1.1 研究目的及意义

能源是人类生产、生活的基础，是人类社会赖以生产发展的重要物质，对国家经济的发展、社会的进步和人民生活水平的提高有着重要作用。中国既是能源生产大国又是能源消耗大国。然而近年来，由于工业技术和工业设备的局限性，我国能源发展呈现出利用率低、消耗量大、能源生产速度低于能源消耗速度的特点，由此造成的能源紧缺也严重制约着我国经济的发展。因此，实现制造装备的节能降耗，便成为了人们亟待解决的问题。

工业机器人是集机械、电子控制、计算机、传感器和人工智能等多学科技术于一体的现代制造业自动化装备。工业机器人能够代替人类完成复杂难以完成的工作，其具有工作效率高，稳定可靠、重复精度好、灵活性好等特点。随着对机器人领域研究的深入，计算机科学技术、传感器技术以及人工智能技术等多个领域技术的发展，工业机器人的智能化程度逐渐提高，也进一步提高了工业生产产品的合格率，降低了生产成本，给工业生产带来了极大的便利。但是工业机器人在工作过程中功率配置高，需要消耗大量电能，所以能够在不降低工业机器人的工作效率的条件下降低其工作能耗就变得尤为重要。通过对工业机器人建立能耗模型，分析其能耗数学模型，研究出优化工业机器人能耗的动态方法，从而能有针对的降低能耗，对机器人在工业中的发展具有重大意义。

几乎所有的自动化生产过程都是使用工业机器人作为主要部件来进行工业生产，所以减少能耗就成了发展绿色生产系统的焦点问题，减少能耗也会相应的减少生产成本和CO₂的排放。工业机器人的能耗控制和减少，将会不断改善企业的能源利用率，使工业生产对能源的利用更加合理、科学、智能。本设计研究工业机器人运行控制参数如运行速度、加速度对工业机器人能耗的影响，从而通过优化工业机器人运行控制参数达到降低工业机器人能耗的目的，实现制造装备的节能降耗。

综上所述，从工业机器人节能降耗的角度出发，对工业机器人能耗数学模型进行分析，研究出通过优化工业机器人运行控制参数来实现降低能耗的方法，对能源资源的科学、高效利用，环境的保护以及提高制造性能有着重大的意义。

1.2 国内外研究现状

所谓的工业机器人装备运行控制动态优化方法研究就是指通过优化工业机器人运行控制参数达到降低工业机器人能耗的目的，实现制造装备的节能降耗，也就是机器人能耗问题。针对这一问题，国内外许多学者、专家从多个方向对如何降低机器人能耗做了大量的研究。其中主要是针对机器人步态和轨迹规划等方面展开的，而机器人的轨迹规划是在路径规划基础上对机器人任务执行的速度和加速度进行规划，以满足光滑性以及速度可控性等要求。

在国外，基于能耗问题的机器人轨迹规划最早是Stepanenko在1970年提出的。文献[1]等人分析了两种工业机器人的能耗，并得出低速运动的工业机器人并不是能量最有效的，低速运动状态比高速运动状态会消耗更多的能量。文献[6-8]是基于轨迹优化策略的时间优化算法，目的是为了最大化操作速度从而最小化机器人的总的动作时间。同时在优化过程中，必须考虑速度、加速度等参数的影响，这些研究工作可以见文献[9-11]，但是这些文献采用的寻优算法结构过于简单，故所得的效果并不是很理想，不能够适应多变的场合。

在国内，文献[12]利用五次B样条曲线对工业机器人进行轨迹规划，并利用改进的遗传算法求出能耗最优轨迹，其进一步对机器人进行动力学建模，考虑对各个伺服电机的能耗分析，求解出最优能耗和最优控制速度。文献[13]针对机器人的光滑姿态插补算法以及时间近似最优光滑轨迹优化算法进行研究，对基于单位四元数的姿态插补算法进行了深入研究。文献[14]对工业机器人的最优时间与最优能量轨迹规划做了一定研究。