重载工业机器人能代替人工在高危恶劣的环境下进行重载作业,具有负载大、工作效率高、稳定性好等优势。针对于广泛应用的重载工业机器人而言,如何保障工作性能是该领域的研究热点之一。本文以提高重载工业机器人的性能为目标,开展重载工业机器人概念设计、运动学与动力学分析、性能指标分析、轨迹规划等方面的研究,论文的主要工作内容与研究成果如下:针对各个工程领域对高性能重载工业机器人的应用需求,考虑机器人本体自重、负载能力、结构刚度和工作空间等设计要求,以结构平衡设计、轻量化设计以及可重构设计为思路,对高性能重载工业机器人进行概念设计,提出一系列重载工业机器人构型方案。以层次分析法为理论基础,从本体自重、负载能力、所占空间、机构刚度、受力性能及工作空间六方面对设计的构型方案进行分析和评价,分析遴选出最优方案连杆-丝杠传动平衡式重载工业机器人作为研究对象。对连杆-丝杠传动平衡式重载工业机器人进行运动学分析,采用D-H法建立机器人结构参数模型,求解机器人运动学正解和反解,分析各关节的角位移、角速度、角加速度和角跃度。采用蒙特卡洛随机采样法分析机器人的工作空间,得到机器人工作空间的立体图。在给定特定的运动轨迹与运动周期条件下对运动学模型进行计算仿真,验证机器人的运动趋势。采用拉格朗日方程法分别对连杆-丝杠传动平衡式重载工业机器人与典型双平行四边形重载工业机器人进行动力学建模,分析机器人各杆件的动能和势能,推导机器人系统刚体动力学方程中惯量矩阵、Coriolis力和离心力矩阵以及重力项矩阵,求解各关节驱动力矩的表达式。给定机器人结构参数对这两种结构机器人动力学进行计算仿真并对比分析仿真结果。从运动学、动力学的角度考虑,提出各关节力矩、条件数、承载能力、功率和能耗等指标对连杆-丝杆传动平衡式重载工业机器人进行性能评估。以重载码垛任务为例对机器人进行基于能耗最优的轨迹规划,以机器人运行过程中消耗的总能量为目标函数,以运行时间、电机转速及电机输出力为约束,同时考虑减少机器人末端残余振动,保证运行结束时机器人末端的加速度为零,运用龙格库塔方法与多重打靶法在全局范围内求取能耗最低的运动轨迹并进行仿真分析。结果表明进行能耗最优轨迹规划后机器人的总能耗明显降低。分别将Solid Works?软件中建立的连杆-丝杠传动平衡式重载工业机器人与双平行四边形重载工业机器人三维模型导入ADAMS?软件中建立其虚拟样机模型,导入测试数据对两种重载工业机器人进行虚拟样机仿真,包括运动学仿真与动力学仿真。仿真结果与理论模型趋势一致,从而验证了理论模型的正确性。