随着我国经济的快速发展、产业转型升级与智能制造的不断推进,我国机器人市场进入高速增长期,连续多年成为全球第一大应用市场。然而机器人本质是能源密集型的,在使用中存在着能量的不合理利用,造成了大量的能源浪费,制约着机器人技术的可持续发展与绿色发展。机器人技术作为智能制造的核心技术之一,必须具有高效、节能的特点,其能耗优化及能量效率研究十分活跃。本文创新性地提出了以人体上肢运动节省能量消耗特点为基础对机器人进行能耗优化的思路,主要针对人体上肢运动轨迹和代谢特点、机器人工作空间与载荷能力关系、能量消耗模型、机器人能耗优化控制策略开展了研究,主要内容如下:首先,为了评估上肢运动过程中的能量消耗特点,简单介绍了上肢结构、运动形式和人体上肢运动规律的表征参数,参考了相关研究成果,引入了上肢简化骨肌模型,和上肢代谢模型,用于上肢运动过程的能量代谢计算与分析,其次分析了上肢在矢状面的载荷能力,为后续研究分析提供基础。然后,对不同受试者的上肢哑铃弯举动作轨迹进行了采集,采用空间向量方法计算了关节角度,对上肢运动轨迹、关节角度和时间进行了归一化处理,并对关节角度进行了拟合,获得了人体运动轨迹的不变特性;基于上肢代谢模型,计算了哑铃弯举过程中各关节的功率与做功情况,从而分析得到了运动过程中上肢的能量消耗特点。基于机器人运动学知识,建立了三自由度机器人的仿真模型,采用蒙特卡洛方法分析了其工作空间;利用机器人逆向动力学,分析了机器人静止状态和运动状态下关节扭矩随关节角度的变化情况;结合伺服电机的电学方程,建立了机器人的能耗模型,并依此建立了机器人能耗功率与工作空间的对应关系。通过关节角度变换、时间缩放及能量流动关系,分析了人体上肢到机器人的运动映射关系,提出相应的降低机器人能量消耗的运动控制策略,并结合遗传算法进行了仿真分析。最后,在搭建的三自由度机器人实验平台上对空载和负载两种情况下的机器人进行了实验,通过数据分析与比较,验证了运动控制策略的有效性。