本文介绍了一种降低执行循环任务的工业机器人和电动机构能耗的方法。该系统所需要的能量通过配备额外的设备来减少，这些设备能够存储和恢复能量，即与轴和再生电机驱动器并联的柔性元件。从修正后系统沿预定周期路径运动的机电模型出发，分析了顺应元件的刚度和预紧力与电能的关系。从解析的角度推导了柔性单元的优化条件。结果表明，在这些条件下，柔性元件始终有利于降低能耗。通过对五杆机构和SCARA机器人的测试，验证了该设计方法的有效性。数值验证表明，在执行高速、标准、非优化轨迹时，系统能量消耗可减少到77.8%。

 相关论文以题为“     Minimization of the Energy Consumption in Industrial Robots through Regenerative Drives and Optimally Designed Compliant Elements    ”于北京时间2020年10月24号发表在《     Applied Sciences    》上。

研究发现，可以通过对系统进行物理改造来实现能源效率提升，工业机器人的能源效率可以通过用再生驱动代替其传统驱动来提高。这些装置将系统的制动能量转化为可再生的电能，在需要时返回给系统，而不是将其作为热量散发出去。另一种储存能量并将其传递给系统的方法是为系统提供能量储存装置，如飞轮或弹性元件，如弹簧。

迄今为止，在飞轮的机器人系统中，弹簧的采用最为广泛。它们通常以串行或并行方式安装在机器人的关节处，见图1。串联结构通常要求用柔性执行机构代替刚性执行机构。这种配置通常用于减少由于冲击而产生的力峰值，例如在人机交互中。相反，并联结构不需要替换原来的执行机构，从而使安装更容易、更便宜。

 图1. Scalera等人所示的串联（a）和并联（b）弹簧配置。

在机器人系统中增加弹簧以减少执行机构的作用力，这首先被用于重力平衡。重力平衡的机器人比非平衡的机器人更节能，因为它们不需要执行器的努力来保持平衡在任何配置。

    结论  

研究人员提出了一种使机器人系统执行循环任务的能量消耗最小化的方法。该方法依赖于通过能量回收和能量储存装置(如再生驱动器和顺应元件)对系统进行改造。第一装置允许收集而不是浪费系统制动能量，而第二装置存储潜在的弹性能量。这两种能源然后被转移到系统中，减少了执行器所需的能量。

 为了提高系统的能源效率，必须对柔性元件进行刚度和预紧力的优化设计。为此，研究人员解决了一个有界优化问题。他们确定了最优顺应元件参数，使机器人执行的给定周期路径的电机电能消耗最小化。

 该方法已应用于五杆机构和四自由度SCARA机器人。结果表明，该技术在降低能耗方面具有明显的优势，在标准的、未优化的轨迹下，可降低高达77.8%的能耗。