随着机器人技术的快速发展,重载工业机器人在物流、汽车、航天等领域得到广泛应用,对机器人的运动速度、工作负载和定位精度等提出了更高的要求。本文从重载工业机器人的工作特性出发,设计一种210 kg重载工业机器人平衡系统,并对该平衡系统的相关参数进行优化,降低大臂关节驱动力矩,提升机器人的平衡性能。首先,基于D-H参数法建立机器人的运动学方程,通过MATLAB仿真分析,确定机器人运动空间。同时,基于拉格朗日方程对机器人进行动力学建模,利用ADAMS求解机器人各关节力矩,为平衡系统的设计、优化提供可靠的参考数据。其次,结合对机器人常规的平衡结构研究,设计一种用于重载工业机器人的新型弹簧缸平衡机构。对该机构的平衡力矩、机器人偏重力矩等重要参数进行数学解析,建立平衡系统数学模型,通过MATLAB求解出该弹簧缸输出的最大平衡力为2.2×105N;为提升新型弹簧缸平衡机构性能,基于FMINCON函数对平衡系统数学模型进行优化,最终确定弹簧劲度系数为55N/mm,弹簧缸转轴到大臂转轴的距离为600 mm。利用ADAMS对安装弹簧缸平衡机构的机器人进行仿真,结果表明优化前的平衡系统使得机器人大臂关节驱动力矩平均降低27%,优化后的平衡系统使得大臂驱动力矩平均降低36%,证明了弹簧缸平衡系统设计的正确性和平衡系统优化的有效性。最后,为了提升新型平衡系统的负载能力,基于遗传算法对机器人手臂进行优化设计,确定机器人小臂的直径为Φ129.8mm,长度为1028 mm。利用Hyper Works对机器人大臂拓扑优化,并对机器人进行模态分析。仿真结果表明,优化后的小臂在同等载荷下的形变量降低53%,质量减轻12%,说明基于遗传算法的小臂参数优化的有效性;同样地,优化后的机器人大臂质量减轻12%,大臂最大形变量减少46%,机器人前六阶模态均得到提高,说明机器人大臂的结构优化不仅增加了刚度,还提高了机器人运动的平稳性。本文设计了一种符合要求的新型弹簧缸平衡系统,验证该系统在降低机器人大臂关节驱动力矩中的可行性,为重载工业机器人平衡系统的实验研究提供可靠的理论依据,能有效提升重载工业机器人的负载特性。