1.1研究目的及意义

随着全球经济的快速发展，能源紧缺趋势愈发明显，劳动力成本直线上升，竞争压力越来越大，对于生产和加工类企业来说，提高生产效率以及降低各个流程的成本使产品更具竞争力的需求是硬性的。装配工业机器人来进行一部分生产和加工环节，不仅可以做到24小时不间断、批量化、高效率的生产，还可以减少一大笔用于支付劳动力报酬的成本。除此之外，工业机器人还具备两大特殊优势，即柔性生产和危险环境生产。因此，几乎所有的自动化生产过程都使用工业机器人作为主要部件来进行工业生产。

然而工业机器人能耗较大，2010到2015年间，机器人年度销售量保持着16%的增长，但与此同时，工业机器人运行所消耗的能量却占整个制造业生产所消耗能量的8%左右。能源是人类生存的保障、社会运转的基础，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不可或缺的作用。因此，实现制造装备的节能降耗、减少生产成本和减少CO₂排放，我们必须要对机器人进行更优化的控制，而工业机器人能量有效运行控制的研究旨在寻求一种使机器人完成任务的同时达到能耗最少目的的控制方法，这正是目前工业机器人产业发展所必须的研究项目。

Matlab具有相当强大的计算能力，求解多自由度的工业机器人的正逆运动学、运动学问题十分方便，且P.I. Corke所编写的robotics toolbox可以根据用户提供的机器人参数建立相应的运动学模型，并且内置了包括运动学正逆结函数和五次多项式曲线函数等对于机器人轨迹规划具有重要意义的函数。利用Matlab仿真进行工业机器人能量有效运行控制研究，不仅顺应了工业机器人减少能耗的迫切需求，而且计算求解最佳轨迹更加灵活方便。

本研究将对使用工业机器人进行的工业生产加工过程做出巨大贡献，不仅契合节能减排的国家目标，贯彻落实科学发展观，而且有效减少了企业生产加工的运行成本，使其在巨大的国际竞争压力中获得更强大的生命力。

1.2 国内外研究现状

工业机器人，按照国际化标准组织ISO的定义，是指工业制造领域中被广泛应用的具有多个自由度的机器人或机械手臂。1962年，美国研制出世界上第一台工业机器人，随后，日本工业机器人产业迅速发展，一跃成为工业机器人的生产、出口和使用方面都位居世界榜首的国家。我国较全球机器人大国起步较晚，而大规模商业化使用只是近些年，但经过“七五”期间国家投入大量资金攻克其相关零部件的制造难题、863计划在工业机器人领域取得了大量研究成果并成功研制出特种机器人，至今，我国已研制出焊接、搬运、切割、喷漆、装配、码垛等用途的工业机器人，某些关键技术已经接近了国际先进水平，并在世界机器人领域有着一定的影响力。

随着工业机器人技术的快速发展，国内外许多学者和专家意识到减少工业机器人能耗的重要性并从多个角度对此做了大量的研究，其中主要实现方法包括工业机器人的能耗最优轨迹规划、运行控制参数优化和调度优化。

在国外，基于能耗最优的机器人轨迹规划最早由Stepanenko^[6]于1970年提出；1986年N.D.McKay^[7]等人提出通过动力学方程和雅克比矩阵对2自由度机器人进行了能量规划，但由于该方法的局限性以及雅克比矩阵的可逆性，该方法不能满足一般机器人的求解要求；Paryanto^[8]等人于2015年对工业机器人降低能耗的问题做了系统性的剖析，从轨迹、操作参数、调度等方面对其做了大量研究，并建立了相应的动力学能耗模型，对比了不同负载、不同运行速度、不同运行路径等单一变量下的总能耗，得出了很有说服力的结论。

在国内，徐海黎^[9]等人将机器人的轨迹视为由机器人关节空间中一系列的关键点构成，于2010年提出一种在关键点两两之间通过三次多项式曲线进行连接最优轨迹规划方法，通过使用加权系数法定义代价函数，同时考虑关节速度、加速度、二次加速度以及力或力矩等约束条件，使机器人运动过程中的总动作时间和消耗能量在某种程度上达到综合最优，仿真结果表明该方法具有更高的搜索效率，能得到性能更良好的解；操鹏飞^[12]等人于2016年在工业机器人腰部、大臂、小臂进行动力学建模基础上，针对机器人的腰关节、肩关节、肘关节等能耗较大关节的驱动电机建立其能耗模型并推导出机器人目标能量函数，根据约束条件提出了机器人能耗最小控制策略。通过测量机器人各个关节不同转动速度时的电机的输入功率，理论能耗与实验的对比，验证了控制策略的有效性。

综上所述，工业机器人能量有效运行控制在国内外都是工业机器人技术领域的重点研究方向，但由于减少机器人能耗的方法多种多样，优化算法也各有千秋，而且各种工业机器人之间的物理结构以及使用目的也存在差异，导致目前并没有通用的、规范的、最佳的的能量有效运行控制方法，因此，该问题亟待更多学者和专家深入研究。