

1)業(yè)務(wù)協(xié)同類(lèi)APP：在相同軟件框架下，紡織企業(yè)內(nèi)各部門(mén)及外部供應(yīng)商等均能實(shí)時(shí)掌握紡織品生產(chǎn)進(jìn)程，參與生產(chǎn)過(guò)程管控，從而構(gòu)建全面參與、內(nèi)外部多方協(xié)同的紡織生產(chǎn)管控體系[34]。從原材料投入、設(shè)備專(zhuān)件、落花、水電氣消耗、用工等實(shí)現(xiàn)在線管控，每日跟蹤數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)有效調(diào)節(jié)，訂單生產(chǎn)完畢就可預(yù)算出生產(chǎn)成本，為銷(xiāo)售人員提供接單依據(jù)。

2)分析優(yōu)化類(lèi)APP：針對(duì)紡織智能生產(chǎn)車(chē)間的具體性能指標(biāo)，如紡織品質(zhì)量品級(jí)、報(bào)廢率等，使用大數(shù)據(jù)技術(shù)分析、診斷紡織生產(chǎn)過(guò)程中存在的問(wèn)題，并對(duì)其中的可控生產(chǎn)要素，如紡織工藝參數(shù)、生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、物流路徑規(guī)劃等提出優(yōu)化措施[35]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)紡織生產(chǎn)系統(tǒng)性能的優(yōu)化。

3)過(guò)程管控類(lèi)APP：面向紡織品全生命周期，全面監(jiān)控在制品位置及狀態(tài)、環(huán)境溫濕度、生產(chǎn)進(jìn)度等主要生產(chǎn)過(guò)程信息[36]，實(shí)時(shí)、直觀地反應(yīng)車(chē)間真實(shí)運(yùn)行狀況，形成全流程可追溯的信息鏈條。通過(guò)車(chē)間落地終端、生產(chǎn)看板、移動(dòng)終端和智能手環(huán)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)質(zhì)量、機(jī)器人等設(shè)備異常預(yù)警，及時(shí)呼叫管理操作人員接收、處置車(chē)間情況。

4)流程執(zhí)行類(lèi)APP：紡織車(chē)間正常運(yùn)行過(guò)程中，按計(jì)劃執(zhí)行一系列生產(chǎn)指令。當(dāng)車(chē)間的生產(chǎn)狀態(tài)或計(jì)劃發(fā)生變化時(shí)，如棉花供應(yīng)不足、防疫保障用品緊急插單等，及時(shí)做出反應(yīng)，精準(zhǔn)執(zhí)行管控決策，對(duì)當(dāng)前生產(chǎn)設(shè)備及物料運(yùn)輸進(jìn)行調(diào)整處理[37]。

4 面臨的挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢(shì)

隨著新一代機(jī)器人、信息技術(shù)與紡織工業(yè)的進(jìn)一步深度融合，機(jī)器人將逐步應(yīng)用到紡織制造、檢測(cè)、物流等全流程、全要素生產(chǎn)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)全面的自動(dòng)化生產(chǎn)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)機(jī)器人化產(chǎn)線的智能管控，實(shí)現(xiàn)紡織多自動(dòng)化生產(chǎn)線的協(xié)調(diào)、可靠運(yùn)行，但紡織行業(yè)細(xì)分領(lǐng)域眾多，且各領(lǐng)域均具有一定的工藝特色，為進(jìn)一步擴(kuò)展機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的高速精密、自主智能控制，并提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，仍存在一些問(wèn)題有待進(jìn)一步研究解決。

4.1 紡織機(jī)器人方面

1)高速實(shí)時(shí)(在線)性：由于紡織生產(chǎn)規(guī)模大、流程長(zhǎng)，纖維直徑細(xì)，生產(chǎn)速度快，當(dāng)前產(chǎn)品質(zhì)量離線事后抽檢的方式，難以滿(mǎn)足高端、個(gè)性化產(chǎn)品需求，亟需向在線檢測(cè)模式轉(zhuǎn)變，但紗線、面料質(zhì)量的在線檢測(cè)中，車(chē)間錠數(shù)多規(guī)模大、運(yùn)行速度快，且存在飛花干擾、車(chē)間光照強(qiáng)度不均等復(fù)雜環(huán)境[38]。需研究適應(yīng)紡織生產(chǎn)環(huán)境的抗干擾感知技術(shù)，引入紡織先驗(yàn)特征的在線檢測(cè)算法，集成光學(xué)感知、機(jī)械傳動(dòng)、電氣控制與計(jì)算機(jī)軟硬件協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)紗線、面料等產(chǎn)品質(zhì)量的高速在線檢測(cè)，驅(qū)動(dòng)紡織生產(chǎn)管理由事后粗放向在線精細(xì)化轉(zhuǎn)變。

2)靈巧精密性：在紡織生產(chǎn)中，存在眾多傳統(tǒng)機(jī)器人無(wú)法抵達(dá)的狹小空間或極端環(huán)境，且大多數(shù)纖維為典型的柔性體，需要機(jī)器人像人類(lèi)手指一樣完成靈巧的動(dòng)作。例如環(huán)錠紡細(xì)紗斷紗接頭，是紡紗工藝重要的運(yùn)維工作，存在紗線細(xì)、強(qiáng)力低、柔性高、接頭空間狹小等特點(diǎn)，目前自動(dòng)接頭技術(shù)還未得到完全突破和應(yīng)用。需要結(jié)合紡織材料特性及工藝特點(diǎn)，研究軟物質(zhì)靈巧紡織作業(yè)機(jī)器人，突破力反饋下的機(jī)器人主動(dòng)柔順控制理論方法，實(shí)現(xiàn)環(huán)錠紡細(xì)紗接頭等高精度、細(xì)微操作在特定場(chǎng)景下的應(yīng)用。

3)自主協(xié)同性：紡織產(chǎn)業(yè)規(guī)模大，生產(chǎn)系統(tǒng)存在多車(chē)間、多產(chǎn)線并行生產(chǎn)，需大量的機(jī)器人集群協(xié)同作業(yè)完成生產(chǎn)任務(wù)[39]，但紡織車(chē)間設(shè)備多，工序長(zhǎng)，為使產(chǎn)量最大化，往往布局十分緊湊，且存在多品種混線生產(chǎn)，任務(wù)量多且復(fù)雜，當(dāng)前方法下機(jī)器人缺乏自主認(rèn)知能力，難以應(yīng)對(duì)實(shí)時(shí)變化的車(chē)間工況。例如紡紗條桶搬運(yùn)機(jī)器人，由于巷道的狹窄、不同型號(hào)條桶的排布、空桶的回收路徑、作業(yè)空間重疊，難以規(guī)劃、協(xié)作，導(dǎo)致機(jī)器人作業(yè)效率不高。需研究機(jī)器人自主認(rèn)知方法，多機(jī)器人集群任務(wù)調(diào)度分配方法，多機(jī)器人集群避障、路徑規(guī)劃等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)紡織生產(chǎn)系統(tǒng)下的多機(jī)器人集群自主、有序、協(xié)同、高效作業(yè)。

4.2 紡織大數(shù)據(jù)方面

1)5G高并發(fā)數(shù)據(jù)傳輸：紡織生產(chǎn)流程長(zhǎng)、規(guī)模大、參數(shù)多，平均每日數(shù)據(jù)吞吐量已達(dá)Tb級(jí)(萬(wàn)億字節(jié))，為全面采集和利用紡織車(chē)間生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)，且滿(mǎn)足高速實(shí)時(shí)性需求，需利用5G技術(shù)搭建車(chē)間網(wǎng)絡(luò)基站，對(duì)高并發(fā)、大體量生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，為紡織車(chē)間多機(jī)協(xié)同實(shí)時(shí)調(diào)度、在線質(zhì)量檢測(cè)、設(shè)備預(yù)測(cè)性運(yùn)維等提供基礎(chǔ)保障。

2)多模態(tài)數(shù)據(jù)融合：紡織細(xì)分行業(yè)眾多，產(chǎn)品形式多樣，生產(chǎn)過(guò)程中存在圖紙、文本、表單、圖像、視頻、三維模型等多種模態(tài)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)；為實(shí)現(xiàn)以上海量數(shù)據(jù)的統(tǒng)一分析，需研究紡織多模態(tài)數(shù)據(jù)的融合方法，對(duì)多模態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)序?qū)R和統(tǒng)一化轉(zhuǎn)換表征，以實(shí)現(xiàn)車(chē)間多要素全流程的快速感知與分析。

3)云邊端一體化數(shù)據(jù)處理：紡織制造過(guò)程節(jié)拍短、節(jié)奏快，對(duì)于數(shù)據(jù)計(jì)算與分析的時(shí)效性要求高，諸如紡紗過(guò)程中的張力優(yōu)化調(diào)控、紡絲過(guò)程中的斷絲檢測(cè)、染色過(guò)程中的溫度控制等優(yōu)化應(yīng)用，對(duì)計(jì)算的時(shí)效性要求達(dá)毫秒級(jí)別。高時(shí)效性應(yīng)用要求在企業(yè)現(xiàn)有云中實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化并實(shí)現(xiàn)指令下發(fā)的方式將難以滿(mǎn)足。云邊端一體化數(shù)據(jù)處理方式，由多終端并行感知、邊緣節(jié)點(diǎn)并行處理、云端同步控制實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)算，在紡織低時(shí)延應(yīng)用中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

4.3 紡織智能應(yīng)用方面

1)可解釋性：區(qū)別于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能應(yīng)用，基于“數(shù)據(jù)-特征”的“黑箱”模式，無(wú)法認(rèn)知系統(tǒng)性能受系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的作用規(guī)律，在復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境下缺乏自適應(yīng)，存在“認(rèn)知缺陷”[40]。新一代紡織智能應(yīng)用，應(yīng)通過(guò)源源不斷的實(shí)際數(shù)據(jù)，借助因果推理等認(rèn)知科學(xué)工具，結(jié)合工藝機(jī)制的語(yǔ)義化表征，構(gòu)建數(shù)據(jù)機(jī)制融合模型，自主認(rèn)知紡織生產(chǎn)系統(tǒng)的性能波動(dòng)規(guī)律。將可解釋的系統(tǒng)模型應(yīng)用于紡織生產(chǎn)環(huán)節(jié)，根據(jù)紡織場(chǎng)景及工況變化靈活切換、調(diào)整生產(chǎn)流程與工藝參數(shù)，提升動(dòng)態(tài)適應(yīng)性。

2)可持續(xù)性：紡織行業(yè)作為典型的能源密集型行業(yè)，隨著“雙碳”目標(biāo)的發(fā)布[41]，新一代數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人化紡織生產(chǎn)智能管控系統(tǒng)，應(yīng)從省原料、提效率、降能耗三大抓手出發(fā)，在應(yīng)用層通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能分析技術(shù)，對(duì)紡織系統(tǒng)中生產(chǎn)設(shè)備、纖維原料、紡織工藝、環(huán)境溫濕度等多要素進(jìn)行協(xié)同智能管控，實(shí)現(xiàn)紡織全要素、全過(guò)程、全價(jià)值鏈全面連接的可持續(xù)制造體系。

3)韌性：在紡織生產(chǎn)系統(tǒng)面臨可預(yù)期或不可預(yù)期之變，如抗疫等生產(chǎn)任務(wù)緊急切換、部分生產(chǎn)單元癱瘓時(shí)，根據(jù)機(jī)器人化紡織制造系統(tǒng)構(gòu)型演化的特點(diǎn)，自動(dòng)挖掘系統(tǒng)狀態(tài)空間的運(yùn)行規(guī)律，分析沖擊傳遞效應(yīng)，預(yù)測(cè)系統(tǒng)韌性定量變化趨勢(shì)，重構(gòu)優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行組件與參數(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人化動(dòng)態(tài)制造系統(tǒng)的自適應(yīng)、自組織、自學(xué)習(xí)。從而不需要大量更換生產(chǎn)設(shè)備，只需通過(guò)智能管控對(duì)紡織生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行修正重構(gòu)即可恢復(fù)生產(chǎn)能力，確保生產(chǎn)活動(dòng)持續(xù)正常運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從紡織工業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)需求出發(fā)，回顧了紡織機(jī)器人生產(chǎn)系統(tǒng)3個(gè)階段的發(fā)展歷程，提出了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人化紡織生產(chǎn)智能管控系統(tǒng)裝備層-數(shù)據(jù)層-應(yīng)用層3層架構(gòu)，探討了其關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用，并從紡織機(jī)器人、紡織大數(shù)據(jù)和紡織智能應(yīng)用3個(gè)方面對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的挑戰(zhàn)和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行總結(jié)和展望。機(jī)器人化紡織生產(chǎn)智能管控是一個(gè)系統(tǒng)工程，在機(jī)器人化改造實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)的采集、處理、利用，從全產(chǎn)業(yè)鏈、全流程、全要素的角度實(shí)現(xiàn)對(duì)資源要素的一體化管控同樣重要。各層次協(xié)同發(fā)展，相互促進(jìn)，是實(shí)現(xiàn)紡織行業(yè)智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)、由大轉(zhuǎn)強(qiáng)的重要途徑。