特约论文：移动机械臂牵引卷装纱线的动态建模与控制
一、封面设计说明
封面主图展示的是现代化纺织车间中移动机械臂对整经纱架上卷装线头的牵引操纵过程，展现了机器人技术与纺织工艺的深度融合。图中背景以蓝色基调渲染出现代纺织数字化智能工厂整经车间的科技感，象征着在机器人与其它技术的协同推动下，纺织工厂正在向全流程智能化发展。图中的光影代表机器人对纱线柔顺操纵的灵活运动路径，象征着机器人面对纱线细、柔性高，运动空间狭小场景下的高精度灵巧控制技术得到突破和应用，为填补整经生产线的自动化断点提供了可能。同时，也象征着纺织产业在智能化转型升级道路中焕发出蓬勃生命力。
二、主要内容介绍
随着机器人技术与纺织工业智能化的不断发展，利用工业机器人替代人工完成各类纺织加工技能作业已成为纺织行业的新趋势，例如各类纺织加工过程中固定点位间物料的转运或对刚性体的抓取、牵引等。然而将刚性的工业机器人适应于纺织柔性体加工制造，完成技能性更强的拟人化作业仍存在挑战，这也是补全纺织自动化生产断点的关键。卷装纱线作为织材投入整经加工前，从大量的卷装表面理出线头并牵引至机头是一项技能性要求极高的工作，目前纺织工厂均用人工操作完成，操作过程繁琐费时，人工成本高，生产效率低，且操作工人直接接触导致卷装被污染的风险加大。
针对在复杂的纺织加工环境下，机器人对柔性纱线直接操纵存在的纱线形态感知困难与空间局限性，东华大学孙以泽院士团队以移动机械臂对整经纱架上卷装线头的牵引操纵为例，提出一种集成机器人避障运动规划策略的卷装纱线牵引操纵控制框架。构建了卷装纱线系统的动力学模型，解析了机器人与纱线间的运动耦合关系和机器人牵引纱线的运动控制方程，提出了基于纱线轴向应变约束的改进自适应引导快速扩散随机树算法，保障机器人避障运动的同时防止纱线被过度拉伸。通过数值仿真验证了该控制框架的有效性，实现了机械臂对卷装纱线从起点到目标点的无碰撞柔顺牵引操纵。该工作为机器人直接操纵线性柔性体的理论技术提供支撑，以期促进机器人技术与纺织柔性体加工的深度融合。
图1 移动机械臂对卷装纱线的牵引操纵控制框架
图2 机器人对纱线柔顺牵引避障运动的数值模拟
三、研究团队介绍
在国家重点研发计划、国家自然科学基金委重点项目、工信部智能制造新模式应用项目、国家发改委重大技术装备攻关工程项目等项目的持续支持下，东华大学孙以泽院士及其团队长期致力于高端纺织装备技术与系统（复合材料预成型体编织装备、特种编织物编织装备、数字化地毯织机、双针床贾卡经编机）、机电系统设计与控制（增材印花装备与系统、技能作业机器人、多机器人协同控制、机器视觉及应用）、织物成形理论与过程优化的研究，研制成功碳纤维复合材料三维编织系列装备以及机织、针织系列成套装备并大规模产业化，建立了高端织造装备的技术创新体系，实现了高端织造装备自主可控。研究成果已成功应用于大飞机、高铁、无人机、太阳能光伏热场等国防军工和重要民生领域。
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