地下挖掘机器人广泛应用于城市地下管线施工、野外地下探测、灾后地下搜索救援等领域,可以极大地缩短工期,降低施工风险及劳动力,具有广阔的应用前景。论文对国内外有关地下挖掘机器人的结构及运动学、挖掘过程力学特性及挖掘部件仿生设计方法做了分析与研究,针对现有机器人在结构和功能上的不足,设计了一种能够同时执行挖土、铲土及挤土动作,运动灵活、成孔效率高的地下挖掘机器人。以挖洞直径、轨迹要求和位移匹配为目标,设计了机器人总体结构,并对主要工作部件进行了详细设计。在运动学和动力学分析的基础上,优化了挖斗机构的结构参数及动力参数,并通过对挖斗的仿生设计及有限元分析,改进了其力学性能。本文主要完成的研究工作如下:1.研究了机器人各执行机构的运动轨迹、运动次序关系、位移匹配要求,分析了挖土、铲土、挤土动作的可实现性,在此基础上设计了机器人总体方案和主要功能模块。2.利用ADAMS虚拟样机技术,对机器人进行了运动学仿真分析,优化了挖斗机构、铲斗机构及挤压机构的运动轨迹及结构参数;同时按照设计的运动次序工作时,挖土运动、铲土运动及挤土运动满足位移匹配的要求,运动过程衔接紧密;通过机器人速度、加速度分析,验证了挖掘运动的平稳性,并为后续的动力学分析提供了依据。3.建立了挖土阻力的数学模型,通过分析切削角度、切削速度及切削厚度对挖土阻力的影响,结合实际挖土作业的环境和要求,确定了挖斗机构最佳切削运动参数;在满足最佳切削运动参数的条件下,结合挖斗机构速度、加速度分析结果,分析了挖土阻力随时间的变化规律,得出驱动电机的扭矩及输出功率。4.基于仿生学原理进行了挖斗的仿生设计,建立了挖斗机构的有限元模型,基于ANSYS LS-DYNA进行了动力学分析,根据分析结果对挖斗机构进行结构改进,提高了挖掘效率,并确保在挖土工作时各零件能够满足强度要求。