码垛机器人作为一种搬运码垛方式,因其动作灵活,效率高,并可适应搬运任务的变化,被广泛应用于物料的存储、搬运、装卸、运输等物流作业中。在强调节能降耗,绿色制造的当下,人们除了关注码垛机器人的负载能力和工作效率外,生产制造码垛机器人及其服役过程中的能耗指标也逐渐成为人们关注的焦点。本文以MD1200-YJ码垛机器人为研究对象,以低能耗为主要目标,从关节驱动系统最小能耗优化,轨迹优化以及本体结构优化等多角度入手研究码垛机器人的低能耗集成优化问题,具有明显的理论与现实意义。主要的研究内容包括:首先,基于Kane方程法、Stribeck摩擦模型和平衡弹簧缸的结构参数和运动参数建立了该码垛机器人的多因素动力学模型,并结合焦耳定律建立其多关节电机热损耗模型和能耗模型,并通过实验验证模型的正确性。其次,提出一种利用傅里叶级数逼近法构造运动规律,以傅里叶级数各项系数为优化变量,能耗最小为优化目标,轨迹始末点运动参数为约束条件,结合遗传算法求解的傅里叶级数遗传算法直接优化方法。通过仿真和实验结合具体算例,将优化结果与工程上广泛应用的3-4-5次多项式运动规律对比,结果表明该优化方法得到的运动规律能够明显降低关节系统的能耗;针对上述直接优化方法优化结果一致性、规律性较差以及计算量大、计算效率低下而造成实用性不佳的问题,基于遗传思想,提出带有优势继承特性的傅里叶级数保持项数精优化和逐渐增加项数两种改进优化算法。通过针对三种方法优化结果的对比分析,在降低能耗和改善码垛机器人动态性能等方面,两种新的优化算法均具有明显优势,其中由逐渐增加项数优化算法获得的Key=8运动规律的综合性能更优,故将其作为后续研究的基础运动规律。再次,研究了在末端“门”字型轨迹工况下以低能耗为主要目标,兼顾动态性能的轨迹优化问题。在运动规律选择方面,基于3-4-5次多项式运动规律进行操作空间轨迹规划,构造“门”字型轨迹。通过在“门”字型轨迹上选取关键路径点,以Key=8运动规律进行关节空间的轨迹规划,实现末端类“门”字型轨迹。比较这两种轨迹规划方法下机器人的能耗和动态性能,结果表明Key=8运动规律具有明显优势。在运动规律优化方面,基于Key=8运动规律,以轨迹分段运行时间为优化变量,以能耗-跃度最小为优化目标,以总时间不变,伺服电机各额定参数以及始末运动参数为约束条件,对运动规律进行优化。通过比较优化前后机器人的能耗和动态性能指标,表明优化后的Key=8运动规律对于降低机器人能耗,提高动态性能均具有显著效果。最后,开展基于低能耗的码垛机器人本体结构优化研究。通过对码垛机器人末端处在工作空间四个典型位置时的满载静力学分析,初步选出结构优化的目标零件;基于有限元法和优化后Key=8运动规律进行考虑动力学因素的静力学分析、模态分析、频率响应分析等,确定以质量、应力、位移、固有频率等结构响应参数作为优化目标或约束条件;通过Box-Behnken实验设计方法和RSM法构造目标函数的近似模型;为了确定各个优化目标的权重系数,本文引入层次分析法(AHP),并针对传统AHP方法构造比较矩阵时存在主观性较强的问题,提出基于有限元分析的层次分析法(FEA+AHP),进而构建多目标优化模型,运用NSGA-Ⅱ算法进行优化求解,得到优化模型;通过优化前后模型对比分析,验证优化方法的有效性。将上述零件优化前后的质量参数代入多因素动力学模型和能耗模型,分析表明结构优化使关节能耗明显降低;对平衡弹簧缸的弹簧结构参数和安装位置参数进行优化,弹簧缸优化后肩关节机械功比优化前显著降低。