Page 135 - 工业机器人控制技术研究

第四章 工业机器人的性能优化

立金等以平行四边形对角线形式布局机器臂电动缸，在提升其负载能力的同时有
效降低驱动功率及能耗。尹振娟等研究了非线性摩擦和电流热效应等因素对驱动
系统能耗的影响，计算出负载下最小能耗的角速度与电流的函数关系，获得了关

节驱动系统低速运行情况下的能耗最优解，但未考虑高速运行及变负载情况。
（二）硬件增添
能量存储装置是指能够回收和储存能量并在需要时释放能量的部件。根据相
关研究，动能回收系统（Kinetic Energy Recovery Systems，KERS）可以被分为：

机械式（飞轮、弹簧等）、电学式（化学电池、电容等）、气、液压式（气、液
式蓄能器）、混合式（装有发电机的液压马达）。
就电压稳定性、工作温度范围、效率和成本等因素综合考虑，飞轮是最好的
KERS 系统。

Gale 等对 ABB 机器人进行了多种典型动作的模拟和数据采集，论证了飞轮
能量回收装置的可行性，结果显示其与机器人控制硬件完全兼容，并且能够降低
机器人能耗。Wang 等利用液压马达与发电机组成能量再生装置，同时利用发电
机的电磁转矩进行压力补偿，实现了能量再生和压力补偿功能，在挖掘机平台上

显示该系统具有控制性能和节能效果。Luo 等提出了一种气—电混合式能量存储
装置，其从气动执行器出口回收排气，并通过涡旋式气动马达发电，同时为了维
持现有的运行效果，采用闭环控制策略，从而提高了系统能效。Wang 等将气动
执行器排放到大气中的压缩空气存储到蓄能器中，根据气体定律，分析了残余压

力、可恢复能量和参数效应，仿真结果表明，当蓄能器容积是执行器容积的 3 倍
时，能耗可降低约 20%。动能回收装置的研究大都与机器人关联性不强，但仍有
部分大型工业机器人具有弹性储能元件，同时气、液式能量存储装置可以应用于
机器人末端工具上，从而节省能量消耗。

在总线上共享制动能量来驱动其他非制动执行器是能量共享装置的工作原
理。Meike 等分析了 EnergyTeam 方案，如单电容缓冲器方案和分散式整流模块
方案，通过对 KR200 典型焊接工作仿真和比较，指出 EnergyTeam 是具有发展
前景的降低多机器人系统能耗的解决方案，但需要对现有硬件进行较大修改。

Meike 等提出了一种新型直流总线共享功率变换器和模块化电源接口，省略了制
动斩波器，减小了电能存储单元体积，并且该方案不需要驱动系统精确同步，双
机器人系统实验显示其节能效果超过 20%。Rankis 和 Meike 等在上述研究的基

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