機器人行走機構的改進及運行精度分析

程雷

唐山松下產業機器有限公司 河北唐山 063000

1 序言

機器人的行走機構猶如給機器人裝上了靈活的腿，使機器人系統有更多的自由度和更好的可達性，加大了機器人的有效工作范圍，方便編程[1]，是完整機器人系統的重要組成部分，被廣泛應用于現代工業生產中。其中，導軌是機器人行走機構的關鍵組成部分，起著穩定支撐和高精度運行的關鍵作用；導軌的防護裝置對導軌的正常及長期穩定運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機器人行走機構的實例展開論述，針對防護裝置在高速大行程的焊接環境中易出現故障的現象，通過對機器人行走機構防護裝置的結構改進，使上述問題得以解決。

機器人運行精度是焊接機器人機構最重要的性能指標，它直接影響機器人的工作性能。從機器人行走機構結構變形控制及機器人控制系統優化方面，來闡述機器人相關結構設計，通過減小結構變形和優化機器人控制系統，來達到減小誤差、提高機器人運行精度的效果。

2 焊接機器人行走機構結構改進

2.1 行走機構普通防護的類型

機器人行走機構導軌防護常用的方式有：①風琴伸縮護罩。主要用來防止灰塵等顆粒物進入導軌滑塊，以免滾動體受損和導軌表面損傷，適用于環境良好的防塵場合。②鋼板伸縮防護罩。在風琴護罩無法阻擋的高溫焊渣、切屑環境下適宜應用此結構，能夠防止焊渣和切屑及其他尖銳物進入導軌滑塊，多用于中低速運行場合。

2.2 行走導軌迷宮式防護裝置

上述兩種普通防護方式在一般使用環境、中低速情況下比較適用，可對于高速大行程機器人行走機構在焊接等惡劣環境中運行時，則難以適用。目前，防護罩的發展方向是向著高速化、高精度化、復合化、開放化、低噪聲、長壽命、節省空間和能源，以及適應環境要求等方向發展。相較于國外的機床導軌防護罩，國內導軌防護罩應用現狀是適應性和滿足度遠達不到市場要求[2]。由于國外的高性能防護罩價格昂貴，加大了使用成本，所以在高速大行程及焊接等惡劣環境中運行時，提出了一種機器人行走防護的改進結構，從而保證在以上特殊環境使用時，順應防護罩的發展方向，同時大幅降低成本。

改進前的行走機構如圖1所示。防護裝置由傳統

圖1 改進前的行走機構

正裝滑板結構帶伸縮護罩方式，改進成為迷宮式防護結構（見圖2）。經過實際項目設計及現場使用，對于導軌的防護起到了很好的效果，如圖3所示。

圖2 改進后的行走機構

圖3 改進后的機器人行走機構實例

改進后結構使用的U形鋼板防護罩，更適用于焊接與切割等具有焊渣飛濺及切割鐵屑的惡劣環境，其行走滑板部分與U形防護罩不接觸，通過滑塊Z形板與滑板連接，形成迷宮式導軌防護結構，能夠有效地防止焊接時焊渣和切割鐵屑及顆粒物進入導軌滑塊，對確保機器人行走機構的穩定運行、降低設備防護及后期維護成本起到了很好的作用，同時對設備組裝及維護的方便性也有很大的提升。

改進后結構具有如下優點：①解決了風琴伸縮護罩在使用過程中出現異常情況時對機器人行走機構運行的不良影響。②迷宮式防護裝置能夠適應高速大行程機器人行走機構在焊接等不良環境下，實現穩定運行，提高了機器人系統的生產效率。③降低了設備使用及后期維護成本。

3 焊接機器人運行精度分析

運動精度作為關鍵的性能指標，是工業機器人完成操作任務的重要保證。然而，由于工業機器人結構中制造誤差、關節間隙、彈性變形等不確定性因素的影響，末端執行器實際的運動遠未達到高精度、高可靠的性能要求。因此，精確地分析和評估工業機器人運動精度的可靠性，是確保其在工作過程中準確、可靠運行的重要保障[3]。本文從機器人系統結構變形控制及機器人控制系統優化兩方面來闡述，以達到減小誤差、提高機器人運行精度的效果。

3.1 滑塊Z形板對機器人運行精度的影響

滑塊Z形板作為機器人行走機構的關鍵組成部分，它的強度及變形量對于機器人行走裝置的精度有著至關重要的影響，尤其是對于多向行走機構的累計效應更加明顯。在實際項目數據測試中，滑塊Z形板的設計及加工方式不同，其強度和變形量也會出現很大差異。

滑塊Z形板的受力分析如圖4所示，已知Z形板受力參數F=7000N，L1=77mm，L2=121mm，L3=20m m。采用有限元分析Z形板的撓度及應力值，滑塊Z形板的應力分布云圖如圖5所示。

圖4 滑塊Z形板的受力分析

由圖5可知，設計結構的應力值符合設計要求，但撓度值為1.27mm（見圖6），數值偏大。在單一方向行走機構中可以使用，但在多方向機器人行走機構中變形將出現累加現象，導致機器人運行精度大幅下降，從而影響機器人自動化系統的生產質量和效率。

圖5 滑塊Z形板的應力分布云圖

圖6 滑塊Z形板的位移撓曲圖

因此，為解決多方向機器人行走機構中變形累加過大的現象，對上述行走機構的關鍵元件——Z形板進行優化設計，如圖7所示。在不改變外形尺寸的前提下，將整體加工件改成組焊件，并通過開坡口減小應力集中的方式，提高疲勞極限，使滑塊Z形板焊接件的強度增加，撓度值大幅減小。經試驗測試，機器人行走機構Z形板的撓度值為0.2mm。

圖7 組焊加工的滑塊Z形板

上述機器人行走機構的試驗數據表明，對于尺寸相同的整體加工的滑塊Z形板和組焊加工的滑塊Z形板，二者力學性能有很大不同，組焊加工的滑塊Z形板強度及變形量控制明顯優于整體加工件。在焊接接頭強度匹配方面，實際生產中多按照熔敷金屬強度來選擇焊接材料，而熔敷金屬強度并非是實際的焊縫強度。熔敷金屬不等同于焊縫金屬，其焊縫金屬的強度往往比熔敷金屬的強度高出不少。因此，就會出現名義“等強”而實際“超強”的結果[4]。同時采用合適的方法減小焊接殘余應力，以提高疲勞強度，使組焊件在獲得較高強度的同時，獲得較低的變形量。

焊接機器人行走機構滑塊Z形板組焊件結構的改進，極大地提升了機器人運行精度，為機器人系統的穩定運行提供了有力保證。

3.2 控制系統對機器人運行精度的影響

焊接過程的復雜性和不確定性，以及機器人本身所具有的非完整約束性，使得經典控制理論難以適用于焊接機器人的視覺跟蹤和焊縫跟蹤控制，因此滑膜變結構控制理論在此方面廣泛應用。當系統狀態達到滑模面后，難于嚴格地沿著滑模面向平衡點滑動，而在滑模面兩側來回穿越，從而產生振顫[5]。

因此對于機器人控制系統的振顫問題，在機器人控制系統程序中引入ACCEL補償，使機器人向平衡點運行過程中，能夠平滑過渡。

在機器人控制系統程序中引入ACCEL補償（見圖8），能大幅度減輕機器人振顫問題，同時在運用視覺跟蹤和焊縫跟蹤控制時，起到了更好的促進作用，從而使機器人的外部軸協調及機器人之間的運動協調更加精確，機器人焊接更加穩定，可保證焊接質量，提高生產率。

圖8 ACCEL補償

4 結束語

針對焊接機器人行走機構在高速大行程環境中運行時，防護罩易出現故障的現象，采用迷宮式防護結構，在可靠防護設備的同時大幅降低使用及后期維護成本；對于帶行走機構的焊接機器人運行精度，從結構變形控制及控制系統優化兩方面進行闡述，通過減小設備結構變形和優化機器人控制系統程序，從而提高機器人運行精度。