关键词:
工业机器人装配
非刚体轴孔装配
强化学习
遗传算法
接触力模型
摘要:
在工业自动化领域,机器人执行非刚体轴孔装配任务时常面临材料非线性形变、动态接触力耦合以及环境适应能力不足等问题。传统刚性物体装配策略难以有效处理非刚体材料的复杂变形行为,而单一控制方案在融合动态接触感知与视觉信息时,往往存在控制精度不足的问题。针对这些技术挑战,本研究提出基于多模态信息融合的柔性轴孔装配方法,通过集成视觉感知与力控技术,并引入强化学习算法,显著提升了装配系统的智能化程度与环境适应能力。具体研究内容如下:
(1)提出了基于动态罚函数遗传算法的非刚体轴接触力建模与偏角消除方法。首先,基于悬臂梁形变理论构建非刚体轴力矩平衡方程,建立包含弹性模量、摩擦力的接触力模型;其次,设计动态罚函数遗传算法,通过自适应调整罚因子权重,平衡模型求解的全局收敛性与计算效率,解决了传统刚体模型忽略材料形变的局限性。该方法通过遗传算法的交叉、变异操作实现了参数空间高效搜索,结合ROS平台实时通信架构,完成机器人末端位姿的动态修正。
(2)提出了基于力信息的分阶段柔顺控制策略,将装配过程划分为对齐、初始插入与调整插入三阶段。在对齐阶段,基于六维力传感器反馈,采用接触力模型预测初始偏角,通过UR5机器人位姿闭环控制消除轴线偏差,确保轴孔平行度误差小于0.5°;在初始插入阶段,设计了力控单元与轴孔插入SAC(Soft Actor-Critic)联合控制模块,构建了以接触力、目标孔坐标及机器人位姿为状态量的六维输入空间,输出X-Y平面动作偏置,结合最大熵强化学习策略提升探索效率;在调整插入阶段使用参数优化SAC算法,通过分层奖励函数动态优化变阻抗控制器阻尼参数,实现非刚体轴柔顺插入的力-位姿解耦控制。
(3)提出了基于视觉与力信息融合的大变形非刚体轴孔装配方法,该方法利用YOLO-World开放词汇检测模型与SAM-Track分割跟踪技术,实现非刚体轴末端姿态实时检测与孔中心三维定位;结合分层强化学习(Hierarchical Reinforcement Learning,HRL)将插入任务分解为浅插入与深插入两阶段,通过独立SAC网络优化阻抗参数,实现非刚体轴孔柔顺装配。首先,利用YOLO-World模型实现目标孔的开放词汇检测与三维定位,无需进行手动数据集标注,显著提升了孔中心识别的泛化能力与抗干扰性;其次,通过SAM-Track框架对非刚体轴进行像素级分割与连续跟踪,通过数据处理实时拟合中心线并计算末端姿态偏差与曲率,为控制策略提供高精度形变反馈。在此基础上,本文提出了分层强化学习架构,将非刚体轴孔装配过程分解为浅插入与深插入两阶段,并分别设计独立的强化学习代理用于优化阻抗参数,在浅插入阶段侧重于快速对准与初始推进,在深插入阶段则抑制侧弯与摩擦扰动,并通过多模态状态空间融合视觉、力觉与位姿信息,实现动态力-位姿协同控制,完成非刚体轴孔柔顺装配。
本文通过动态罚函数遗传算法优化非刚体轴接触力模型、分阶段柔顺控制以及视觉-力觉融合的分层强化学习,构建了非刚体轴孔智能装配理论框架,为复杂非刚体轴孔装配任务提供了高精度、高鲁棒性的解决方案,对推动工业机器人智能制造的发展具有重要意义。