基于单自由度Bennett机构的机器人拾放过程能耗优化研究

《IEEE Access》：Reducing Energy Consumption in Robotic Processes Using a Single-DOF Bennett Mechanism

为解决工业机器人拾放操作中能耗过高的问题，研究人员开展了基于单自由度(1-DOF) Bennett机构的能耗优化研究。通过仿真与实验对比，该机构在相同任务下相比商用UR3e协作机器人能耗降低高达92%。该研究证实了闭环机构在简单重复任务中的高能效潜力，为未来工业机器人低冗余设计提供了新思路。

　　

在工业自动化领域，机器人正扮演着越来越重要的角色，尤其是在拾放(Pick-and-place)这类简单重复的任务中。然而，一个不容忽视的问题是，目前广泛使用的工业机器人，如多关节串联机械臂，虽然功能强大、通用性强，但其能耗也相当可观。这些机器人通常拥有多个自由度(DOF)，每个关节都需要一个独立的电机驱动，这不仅增加了系统的复杂性和成本，也带来了巨大的能量消耗。在追求绿色制造和可持续发展的今天，如何降低工业机器人的能耗，成为了一个亟待解决的关键问题。

那么，有没有一种更简单、更节能的解决方案呢？答案是肯定的。研究人员将目光投向了闭环机构(Closed-loop mechanisms)。与传统的串联机械臂不同，闭环机构通过连杆和关节构成一个封闭的环，其运动由几何结构本身决定。其中，Bennett机构(Bennett mechanism)是一种非常特殊的空间四杆机构，它虽然只有一个自由度(1-DOF)，仅需一个电机驱动，却能产生复杂的三维空间运动。这种“四两拨千斤”的特性，使其在理论上具有极高的能量效率。

为了验证这一理论，来自捷克俄斯特拉发技术大学(VSB-Technical University of Ostrava)等机构的研究团队开展了一项开创性的研究。他们设计并制造了一台基于Bennett机构的机电一体化原型机，并将其与市场上广泛使用的UR3e协作机器人进行了“正面较量”。研究的目标非常明确：在完成完全相同的拾放任务时，Bennett机构究竟能比UR3e机器人节省多少能量？

这项研究的意义在于，它首次通过实验对比，量化了单自由度闭环机构在工业应用中的节能潜力。研究结果不仅为工业自动化提供了一种高能效的替代方案，也揭示了未来机器人设计的一个重要方向：对于特定的、重复性的任务，采用低冗余度的专用机构，可能比使用通用型机器人更加经济、环保。

该论文已发表在《IEEE Access》期刊上。

关键技术方法

研究人员采用了仿真与实验相结合的研究方法。首先，他们利用Rational Linkages框架，通过SE(3)空间中的有理曲线插值，合成了Bennett机构的运动轨迹，并推导出其Denavit-Hartenberg(DH)参数。随后，在Creo Parametric软件中建立了Bennett机构的简化模型，并在URSim软件中对UR3e机器人进行了仿真，以初步评估能耗。在实验验证阶段，研究人员制造了Bennett机构的机电一体化原型机，并利用UR3e机器人作为对比基准。通过内置电流传感器和Real-Time Data Exchange(RTDE)接口，分别采集了两种系统在不同负载和轨迹方向下的能耗数据，并进行了详细的对比分析。

研究结果

II. 能耗初步仿真

在实验测量开始前，研究人员首先进行了能耗的初步仿真。他们选取了三种不同的拾放任务轨迹，分别代表了工业中常见的应用场景。对于每种任务，UR3e机器人执行了两种运动：一种是原始的工业轨迹，另一种是经过插值、与Bennett机构运动轨迹相同的曲线。Bennett机构则只执行插值后的轨迹。

仿真结果显示，Bennett机构在三种任务下的能耗均远低于UR3e机器人。具体而言，Bennett机构的能耗在47.89 J到106.3 J之间，而UR3e机器人的能耗则在611.1 J到1673 J之间。平均而言，Bennett机构的能耗比UR3e机器人降低了约90%。这一结果初步证实了Bennett机构在能耗方面的巨大优势。

III. 实验装置

为了进行实验验证，研究人员设计并制造了一台Bennett机构的机电一体化原型机。该原型机由四个旋转关节和四个刚性连杆组成，仅由一个Dynamixel XH540-V270-R伺服电机驱动。作为对比，他们使用了商用UR3e协作机器人。UR3e是一款6自由度的通用串联机械臂，代表了当前工业中广泛使用的技术方案。

IV. 测量方法

实验测量主要比较了两种系统在执行相同拾放任务时的能耗。为了确保公平对比，研究人员从总能耗中减去了系统空载时的能耗，从而只计算用于移动有效负载的“净能耗”。此外，研究还考察了轨迹方向(O₁, O₂, O₃)和负载质量(0 kg, 1.0 kg, 1.5 kg, 2.0 kg, 2.5 kg)对能耗的影响。

V. 结果与计算

能耗对比

实验结果表明，Bennett机构在能耗方面具有压倒性优势。在负载2.5 kg、方向O₁的情况下，Bennett机构完成一个循环的净能耗仅为84.5 J，而UR3e机器人执行相同轨迹的净能耗高达1273 J。这意味着Bennett机构的能耗降低了约93%。即使UR3e机器人执行理论上最短的直线轨迹，其能耗(622.8 J)也远高于Bennett机构。

轨迹方向的影响

研究还发现，轨迹方向对Bennett机构的能耗有显著影响。在水平方向(O₂)时，Bennett机构的能耗最低；而在垂直方向(O₃)时，能耗最高。这主要是因为重力在不同方向下对机构运动的影响不同。相比之下，UR3e机器人的能耗受方向变化的影响较小，表现出更稳定的特性。

机械效率分析

通过对比仿真和实验数据，研究人员估算出该Bennett机构原型机的机械效率约为57%。他们认为，效率不高的主要原因是原型机采用了PETG材料3D打印的连杆，其刚度有限，在负载下产生了变形，从而增加了摩擦损耗。如果使用金属材料，机械效率有望进一步提高。

结论与讨论

本研究通过仿真和实验，系统地比较了单自由度Bennett机构与商用UR3e协作机器人在拾放任务中的能耗表现。研究结论明确：Bennett机构在完成相同任务时，能耗比UR3e机器人降低了高达92%。这一巨大的节能优势主要源于Bennett机构的结构特点：它仅需一个驱动器，且其闭环结构能够被动地传递重力和惯性载荷，从而显著降低了驱动电机所需的扭矩。

然而，研究人员也指出了Bennett机构的局限性。作为一种专用设备，它只能执行预设的单一轨迹，缺乏通用性。其工作空间和运动灵活性受到几何结构的严格限制。此外，实际应用中还面临制造精度要求高、校准复杂以及对变负载适应性差等挑战。

尽管如此，这项研究的意义重大。它首次通过实验数据证实了闭环机构在特定工业应用中的高能效潜力。这为未来工业机器人的设计提供了新的思路：对于大量存在的简单、重复性任务，采用低冗余度、高能效的专用机构，可能比使用通用型机器人更具优势。这不仅有助于降低生产成本，更能为工业制造的绿色转型做出贡献。

未来，研究人员计划进一步优化Bennett机构的结构刚度，改进控制算法，并探索具有更高自由度的闭环机构，以扩大其应用范围，为工业自动化提供更多高效、节能的解决方案。