隧道开挖是现代交通、水电、国防等大规模基本建设中的一项难度大、耗资耗时多、劳动条件差但又十分重要、十分关键的施工作业。液压凿岩机器人是钻爆法施工的主要设备之一,液压凿岩机器人的技术进步直接促进了隧道施工水平的提高。针对恶劣的工作环境和劳动力资源的日渐萎缩,液压凿岩机器人的无人化研究迫在眉睫。目前液压凿岩机器人的智能控制系统完全被进口产品垄断,国内没有成功应用的产品,开发一套具有自主知识产权的国产化液压凿岩机器人智能控制系统意义重大。机械臂是液压凿岩机器人的执行机构,也是其最为关键的部件。机械臂的轨迹控制研究是液压凿岩机器人智能控制系统的基础。结合工程实际,对液压凿岩机器人机械臂的运动学、轨迹规划、轨迹跟踪以及轨迹的控制试验等方面展开了研究,研究的内容主要包括:(1)建立液压凿岩机器人机械臂的D-H坐标系并进行运动学的正逆解分析。通过Matlab的可视化功能描绘出机械臂的工作空间,以便判断机械臂的设计结构是否满足隧洞施工的要求。针对机械臂多自由度冗余的特点,同时结合液压凿岩机器人实际工况,优化求解出机械臂各关节的逆运动学解析。采用Adams软件建立了机械臂仿真模型,并对其进行运动学仿真,验证了正逆运动学算法的正确性。(2)提出液压系统动力源匹配与轨迹规划相结合的方法。利用所求的运动学逆解,分别在笛卡尔坐标系内对直线插补和圆弧插补进行了研究,在关节坐标系内对三次多项式、五次多项式及带抛物线过渡的轨迹进行了规划研究。采用AMESim软件平台建立机械臂运动系统的仿真模型,针对三种不同轨迹规划方法结合液压系统的流量和功率,确认出最优的轨迹规划方法。(3)针对机械臂电液伺服系统内部参数、外部扰动以及机械结构间隙的不确定性对轨迹跟踪可能产生的偏差,提出了一种基于串级ADRC的机械臂轨迹跟踪控制策略。采用扩张状态观测器来估计电液系统的内部参数和外部负载,并针对不确定性偏差,设计了新的干扰抑制控制器。并利用Lyapunov稳定理论对系统的稳定性进行了证明。根据实际参数对其进行了仿真,仿真结果表明了该方法的有效性,同时与传统前馈PID算法的对比仿真结果表明了所设计方法的优越性。(4)设计机械臂轨迹控制系统的硬件体系,基于真实的液压凿岩机器人机械臂进行轨迹运动控制试验。试验结果表明,所提出的轨迹控制方法能够实现机械臂平稳、精确的轨迹运动,其精度满足施工精度要求。为液压凿岩机器人无人操作运动控制的工程应用奠定了基础。