机器人行走机构改进及运行精度探讨

摘要：针对机器人行走机构的防护装置，介绍了一种适用于高速、大行程焊接机器人行走机构的改进结构，大幅降低了防护方面的使用及维护成本。机器人运行精度是焊接机器人机构最重要的性能指标，它直接影响机器人的工作性能。因此，从设备结构变形控制及控制系统程序优化两方面进行分析，通过减小设备结构变形和优化机器人控制系统程序，以达到提高机器人运行精度的效果。

关键词：机器人；行走机构；防护装置；机器人运行精度；机器人控制系统

1序言

机器人的行走机构犹如给机器人装上了灵活的腿，使机器人系统有更多的自由度和更好的可达性，加大了机器人的有效工作范围，方便编程[1]，是完整机器人系统的重要组成部分，被广泛应用于现代工业生产中。其中，导轨是机器人行走机构的关键组成部分，起着稳定支撑和高精度运行的关键作用；导轨的防护装置对导轨的正常及长期稳定运行又起到了不可或缺的重要作用。本文基于高速大行程焊接机器人行走机构的实例展开论述，针对防护装置在高速大行程的焊接环境中易出现故障的现象，通过对机器人行走机构防护装置的结构改进，使上述问题得以解决。机器人运行精度是焊接机器人机构最重要的性能指标，它直接影响机器人的工作性能。从机器人行走机构结构变形控制及机器人控制系统优化方面，来阐述机器人相关结构设计，通过减小结构变形和优化机器人控制系统，来达到减小误差、提高机器人运行精度的效果。

2焊接机器人行走机构结构改进

2.1行走机构普通防护的类型

机器人行走机构导轨防护常用的方式有：①风琴伸缩护罩。主要用来防止灰尘等颗粒物进入导轨滑块，以免滚动体受损和导轨表面损伤，适用于环境良好的防尘场合。②钢板伸缩防护罩。在风琴护罩无法阻挡的高温焊渣、切屑环境下适宜应用此结构，能够防止焊渣和切屑及其他尖锐物进入导轨滑块，多用于中低速运行场合。

2.2行走导轨迷宫式防护装置

上述两种普通防护方式在一般使用环境、中低速情况下比较适用，可对于高速大行程机器人行走机构在焊接等恶劣环境中运行时，则难以适用。目前，防护罩的发展方向是向着高速化、高精度化、复合化、开放化、低噪声、长寿命、节省空间和能源，以及适应环境要求等方向发展。相较于国外的机床导轨防护罩，国内导轨防护罩应用现状是适应性和满足度远达不到市场要求[2]。由于国外的高性能防护罩价格昂贵，加大了使用成本，所以在高速大行程及焊接等恶劣环境中运行时，提出了一种机器人行走防护的改进结构，从而保证在以上特殊环境使用时，顺应防护罩的发展方向，同时大幅降低成本。改进前的行走机构如图1所示。防护装置由传统正装滑板结构带伸缩护罩方式，改进成为迷宫式防护结构（见图2）。经过实际项目设计及现场使用，对于导轨的防护起到了很好的效果，如图3所示。改进后结构使用的U形钢板防护罩，更适用于焊接与切割等具有焊渣飞溅及切割铁屑的恶劣环境，其行走滑板部分与U形防护罩不接触，通过滑块Z形板与滑板连接，形成迷宫式导轨防护结构，能够有效地防止焊接时焊渣和切割铁屑及颗粒物进入导轨滑块，对确保机器人行走机构的稳定运行、降低设备防护及后期维护成本起到了很好的作用，同时对设备组装及维护的方便性也有很大的提升。改进后结构具有如下优点：①解决了风琴伸缩护罩在使用过程中出现异常情况时对机器人行走机构运行的不良影响。②迷宫式防护装置能够适应高速大行程机器人行走机构在焊接等不良环境下，实现稳定运行，提高了机器人系统的生产效率。③降低了设备使用及后期维护成本。

3焊接机器人运行精度分析

运动精度作为关键的性能指标，是工业机器人完成操作任务的重要保证。然而，由于工业机器人结构中制造误差、关节间隙、弹性变形等不确定性因素的影响，末端执行器实际的运动远未达到高精度、高可靠的性能要求。因此，精确地分析和评估工业机器人运动精度的可靠性，是确保其在工作过程中准确、可靠运行的重要保障[3]。本文从机器人系统结构变形控制及机器人控制系统优化两方面来阐述，以达到减小误差、提高机器人运行精度的效果。

3.1滑块Z形板对机器人运行精度的影响

滑块Z形板作为机器人行走机构的关键组成部分，它的强度及变形量对于机器人行走装置的精度有着至关重要的影响，尤其是对于多向行走机构的累计效应更加明显。在实际项目数据测试中，滑块Z形板的设计及加工方式不同，其强度和变形量也会出现很大差异。滑块Z形板的受力分析如图4所示，已知Z形板受力参数F=7000N，L1=77mm，L2=121mm，L3=20mm。采用有限元分析Z形板的挠度及应力值，滑块Z形板的应力分布云图如图5所示。由图5可知，设计结构的应力值符合设计要求，但挠度值为1.27mm（见图6），数值偏大。在单一方向行走机构中可以使用，但在多方向机器人行走机构中变形将出现累加现象，导致机器人运行精度大幅下降，从而影响机器人自动化系统的生产质量和效率。因此，为解决多方向机器人行走机构中变形累加过大的现象，对上述行走机构的关键元件——Z形板进行优化设计，如图7所示。在不改变外形尺寸的前提下，将整体加工件改成组焊件，并通过开坡口减小应力集中的方式，提高疲劳极限，使滑块Z形板焊接件的强度增加，挠度值大幅减小。经试验测试，机器人行走机构Z形板的挠度值为0.2mm。上述机器人行走机构的试验数据表明，对于尺寸相同的整体加工的滑块Z形板和组焊加工的滑块Z形板，二者力学性能有很大不同，组焊加工的滑块Z形板强度及变形量控制明显优于整体加工件。在焊接接头强度匹配方面，实际生产中多按照熔敷金属强度来选择焊接材料，而熔敷金属强度并非是实际的焊缝强度。熔敷金属不等同于焊缝金属，其焊缝金属的强度往往比熔敷金属的强度高出不少。因此，就会出现名义“等强”而实际“超强”的结果[4]。同时采用合适的方法减小焊接残余应力，以提高疲劳强度，使组焊件在获得较高强度的同时，获得较低的变形量。焊接机器人行走机构滑块Z形板组焊件结构的改进，极大地提升了机器人运行精度，为机器人系统的稳定运行提供了有力保证。

3.2控制系统对机器人运行精度的影响

焊接过程的复杂性和不确定性，以及机器人身所具有的非完整约束性，使得经典控制理论难以适用于焊接机器人的视觉跟踪和焊缝跟踪控制，因此滑膜变结构控制理论在此方面广泛应用。当系统状态达到滑模面后，难于严格地沿着滑模面向平衡点滑动，而在滑模面两侧来回穿越，从而产生振颤[5]。因此对于机器人控制系统的振颤问题，在机器人控制系统程序中引入ACCEL补偿，使机器人向平衡点运行过程中，能够平滑过渡。在机器人控制系统程序中引入ACCEL补偿（见图8），能大幅度减轻机器人振颤问题，同时在运用视觉跟踪和焊缝跟踪控制时，起到了更好的促进作用，从而使机器人的外部轴协调及机器人之间的运动协调更加精确，机器人焊接更加稳定，可保证焊接质量，提高生产率。

4结束语

针对焊接机器人行走机构在高速大行程环境中运行时，防护罩易出现故障的现象，采用迷宫式防护结构，在可靠防护设备的同时大幅降低使用及后期维护成本；对于带行走机构的焊接机器人运行精度，从结构变形控制及控制系统优化两方面进行阐述，通过减小设备结构变形和优化机器人控制系统程序，从而提高机器人运行精度。

参考文献：

[1]林尚扬，陈善本，李成桐.焊接机器人及其应用[M].北京：机械工业出版社，2000.

[2]丁强.高速机床导轨防护罩的现状与发展趋势[J].内燃机与配件，2017（21）：53-54.

[3]黄鹏.混合不确定性下工业机器人运动精度可靠性分析与优化设计[D].成都：电子科技大学，2021.

[4]李少华，尹士科，刘奇凡.焊接接头强度匹配和焊缝韧性指标综述[J].焊接，2008（1）：24-27.

[5]王武，赵正印.移动焊接机器人滑膜控制研究[J].机械设计与制造，2010（8）：162-163.

作者：程雷 单位：唐山松下产业机器有限公司