在机器人本体中添加重力平衡机构能够有效地减少关节电机的负载,提升机器人系统性能。本文以串联机器人为研究对象,依据被动重力平衡原理提出串联机器人纯弹簧机构重力平衡方法,采用理论推导与实验验证的方法分别对机器人重力平衡设计方法、重力平衡系统性能以及重力平衡控制方案进行探讨。首先,利用能量法对单自由度杆件重力平衡进行分析,结果表明零初长型弹簧能够实现杆件完全重力平衡。通过拉格朗日方程分析传统重力平衡串联机器人和未平衡串联机器人动力学方程差异,可知添加弹簧能够改善机器人动力学性能。改变弹簧刚度、安装位置及角度中的任意参数均能调整机器人重力平衡效果。利用能量守恒原理推导出刚度矩阵形式的弹性势能和重力势能,并分析弹性刚度矩阵分量矩阵中元素符号和数值分布特性,以此为基础总结出实现机器人重力平衡弹簧安装的四个必要条件。然后,对影响机器人重力平衡的因素进行理论分析,结果表明弹簧安装方式对重力平衡效果影响显著。根据重力平衡控制系统特点,采用PID控制方案建立了直流伺服电机的控制系统数学模型,并利用该模型在MATLAB/Simulink中进行了仿真,仿真结果表明重力平衡明显提升了控制系统动态性能。设计了等比例缩小双关节机器人虚拟样机,并在ADAMS中对机器人在不同末端负载情况下进行了多组动力学仿真,仿真结果与本文基于刚度矩阵所建立的重力平衡理论结果吻合。最后,以双关节机器人虚拟样机为基础搭建了双关节机器人重力平衡实验平台,用LABVIEW设计了实验平台上位机,并对双关节伺服电机进行了调试。进行多组机器人运动实验,实验结果表明重力平衡机器人动态性能更好,重力平衡机器人电机转矩及能耗远小于未平衡机器人。结合传统PID与改进型干扰观测器完成了改进的重力平衡控制方案。