国内煤炭生产多为井工开采方式,需要布置大量巷道。随着采煤工作面综合机械化技术的快速发展,需要煤巷高效掘进技术与之相匹配。煤层地质条件较好的煤矿已在推广应用效率较高的综合机械化掘进工艺,并向着自动化、机器人化的方向发展。但三软突出煤层巷道掘进速度一直以来没有得到有效提高。其直接原因在于防突消突及支护工艺需要大量的辅助施工时间,根本原因则在于现有技术装备不能够全面适应突出煤层巷道掘进的复杂工艺措施,需要有针对性地研发先进装备。掘进装备机器人化已经成为煤炭行业的共识,且对于解决突出软煤巷道掘进难题有着良好的前景,因此,需要大力开展相关研究工作。本文以典型的突出软煤矿区煤巷掘进工艺为背景,研究了瓦斯释放,锚杆支护,以及掘进截割等装备技术存在的共性特征,提出了多功能机器人化的理念和机构设计思路。以现有轻型掘进机为基础,进行了机器人化机构设计关键原理验证,并对掘进装备机器人化机构设计及分析方面一些核心问题进行了研究。为突出软煤巷道掘进机器人的进一步研究提供了理论参考。本文主要研究内容如下：(1)突出软煤巷道掘进过程中防突、截割、支护等工艺措施复杂,涉及装备多,辅助工序消耗时间过多,导致掘进效率低下。为此,本文提出以更换作业工具方式实现掘进装备多功能机器人化。分析了掘进工艺各工序功能及装备需求特点,并研究了不同种类作业装备在功能和运动学方面的相似性,论证了多功能机器人化的可行性。根据作业对象、作业环境和作业任务的特点,对机器人功能目标进行定位,提出机构设计方案并通过样机进行关键原理验证。研究了手腕结构和类型对掘进机器人实现多种操作功能的影响,完善了掘进机器人的机构设计。将掘进机的截割功能、各种钻机的钻孔功能、以及其他辅助功能等融于一体,可以全面提高掘进机械化程度和施工效率。(2)对掘进机器人关节驱动能力设计进行了研究。掘进机器人的负载力和负载力矩比较复杂,且作业方式和作业路径多种多样,无法通过常规方法确定其最不利工况。本文提出了一种基于腕部运动链反向建模的关节驱动力分析方法。设想截割头位置固定,反过来以两个角度参数的连续变化表达手腕的各种作业姿态,以另外一个角度参数表达截割路径和作业方式的变化。将任意路径下腕部整体的作业状态转化为三个角度参数的连续变化,使复杂的作业负载问题得以有效简化。通过建立手腕部分整体的力系平衡方程并求解,得到截割臂在手腕位置点的驱动力系,继而得到各个关节的驱动力或力矩。对掘进机器人的关节驱动力分析得到了各个关节的最大驱动力(力矩),并得到了最佳作业方式。为关节驱动设计和作业方式选取提供了理论指导。(3)掘进机器人具有5个自由度,但本质上属于6自由度串联手腕偏置机器人,不存在实用的封闭形式位置逆解。本文对该类机器人的位置逆解算法进行了研究。根据偏置手腕的几何特征,提出了一种基于偏置量补偿的位置逆解数值算法,解决了掘进机器人的位置逆解问题。以相应的手腕无偏置机器人的末端姿态为参照,通过对手腕偏置量的定向平移补偿和迭代修正,得到了手腕偏置机器人的位置逆解。算法可以确保末端姿态的正确性,且对于手腕结构相同的机器人具有良好的通用性。大量的数据仿真试验也验证了算法的实时性能。(4)为保证掘进机器人能够在巷道空间内完成多种作业任务,对其作业空间问题进行了研究。对蒙特卡洛法存在的边界随机点分布差、计算精度低等问题进行了分析,提出了一种定向分布算法。根据关节空间至笛卡尔空间映射的连续性,在先期得到的边缘点的周围重新生成随机点,有针对性地改善边界随机点的分布状况,并采用二次分层法减小立体空间分层处理引起的误差。改进算法可以显著提高边界求解精度,并提高计算效率。本文还对掘进机器人不同工具的作业特点进行了分析,提出了工具的标准化设计要点,实现了工作空间的统一化。(5)掘进机器人需要实现多种功能,因此其运动灵活性较为重要。本文对掘进机器人的运动性能分析进行了研究。为解决雅可比矩阵量纲不统一问题,提出了一种简洁有效的基于可变加权矩阵的雅可比矩阵规范化方法。根据机器人灵活性的本质意义,定义了可变加权矩阵概念,给出了雅可比矩阵规范化的一般思路和方法。可变加权矩阵直接由雅可比矩阵自身导出,并用于雅可比矩阵规范化,避免了现有方法需要引入额外参数的缺点和不便。通过理论推导和数值仿真,验证了可变加权矩阵方法的有效性。利用可变加权矩阵方法,分析了掘进机器人的运动灵活性,给出了奇异位形判别式。通过分析掘进机器人连杆参数与运动性能之间的关系,为机器人的几何参数设计和优化提供了依据。