一种用于精确机器人插入金属阀门组件的分阶段视觉-力协同框架

《Scientific Reports》：A staged vision-force collaborative framework for precision robotic insertion of metallic valve components

　　

摘要

金属阀门组件的精确机器人插入仍然具有挑战性，因为镜面反射、深度损失和部分遮挡会降低孔口附近的视觉定位精度，而接触会进一步降低视觉系统的可靠性。由此产生的残余姿态误差常常导致冲击、侧向载荷、卡住以及插入失败。为了解决这个问题，我们提出了一种分阶段的视觉-力协同框架（SVFC），用于金属阀门组件的精确插入。SVFC的核心思想是将金属插入过程视为一个感知与可靠性交接的过程：首先利用视觉系统将全局姿态误差压缩到一个可以通过力进行修正的局部区域内，然后由力反馈系统接管剩余的中心定位和接触调节任务。该框架将整个过程分为三个连续的阶段：视觉引导的粗略对齐、力引导的残余姿态校正以及在可变参数控制下的柔性插入。在残余姿态校正阶段，夹持器夹持的关节会在视觉定义的局部区域内沿着阿基米德螺旋轨迹运动，中心定位则是根据横向力和扭矩的均方根值来确定的。在插入过程中，会根据接触状态实时调整虚拟刚度和阻尼，以抑制瞬态冲击并减少不同装配条件下的卡住现象。在具有代表性的间隙装配和干涉装配任务中的实验表明，与基线方法相比，所提出的方法提高了插入成功率，缩短了插入时间，并降低了峰值接触力，这表明视觉主导的对齐与力主导的接触调节之间的明确协调对金属插入非常有益。