基于贝叶斯优化时间卷积网络的工业机器人能耗预测

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2026.04.007

摘要/Abstract

摘要：

为了实现在线、高效的工业机器人能耗预测，提出了一种基于贝叶斯优化时间卷积网络（TCN）的方法，通过TCN建立了运动学参数与机器人能耗之间的非线性映射关系，有效地捕捉了能耗预测数据的时序特征，通过贝叶斯方法对模型中的超参数进行寻优，提高了能耗预测模型的精度。IRB 1600-10/145工业机器人消融实验和对比实验结果表明，所提出的方法在无负载和1.5 kg负载下机器人平均总能耗相对误差分别为1.04%和1.78%，优于目前常用的其他能耗预测模型。

关键词: 工业机器人, 时间卷积网络, 超参数优化, 贝叶斯方法, 能耗预测

Abstract:

To achieve online and efficient prediction of industrial robot energy consumptions， a method was proposed based on Bayesian-optimized TCN. Specifically， TCN was utilized to establish a nonlinear mapping relationship between kinematic parameters and robot energy consumption， which effectively captured the temporal characteristics of energy consumption prediction data. Meanwhile， the Bayesian method was adopted to optimize the hyperparameters in the model， thereby improving the accuracy of the energy consumption prediction model. Ablation experiments and comparative experiments on the IRB 1600-10/145 industrial robots show that， under no-load and 1.5 kg load conditions， the average relative errors of the total energy consumptions of the robot predicted by the proposed method are as 1.04% and 1.78% respectively. These results demonstrate that the proposed method outperforms other commonly used energy consumption prediction models at present.

Key words: industrial robot, temporal convolutional network（TCN）, hyperparameter optimization, Bayesian method, energy consumption prediction

中图分类号:

TP242

肖伟, 张聪, 陈绪兵. 基于贝叶斯优化时间卷积网络的工业机器人能耗预测[J]. 中国机械工程, 2026, 37(4): 831-836.

XIAO Wei, ZHANG Cong, CHEN Xubing. Energy Consumption Prediction of Industrial Robots Based on Bayesian Optimized Temporal Convolutional Network[J]. China Mechanical Engineering, 2026, 37(4): 831-836.

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图/表 7

图1 膨胀因果卷积结构

Fig.1 Structure of dilated causal convolutions

图2 基于贝叶斯优化 TCN 的能耗预测过程

Fig.2 Energy consumption prediction process of TCN based on Bayesian optimization

图3 实验平台

Fig.3 Experimental platform

表1 TCN模型参数及超参数

Tab.1 TCN model parameters and hyperparameters

参数	值	超参数	寻优范围	寻优值
学习调整因子	0.1	学习率	10 $- 5$ ~10 $- 1$	0.001
残差块	2	层数	1~6	2
梯度阈值	1	核大小	2~6	3
初始学习率	0.001	滤波器	8~16	10

表1 TCN模型参数及超参数

Tab.1 TCN model parameters and hyperparameters

参数	值	超参数	寻优范围	寻优值
学习调整因子	0.1	学习率	10 $- 5$ ~10 $- 1$	0.001
残差块	2	层数	1~6	2
梯度阈值	1	核大小	2~6	3
初始学习率	0.001	滤波器	8~16	10

表2 基准方法网络参数

Tab. 2 Baseline method network parameters

参数	值
参数	CNN	LSTM	CNN-LSTM
优化器	Adam	Adam	Adam
LSTM层数		64	25
每个卷积核大小	3*1		3*1
最大迭代次数	250	250	250
梯度阈值	1	1	1
初始学习率	0.02	0.01	0.01
学习调整因子	0.05	0.10	0.10
学习因子调整周期	150	150	150

图4 不同模型工业机器人消耗功率预测结果（无负载）

Fig.4 Different models of industrial robot power consumption prediction results（no-load）

表3 不同模型在8 s及12 s预测时长下的能耗预测误差

Tab. 3 The energy consumption prediction errors of different models under 8 s and 12 s prediction time are compared

评估方法	负载	轨迹时长	模型
评估方法	负载	轨迹时长	XGboost	CNN	LSTM	CNN-LSTM	TCN	本文方法
MAE/W	无负载	8 s	26.13	21.26	24.11	21.81	29.96	20.72
		12 s	21.22	20.71	23.24	20.12	34.50	16.05
		平均值	23.68	20.99	23.68	20.97	32.23	18.39
	1.5 kg	8 s	22.73	28.26	28.25	23.43	25.20	25.12
		12 s	30.13	37.71	26.75	25.92	31.32	28.84
		平均值	26.43	32.99	27.50	24.68	28.26	26.89
RMSE/W	无负载	8 s	36.02	27.39	30.01	29.10	42.28	24.71
		12 s	29.30	25.80	30.64	26.84	45.61	20.22
		平均值	32.66	26.60	30.33	27.97	43.95	22.47
	1.5 kg	8 s	29.85	24.27	34.37	30.50	32.47	37.76
		12 s	41.26	32.04	33.36	33.62	38.02	38.21
		平均值	35.56	28.16	33.87	32.06	35.25	37.99
$e t$ /%	无负载	8 s	2.08	1.82	1.16	1.56	1.38	1.06
		12 s	1.58	2.79	2.93	2.35	1.42	1.01
		平均值	1.83	2.31	2.045	1.96	1.40	1.04
	1.5 kg	8 s	4.29	3.45	2.09	4.48	2.83	2.05
		12 s	1.25	1.92	1.53	1.59	1.86	1.51
		平均值	2.77	2.69	1.81	3.04	2.35	1.78

表3 不同模型在8 s及12 s预测时长下的能耗预测误差

Tab. 3 The energy consumption prediction errors of different models under 8 s and 12 s prediction time are compared

评估方法	负载	轨迹时长	模型
评估方法	负载	轨迹时长	XGboost	CNN	LSTM	CNN-LSTM	TCN	本文方法
MAE/W	无负载	8 s	26.13	21.26	24.11	21.81	29.96	20.72
		12 s	21.22	20.71	23.24	20.12	34.50	16.05
		平均值	23.68	20.99	23.68	20.97	32.23	18.39
	1.5 kg	8 s	22.73	28.26	28.25	23.43	25.20	25.12
		12 s	30.13	37.71	26.75	25.92	31.32	28.84
		平均值	26.43	32.99	27.50	24.68	28.26	26.89
RMSE/W	无负载	8 s	36.02	27.39	30.01	29.10	42.28	24.71
		12 s	29.30	25.80	30.64	26.84	45.61	20.22
		平均值	32.66	26.60	30.33	27.97	43.95	22.47
	1.5 kg	8 s	29.85	24.27	34.37	30.50	32.47	37.76
		12 s	41.26	32.04	33.36	33.62	38.02	38.21
		平均值	35.56	28.16	33.87	32.06	35.25	37.99
$e t$ /%	无负载	8 s	2.08	1.82	1.16	1.56	1.38	1.06
		12 s	1.58	2.79	2.93	2.35	1.42	1.01
		平均值	1.83	2.31	2.045	1.96	1.40	1.04
	1.5 kg	8 s	4.29	3.45	2.09	4.48	2.83	2.05
		12 s	1.25	1.92	1.53	1.59	1.86	1.51
		平均值	2.77	2.69	1.81	3.04	2.35	1.78

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