工业机器人在变曲率工况下的应用越来越多,如汽车钣金件、高铁车头、飞机机身和涡轮叶片等产品的抛光、喷涂及其模具的切削等。现有的工业机器人示教方法在应用于变曲率工况时,存在两个方面的问题:1)路径规划中工业机器人末端执行器的姿态变化不够平滑,难以满足该区域的加工质量要求;2)轨迹规划中工业机器人逆解组合的筛选过程容易陷入局部最优,关节角速度的变化不平滑,导致工业机器人的整体作业耗能优化不合理。针对上述问题,本文提出了一种变曲率工况下的工业机器人示教技术:1)提取出变曲率曲面中顶点的最小主曲率作为搜索方向,得到高效、优质的插值点,进而得到几何平滑的路径规划,避开姿态变化大的路径,提高加工精度;2)将考虑运动平滑的逆解组合筛选问题转化为一系列离散点有向图最短路径求解问题,采用改进的工业机器人能耗模型求取有向图的边长,分段的使用Dijkstra算法求解该最短路径有向图,获得运动平滑的逆解组合。本文的研究内容主要有以下四个部分:1)提出了一种考虑工业机器人作业加工质量的变曲率曲面定义,实现了变曲率曲面网格模型的特征提取。针对三角网格模型,利用哈希函数提取网格的拓扑关系;使用网格形状和面积估算并提取顶点的最大主曲率值;采用经验分析法寻找合适的最大主曲率阈值,提取出自由曲面中的变曲率区域。2)针对末端执行器姿态不够平滑的问题,提出了一种考虑几何平滑的工业机器人作业路径规划方法,使机器人能够沿姿态变化最小的路径进行作业,降低加工误差。选用变曲率区域中高斯曲率最大的顶点作为区域内的算法初始插值点;用曲率匹配法估算步长,沿着最小主曲率方向搜索插值点,从而得到一条有序插值点路径;用等残留高度法估算行间距,沿着最大主曲率方向搜索下一条轨迹的起点,得到后续插值点序列,进而得到整片区域的路径规划。3)针对封闭解的逆解组合选取过程中精度不高、易产生局部最优解的问题,提出了一种考虑运动平滑的逆解组合优选方法,把逆解组合筛选问题转化为最短路径求解问题,得到作业全局能耗较小的逆解组合。使用约束条件对逆解值先进行筛选;建立能量消耗模型,用三次插值样条曲线拟合六个关节的角度变化,求解出插值点之间的能耗值并将其作为边长,使用Dijkstra算法求解该最短路径有向图,得到运动平滑的逆解组合。4)开发了工业机器人虚拟示教仿真系统,实现了在线示教、编程示教、示教再现以及变曲率工况下作业对象的特征提取、路径规划和逆解组合筛选等功能,应用于汽车保险杠的工业机器人作业路径规划中,提高了示教效率、几何平滑性和运动平滑性。