狭窄通道是工业机械臂常见的作业工况,实现机械臂在狭窄通道中快速、安全、平稳作业对工业机械臂应用有着重要意义。针对目前机械臂在狭窄通道工况下作业规划仍然采用人工在线示教,存在效率低、难度大、易碰撞、过程繁琐、可重用性差等问题,提出了面向狭窄通道的机械臂避障规划及示教技术,建立基于边界约束和体素空间两种表达的狭窄通道,模拟机械臂在狭窄通道的可达空间,基于改进遗传算法和改进随机扩展树分别实现对不同表达型狭窄通道的路径引导点搜索,开发了机械臂避障规划虚拟示教仿真系统,生成的离线示教程序应用于真实机械臂作业,提高了工业机械臂作业的效率、安全性及可重用性,并为狭窄通道工况下工业机械臂作业提供一定的技术支持。第一章综述了狭窄通道工况下机械臂避障规划关键技术的国内外研究现状,包括狭窄通道表达与作业分析、机械臂避障路径规划算法、机械臂离线作业示教仿真等,针对现有技术存在的不足,阐述了本文的研究意义及内容。第二章提出了基于边界约束和体素空间的狭窄通道两种表达方法。针对目前狭窄通道界定不清晰的问题,给出了狭窄通道的定义及描述,然后基于现有的构型空间法、栅格法及自由空间法,提出基于扫描特征映射的边界约束表达法和基于离散网格相交的体素空间表达法,解决了狭窄通道的空间信息难以准确表达问题。第三章提出了面向狭窄通道的机械臂运动建模与避障预分析方法。首先基于位姿变换构建机械臂的运动映射模型,实现关节空间与任务空间的映射转换。其次提出基于几何结点解耦剖析逆解反求机理,采用逐角筛选和最短行程法提取最优解,解决逆解推导的不确定及多解性问题。然后基于蒙特卡洛法和点集求交模拟机械臂在狭窄通达的可达空间,完成避障规划预分析。最后提出基于树型结构表达狭窄通道工况下机械臂作业场景模型,完成机械臂与狭窄通道的干涉分析。第四章提出了基于引导点搜索的狭窄通道区域避障规划算法。提出改进遗传算法求解边界表达型狭窄通道路径引导点,引入路径分布系数改进遗传编码,以机械臂运动时间、角度限位、过程干涉等因素作为适应度目标函数,提高了遗传算法搜索引导点效率。提出改进随机扩展树求解体素空间表达型狭窄通道,将星形算法中估价函数引入到随机扩展树的目标节点方向上,降低采样盲目性,提高搜索效率。提出基于平滑样条对路径引导点序平滑处理,实现机械臂在狭窄通道工况下安全、快速、平稳作业。第五章开发了工业机械臂虚拟示教仿真系统,并完成避障实验。介绍了系统总体设计、系统功能模块。该系统主要包含作业仿真场景、虚拟示教盒、避障规划等界面,实现手动示教、编程示教、再现示教、避障规划等功能。在此系统基础上,结合IRB 120机械臂的实验平台验证了改进遗传算法的可行性,并完成了机械臂在水轮机叶片间焊接修复作业的避障规划仿真实验。第六章对本文研究内容和创新点进行了总结,并针对目前的不足之处和后续需要深入研究内容进行了展望。