Page 134 - 工业机器人控制技术研究

R 工业机器人控制技术研究
esearch on Control Technology of Industrial Robot

（一）硬件代替
低能耗设计的首要方法是采用新型材料、创新型结构和优化设计参数的轻
量化设计方法，减轻机器人运动部分的重量和惯性，降低机器人关节驱动扭矩，

进而降低能量消耗。Hirzinger 等采用超轻碳纤维增强聚合物和专用高能电机等
制作了面向人机协作的机械臂，大幅度降低了运动质量和能量消耗，但其成本较
高且不适用于工业应用场合。Yin 等研究了串联机械臂的最佳结构设计参数，采
用协同仿真和复合算法对五自由度机械臂进行结构优化，使机械臂的质量降低

15.7%。该研究改进了机器人轻量化结构设计方法，但选取的设计参数不够全面，
缺乏一般性。丁渊明等在满足通用设计要求的基础上，考虑了动力学性能，以工
作空间和特定区域的能耗为性能指标，采用遗传算法对机器人结构设计参数进行
综合优化，结果显示在选定区域机器人能耗较优化前降低了 47.6%。陈琦等研究

了三自由度机械臂臂长与能耗的关系，得出能耗随臂长增加而增长，但增长速度
会逐渐放缓的结论，为机器人臂长设计提供参考。陈珂等考虑了连杆质量、运动
平台质量及初始追踪误差的大小，采用粒子群算法对 3-RRR 平面并联机器人进
行优化，确定了不同工作模式下的最优配置，使执行器能耗最低，为平面并联机

器人设计提供参考。有关研究通过优化设计出特殊的集成轻量组件，并采用特殊
的差动旋转关节进行连接，从而实现机械臂的轻量化，为机器人设计提供新思路，
但其并非面向工业应用。
另外，实现机器人运动部分质量减轻的重要原则是使驱动元件尽可能地靠近

基座。Aziz 等搭建了三自由度平面机器人，其电机固定在底座上，通过同步轮和
同步带传递运动，与常规平面机器人相比有效地降低了最大转矩。相关研究中的
机械臂采用了一种轻量的张力放大机构：电机固定在基座上，通过拉动连接在放
大机构上的两根绳索使关节在相反的方向上移动，减轻了臂的重量，同时增加了

关节刚度。Yahya 等将三个电机安装在基座附近，通过轴和齿轮进行传动，从而
巧妙地实现对任意自由度的控制，减少了电机数量和能量消耗。
驱动系统的能量效率的提高一直是科学研究的热点。Saidur 总结了关于电机
能耗的研究成果，讨论了高效电机的设计策略，如增加线圈横截面积，降低磁芯

损耗等，为提高电机能源效率提供了设计依据。Izumi 和 Roos 等提出了齿轮传动
的效率优化设计，研究了考虑库仑摩擦力和黏性摩擦力的最佳齿轮传动比，采用
最小化方法优化以减速比表示的能耗，与优化前相比其大大减少了能量耗散。房

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