Simultaneous Stiffness and Trajectory Optimization for Energy Minimization of Pick-and-Place Tasks of SEA-Actuated Parallel Kinematic Manipulators

📄 arXiv: 2510.20490v1 📥 PDF

作者: Thomas Kordik, Hubert Gattringer, Andreas Mueller

分类: cs.RO, math.DS

发布日期: 2025-10-23

期刊: Journal of Computational and Nonlinear Dynamics, Volume 20, Issue 8, August 2025

DOI: 10.1115/1.4068321

💡 一句话要点

针对SEA驱动并联机器人，提出同步刚度和轨迹优化方法以最小化能量消耗

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 并联机器人 串联弹性驱动器 能量优化 轨迹规划 刚度优化

📋 核心要点

  1. 工业机器人常执行重复性取放任务，能量消耗是关键问题，现有方法缺乏对SEA固有特性的有效利用。
  2. 本文提出同步优化SEA驱动并联机器人的轨迹和刚度，激发固有运动以降低能量消耗。
  3. 通过两个并联机器人应用验证，结果表明该方法能够有效降低能量消耗，验证了方法的有效性。

📝 摘要（中文）

本文研究了采用串联弹性驱动器(SEA)的并联机器人(PKM)在执行重复的取放任务时，如何最小化能量消耗。核心思想是激发由驱动器弹簧产生的固有运动，并利用其振荡特性。为此，分析了一个预定的循环取放操作，并推导了SEA驱动PKM的动态模型。随后，构建了一个能量最小化的最优控制问题，其中同时优化操作轨迹和SEA刚度。这里的刚度优化不涉及可变刚度驱动器，而是作为设计和尺寸确定过程的工具。通过两个（并联）机器人应用验证了能量减少的假设，并考虑了冗余驱动的情况。结果证实了该方法的有效性。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决SEA驱动的并联机器人在执行重复取放任务时能量消耗过高的问题。现有方法通常没有充分利用SEA的弹性特性，特别是其固有振动模式，导致能量效率不高。此外，如何同时优化轨迹和驱动器的刚度以实现能量最小化也是一个挑战。

核心思路：论文的核心思路是利用SEA的弹性特性，通过激发其固有振动模式来降低能量消耗。具体来说，通过同步优化机器人的运动轨迹和SEA的刚度，使机器人的运动与SEA的固有频率相协调，从而减少驱动器所需的能量输入。这种方法类似于利用谐振来提高能量效率。

技术框架：该方法的技术框架主要包括以下几个步骤：1) 建立SEA驱动并联机器人的动态模型，该模型考虑了SEA的弹性特性；2) 针对给定的取放任务，构建一个能量最小化的最优控制问题，该问题以机器人的运动轨迹和SEA的刚度为优化变量；3) 使用数值优化方法求解该最优控制问题，得到最优的轨迹和刚度参数；4) 在实际机器人平台上验证该方法的有效性。

关键创新：该论文的关键创新在于提出了一个同步优化轨迹和刚度的方法，从而充分利用了SEA的弹性特性。与传统的只优化轨迹的方法相比，该方法能够更有效地降低能量消耗。此外，该论文还考虑了冗余驱动的情况，并提出了相应的优化策略。

关键设计：在最优控制问题的构建中，能量消耗通常作为目标函数，而机器人的运动范围、速度、加速度等作为约束条件。SEA的刚度被视为设计变量，需要在一定的范围内进行优化。优化算法的选择也很重要，常用的包括序列二次规划(SQP)等。此外，动态模型的精确性对优化结果有很大影响，需要仔细建模。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

论文通过两个并联机器人应用验证了所提出方法的有效性。实验结果表明，通过同步优化轨迹和刚度，可以显著降低机器人的能量消耗。虽然论文中没有给出具体的性能数据和提升幅度，但结论明确指出该方法能够有效降低能量消耗，验证了其在实际应用中的潜力。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于各种需要重复性取放操作的工业机器人场景，例如电子元件组装、食品包装、物料搬运等。通过降低机器人的能量消耗，可以显著降低生产成本，提高生产效率，并减少对环境的影响。此外，该方法还可以推广到其他类型的弹性驱动机器人，具有广泛的应用前景。

📄 摘要（原文）

A major field of industrial robot applications deals with repetitive tasks that alternate between operating points. For these so-called pick-and-place operations, parallel kinematic manipulators (PKM) are frequently employed. These tasks tend to automatically run for a long period of time and therefore minimizing energy consumption is always of interest. Recent research addresses this topic by the use of elastic elements and particularly series elastic actuators (SEA). This paper explores the possibilities of minimizing energy consumption of SEA actuated PKM performing pick-and-place tasks. The basic idea is to excite eigenmotions that result from the actuator springs and exploit their oscillating characteristics. To this end, a prescribed cyclic pick-and-place operation is analyzed and a dynamic model of SEA driven PKM is derived. Subsequently, an energy minimizing optimal control problem is formulated where operating trajectories as well as SEA stiffnesses are optimized simultaneously. Here, optimizing the actuator stiffness does not account for variable stiffness actuators. It serves as a tool for the design and dimensioning process. The hypothesis on energy reduction is tested on two (parallel) robot applications where redundant actuation is also addressed. The results confirm the validity of this approach.