拱泥机器人是一类土中作业特种机器人,用以拱泥并实现按照预定路径行走。工作过程需要机器人自身提供支撑工况以实现拱泥动作,转向装置实现机器人土中预期轨迹。稳定支撑工况、合理拱泥动作以及可靠转向是拱泥机器人实现顺利工作的关键问题,由于土壤力学性能的复杂及工作环境的恶劣,加之装置结构尺寸的限制,使得现有拱泥机器人无法完全满足工程应用要求,本文提出一种新型拱泥机器人,并针对螺旋叶片土中作业的力学模型进行理论及试验研究,以期获得拱泥机器人新的解决方式,为工程应用提供理论基础。首先,在综述国内外土中作业特种机器人的基础上,对自支撑式特种机器人,即拱泥机器人运动原理以及工作状况进行了分析。拱泥机器人工作过程需要机器人自身提供支撑工况以实现拱泥动作,转向装置实现机器人土中预期轨迹,稳定支撑工况、合理拱泥动作以及可靠转向是拱泥机器人实现顺利工作的关键问题。通过分析现有拱泥机器人本体机构方案,提出一种双螺旋叶片拱泥机器人结构方案,并设计2SPS/S型并联机构作为其转向装置,以保证提供较大的转向效能。同时,设计了一种转向关节配套联接机构,解决了本机械装置动力系统电源绕线的问题,完善了拱泥机器人的总体设计方案,为后续双螺旋叶片拱泥机器人的工程应用提供基础。其次,螺旋叶片结构参数与土壤环境参数之间的联系是研究双螺旋叶片拱泥机器人的理论基础,叶片驱动扭矩大小是保证双螺旋叶片拱泥机器人正常工作的前提。然而由于土壤环境的复杂性、离散性,为了简化力学模型,假设螺旋叶片在土壤中处于动平衡状态,基于力学平衡以及土力学原理建立起螺旋叶片结构参数与土壤环境参数之间的关系,针对力学模型进行了数值仿真,得出了叶片以及土壤参数对扭矩的影响趋势理论曲线,为后续研究提供理论基础。然后,为了通过实验研究验证理论规律的正确性,研制了一套适用于土中作业螺旋叶片试验分析的试验平台。试验平台主要包括本体结构,控制系统,数据采集系统。本体结构主要由步进电机,支撑板,轴,联轴器,滑块与滑轨,直线轴承,调整板以及土槽等零件组成,通过使用滑块与滑轨尽量减小了轴向阻力对试验的影响,调整板可提高连接轴的同轴度,减小了试验误差。控制系统硬件主要由STC89C51单片机以及配套开发板组成,主要负责控制对步进电机的转速调节,以及控制电机启动停止。数据采集系统主要由动态扭矩传感器,AMPCI-9110数据采集卡以及上位机组成,主要负责实时检测电机驱动扭矩,通过数据采集卡及上位机进行数据采集与分析。另外,通过扭矩传感器动态标定试验,得出在本试验环境下扭矩与电压信号关系曲线。最后,利用试验平台进行螺旋叶片驱动扭矩随叶片结构参数、转速以及土壤参数变化规律的试验研究,试验结果验证了理论规律,同时表明力学模型对研制双螺旋叶片拱泥机器人具有一定指导意义。