针对如何有效地同步优化机器人系统布局与轨迹以降低机器人运动能耗,本文以机器人运动学、动力学、参数辨识和轨迹规划作为理论基础提出了一种系统布局与机器人轨迹同步优化的方法。此外,为了简化机器人碰撞判断以及碰撞轨迹二次规划以保证机器人安全运动,提出基于设备包络和投影实现低维碰撞判断及碰撞轨迹重规划,最终实现安全、高效、低能耗的机器人自动化作业。主要研究内容包括以下五个方面:（1）针对准确估计机器人能耗以保证有效进行同步优化的需要,分别基于D-H准则和牛顿-欧拉法建立了KUKA机器人的运动学和迭代动力学模型。通过分析机器人结构特点和回归矩阵,简化了待辨识的动力学参数,降低了辨识的复杂度。通过Lab VIEW软件控制KUKA机器人完成PTP运动,采用卷积滤波和最小二乘法辨识了KUKA机器人的动力学参数,能用于准确估算机器人能耗。此外,提出的基于电机力矩的动力学参数辨识模型,能有效解决因关节力矩无法获取而难以辨识动力学参数的问题。（2）为了解决KUKA机器人在内部控制器完全封闭的情况下,如何基于PTP运动有效地进行轨迹规划的问题,首先确定了KUKA机器人关节PTP运动为梯形速度轨迹,然后验证PTP运动符合基于角度差的梯形速度轨迹多轴同步规划理论,实现了KUKA机器人在内置运动模式的局限下依然能有效地完成轨迹规划,解决了工程性技术问题。（3）相比于传统独立进行布局优化和规划轨迹的研究,提出将设备定位点和机器人姿态表示在机器人齐次变换矩阵中,由此将系统布局与机器人轨迹参数化的表示在统一的框架之下,随后提出将轨迹规划内环与布局优化外环进行级联从而构成布局与轨迹同步优化算法。鉴于布局优化的NP难特性,采用启发式算法用于有效的寻找最优解。（4）为了简化机器人碰撞判断,提出采用圆柱体对设备进行包络,通过机器人关节和圆柱体在竖直方向上的高度和水平方向上的二维投影来判断碰撞,将传统的计算连杆到设备距离的三维问题转换为高度和投影的低维子问题。对应的,根据竖直方向上或水平方向上最大碰撞距离来重新选择轨迹中间点,通过选取该点即可实现无碰撞轨迹的二次规划,可以避免因动态避障而需要的大量计算,提高碰撞判断和解除效率。（5）针对KUKA机器人超声喷丸校形工作站,利用提出的布局与轨迹同步优化方法对系统布局和机器人轨迹进行优化并得到了最优的布局和轨迹,该布局和轨迹下的机器人能满足能耗、节拍和安全等要求,机器人能耗降低了58.8%,且能耗估计准确率高达94.76%,验证了该同步优化方法的有效性。