1. 研究目的与意义（文献综述）

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。

2. 研究的基本内容与方案

本研究以通过使用合适的优化算法求解工业机器人最优控制参数的轨迹为目标，使用matlab软件进行虚拟仿真。

首先，利用实际测量获取的工业机器人的d-h参数结合机器人工具箱robotic toolbox中内置的功能函数进行运动学建模；其次，利用机器人本身的各臂质量、关节角度、关节角速度、角加速度等参数对其进行动力学建模，获得其运行总能耗的表达式；最后，对其进行正逆运动学求解，但由于机器人各轴的角速度、角加速度的突变不仅会影响实验结果，而且有可能在实际运行时对伺服电机造成严重损坏，所以还需要使用样条函数插值法、抛物线插值法和多项式插值法等关节空间轨迹规划方法在起始点和目标点之间插值，控制其各轴转到目标角度的速度和加速度，保证在满足工业机器人运动学、动力学约束和初始、终止条件下经过各个插值点处的位移、速度、加速度连续且无冲击、轨迹平滑稳定以延长工业机器人的使用寿命、提高实验数据的精度以及在实际运用过程中减少误差，并使用优化算法以能耗为目标函数算出最佳插值间隔使得总能耗最少。

本研究的流程图如下图1所示。 图 1 基于能耗最优轨迹规划的能量有效运行控制研究流程图

3. 研究计划与安排

(1)第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，学习毕业设计研究内容所需理论的基础。确定毕业设计方案，完成开题报告。

(2)第4－5周：了解工业机器人空间位姿的一般描述方法及运动学原理 。

(3)第6－9周：了解工业机器人能耗形成机理，建立工业机器人的d-h模型。

(4)第10－12周：使用matlab编程并使用matlab robotic toolbox工具箱。

4. 参考文献（12篇以上）

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[3] pellicciari m, berselli g, leali f, et al. a method for reducing the energy consumption of pick-and-place industrial robots[j]. mechatronics, 2013, 23(3):326–334.

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