工业机器人是智能制造的重要基石和关键支撑装备。随着产品质量和生产效率的提高,对工业机器人的运动平稳性和运动精度提出了更高的要求,针对工业生产对机器人工作性能的需求,掌握机器人动态特性变得非常重要,而轻量化、高速、高精度机器人的出现对机器人刚性提出更高的要求。因此,开展工业机器人动态性能的研究,对掌握机器人的刚度性能,提高整机的力学性能以及结构优化设计具有重大意义。本文以六自由度串联工业机器人为研究对象,采用理论与实验的方法对该机器人的动态特性进行了研究。首先,运用D-H参数法对工业机器人进行运动学建模,推导出机器人的运动学方程,并用MATLAB Robotic Toolbox工具箱进行理论公式的验证。采用线性的Spong模型来模拟关节柔性,采用假设模态法建立连杆柔性模型,基于Kane法建立了考虑关节柔性和大臂连杆柔性的刚柔耦合动力学模型,并在ADAMS中建立虚拟样机模型进行动力学仿真验证。同时,为掌握机器人的刚度特性,本文对机器人的关节传动件进行了刚度折算,进而得到折算后的关节刚度,为验证该分析方法的正确性,设计并进行了关节刚度辨识实验,该研究一方面反映了各传动件对关节柔性的贡献,另一方面为后面的动力学分析和仿真提供刚度参数。其次,为充分了解机器人的动力学特性,将辨识实验得到的关节刚度应用到动力学分析,分析出机器人的姿态变化对固有频率的影响,以此为依据,选出进行模态分析的机器人位姿。借助ANSYS对该工业机器人进行在三种不同位姿下的模态仿真分析,得到其固有频率和模态振型。由于有限元仿真具有一定局限性,需要实验进行实践验证,本文根据理论分析结果确定了模态实验的方案,设计并搭建实验台,采用固定加速传感器移动力锤的方法进行实验测试,借助DASP数据采集和信号处理系统进行数据采集及分析。这里取机器人的九个位姿进行实验测试分析,得出姿态对模态的影响规律。对比仿真和实验模态结果得出位姿对模态的影响规律,确定机器人薄弱环节的位置以及最危险位姿,这对工业机器人避开危险工作姿态、应用过程中避免共振以及结构优化具有指导意义。为全面掌握机器人的动态特性,采集机器人在平扫运动时的加速度信号,对加速度信号做自谱分析,得到机器人在运动状态下的频率成分,并对该频率成分进行分析,得出谐波减速器的激扰频率与机器人的低阶固有频率接近,这是引起机器人低频振动的主要原因。最后,基于动力学分析结果进行大臂结构优化设计。以提高力学性能和轻量化为目的,确定了以大臂第一阶固有频率和质量为优化目标,通过对多个优化变量的灵敏度分析,选定最终优化变量,并以大臂的最大变形量和最大等效应力作为约束条件,建立了多目标优化模型。通过优化,在保证最大变形量和最大等效应力远低于容许限度的前提下,大臂整体质量降低10.87%,大臂第一阶固有频率提高108.8Hz,这说明该优化达到轻量化和提高大臂刚度的要求。