凿岩机器人作为一种高度自动化的隧道施工设备,可以大幅度提升施工效率,提高钻孔精度,显著改善施工人员工作环境,目前已被广泛运用于钻爆法隧道开挖和矿山开采等领域。双三角钻臂是一种能直接定位的机械钻臂,可以直接将钎头运动至工作面设定的位置,在提升定位效率的同时,其操作方便性也得到了提升。本文以具有双三角钻臂的凿岩机器人为研究对象,开展了钻臂运动控制研究,其主要研究内容如下:钻臂运动中干涉的判别;钻臂执行端点与各个液压缸之间的关系推导;广义预测控制的改进研究。保证钻臂在自动化运行后不会发生干涉是整个凿岩钻臂安全运动的前提。避免干涉的发生,实际上就是避免钻臂的各个部分与自身及环境的最小距离大于零。将钻臂自身简化为杆件组成的模型,通过计算杆件与杆件、杆件与障碍物的最小距离便可由此判断是否发生干涉。凿岩机器人钻臂的运动依靠的是多个液压缸的共同作用,其中尤以左右支臂液压缸,左右俯仰液压缸和大臂液压缸的运行状态对钻臂的轨迹行进和最终定位影响最大。由于左右支臂液压缸和俯仰液压缸在油路设计上本身就考虑了支臂液压缸与俯仰液压缸的协调同步,保证钻臂轨迹能否按预定轨迹运行的关键便是推导出左右支臂液压缸与大臂液压缸的运动的协调关系。针对上述问题,通过引入虚拟支点的方法,将左右支臂液压缸的运动转化为单液压缸作用下的轨迹问题,在避免大量计算的同时保证了实际运动轨迹的精度。广义预测控制(Generalized Predictive Control,GPC)是在广义最小方差控制的基础上,引入多步预测的思想,可以预测未来多步模型输出的一种自适应控制。由于采用了滚动优化和反馈校正,对时滞非线性和参数摄动等具有很强的克服能力,因此凿岩机器人钻臂控制中对双三角钻臂两支臂缸的控制也采用了该方法。针对广义预测控制起始阶段控制效果不佳,以及因计算中存在求逆而导致的可能出现的计算病态问题,提出了一种双模控制方式,通过对自适应参数波动范围的限定,使控制器在广义预测控制模式和PID模式之间切换,上述方法在有效消除GPC起始阶段不稳定及控制中可能出现的控制效果不佳现象的同时,保证了计算发生病态时控制的正常进行,对整体的实际控制效果也有提升。