在我国,煤炭的高效安全开采关系国计民生。在深部井下实现智能化和无人化采掘已成为国际煤炭采掘领域的共识,我国政府对此极为重视。2019年国家煤矿安监局制定了《煤矿机器人重点研发目录》推动掘进、采煤、运输、安控和救援5类、38种煤矿机器人的研发,凿岩机器人位列其中。本文的研究目的是研发一种具备新型钻臂构型的凿岩机器人,可以进行运动学精准求解,能够确定机身位姿并完成快速精准钻孔定位,最终实现井下安全高效快速岩巷掘进作业。凿岩机器人左右钻臂属于典型的串联型6自由度机械臂,要控制凿岩机器人钻臂完成预定工作,必须能够对凿岩机器人钻臂进行逆向运动学求解。凿岩机器人钻臂构型与工业机器人构型差别很大,文中首先对凿岩机器人钻臂运动学可求解性进行了分析研究,得出了凿岩机器人传统钻臂构型无法进行逆向运动学求解的结论,必须对传统钻臂进行改进。本文提出了将钻臂后端三轴由原两两交错形式改为两两相交形式的改进方案,以使新钻臂逆向运动学有解。凿岩机器人钻臂构型即使在改进后与工业机器人相比仍然复杂很多,应用DH方法对新钻臂进行逆向运动学求解极为困难,必须研究新的求解方法。本文主要研究内容如下:（1）为实现对新钻臂进行精准运动学求解,本文提出了一种基于全局坐标系通过递次归位方法对机器人进行逆向运动学求解的新方法,运用新方法时无需建立机器人各部件局部坐标系和各局部坐标系之间的关联,只需根据机器人空间结构特性在全局坐标系内进行求解。文中选用典型腕部偏置机器人——UR机器人作为研究对象,对新方法的求解过程进行分析研究。针对许多文献中认为腕部偏置型机器人逆向运动学不存在解析解只能通过数值方法求解的问题,文中分别运用DH方法和基于全局坐标系的递次归位方法给出了UR机器人的逆向运动学解析解,并对两种求解方法进行了对比,新方法相比于DH方法具有求解思路更清晰直观、基于空间结构更易求解及求解流程更为简洁的优点。（2）运用新方法对改进后的新钻臂运动学逆向求解进行分析研究,结果表明新钻臂空间结构具有两个空间结构特性:一是对第5自由度进行求解可以转换为对一特定平面法线与一特定直线之间夹角的求解,二是当钻杆逐步回缩时计算所得的关键点F到原点O之间的距离是先缩小后增大的。基于这两个结构特性,文中提出了通过迭代搜索运算来求解第5和第6自由度的方法,第5和第6自由度求解完成之后通过递次归位方法对其余自由度进行求解。（3）在新钻臂的逆向运动学求解研究完成的基础上,对爆破孔位图及孔位图中不同孔位对钻杆和推进器的位姿要求进行了分析研究,得出了对应于不同类型孔位的位姿矩阵,并应用MATLAB软件以正向计算方法确定了左右钻臂钻杆尖端的最大可达立体空间。凿岩机器人在进行孔位定位和钻孔作业时多数孔位要求钻杆垂直于前端断面,对于周边孔位要求钻杆以3-5°外扩,对于中间区域孔位要求钻杆以3-5°内聚,通过前述逆向运动学求解方法得到了钻杆在前端平面最大可达区域。（4）由于井下巷道底板不平整,凿岩机器人机身相对于巷道的位姿是不确定的,凿岩机器人在进行钻孔作业时需要确定机身在巷道中的具体位姿。对此,国外Atlas凿岩设备公司提出了在钻臂上加装激光标靶,驱动钻臂使巷道指向激光穿过激光标靶得到各关节反馈参数,由反馈参数计算凿岩机器人机身位姿的方法。本文中经过分析研究得出要获得凿岩机器人的准确机身位姿还需要在推进器上安装倾角仪读取推进器的水平倾角,将水平倾角与各关节参数结合才能计算出凿岩机器人的机身位姿。加装了推进器倾角仪之后需要分析研究新的计算方法,本文中建立了巷道全局坐标系、凿岩机器人基准坐标系、凿岩机器人机身坐标系以及左右钻臂各自局部坐标系,通过各坐标系之间的关联,给出了计算凿岩机器人机身位姿的具体计算方法。（5）创建了新钻臂的动力学仿真模型,分三组对驱动左右钻臂定位不同孔位的过程进行了仿真,得出了各驱动油缸及回转马达最大工作压力,通过对凿岩机器人行走和爬坡时动力需求进行计算分析确定了凿岩机器人额定工作压力。创建了新钻臂的有限元非线性分析模型,获得了在负载为冲击载荷和自重作用下,左右钻臂对不同孔位进行钻孔作业时钻臂各部件应力云图,可知钻臂在施工作业时钻臂强度足够,不会发生屈服。当负载为无冲击载荷仅自重状态时,得到了左右钻臂对不同孔位定位完成后自重下变形量,可参考不同孔位变形量对后续试验各目标孔位位置参数进行调整。（6）试制了凿岩机器人实物样机,搭建了地面模拟巷道,对钻臂与巷道之间、左右钻臂之间以及钻臂自身零部件之间如何避免发生干涉进行了分析研究,并应用MATLAB软件将钻臂各主要部件进行柱形化,编写了相应程序,对左右钻臂定位各种不同孔位时的状态进行了比对研究,确定了左右钻臂不发生干涉的打孔次序和对应的位姿要求,并进行了地面模拟试验。地面模拟试验分为两个阶段,第一阶段凿岩机器人机身处于摆正状态,钻臂完成一次定位平均用时3-5s,定位精度为±15mm;第二阶段凿岩机器人机身处于偏移状态,每次定位用时3-5s,定位精度±25mm以内,符合预期目标。之后分别在冀中能源集团邢台矿和羊东矿进行了工业性试验,两次工业性试验均取得了良好效果,凿岩机器人的安全可靠、定位精准快速、施工质量高、进尺快等优点得到了矿方的肯定评价。