随着国内煤矿开采深度不断加深,立井井筒施工技术的先进程度对矿井建设周期有很大影响。液压伞钻是矿山立井井筒开拓中的关键设备,其工作性能直接影响井筒开拓速度和安全生产。现在实际使用的伞钻液压控制系统中方向控制阀组均由手动换向阀组成,工作过程中需要人工实时调节进行钻孔定位,定位精度不高、效率低下,且存在一定的安全隐患,直接影响竖井开掘速度。因此对液压伞钻液压系统及其控制系统进行研究设计,提高其操控特性和工作效率具有重要意义。本文以YSJZ4.8液压竖井钻机为参照,以提高伞钻液压系统特性和实现自动控制为目标,以伞钻的机械臂为研究对象,结合具体工作环境,对该对象进行系统的特性研究和建模仿真。本文主要研究内容如下:首先,本文根据现有伞钻结构对其单机械臂进行三维建模,使用DH法求解运动模型正运动学方程,应用MATLAB验证运动学正解正确性,进而确定伞钻机械臂工作空间;应用牛顿迭代法求解运动学逆解,并对其进行仿真验证,验证结果表明:关节绝对误差最大值为1.2mm,且该算法程序简洁,可靠性高。其次,确定关节变量与对应液压缸之间的几何关系,简化三维模型得到动力学模型,根据拉格朗日方程得到关节力矩与关节转角之间关系;使用ADAMS软件建立虚拟样机,验证动力学方程准确性,仿真结果表明:计算值与仿真结果力矩变化趋势相同,且大臂关节较钻臂关节力矩误差大,分析了误差产生原因。在伞钻虚拟样机中生成刚柔耦合模型,为轨迹规划提供参考仿真模型。再次,分别在笛卡尔空间和关节空间中对轨迹规划方法进行解析,分别计算其模型驱动函数并以系统冲击最小为目标评价轨迹性能,对比结果表明:对于无中间点情况采用五次多项式轨迹规划系统冲击较小,对于有中间点情况采用贝塞尔曲线可优化系统运动性能。优化机械臂动作时间为4.7235s,系统运行平稳,无明显冲击现象。最后,改进原伞钻机械臂位姿调整模块液压控制系统,采用负载敏感泵为系统提供压力油液,对大臂液压缸与钻臂液压缸进行闭环控制,采用PID控制算法改善比例伺服阀输入信号,使用AMESim建立液压系统仿真模型,对几组目标位置进行仿真得到不同曲线的跟踪结果。仿真结果表明:动作液压缸最大稳态误差约为0.3mm,对应机械臂末端最大方向偏差约8mm。搭建伞钻机械臂实验平台,确定一随机目标点进行实验,实验结果表明:两组液压缸可快速完成工作任务,且目标点与最终点绝对误差11.4mm,满足伞钻机械臂运动精度及稳定性要求。本文以工程实际问题为背景,简化伞钻结构得到柔性串联机械臂研究模型,首先分析其运动学、动力学等特性,其次对模型进行轨迹规划与研究,最后设计液压系统并对其仿真,并以实验方法验证所得结论。通过以上研究提高了伞钻机械臂控制精度及工作效率,获得了刚柔耦合仿真模型及自动控制液压系统,对高精度液压机械臂控制系统的研究有参考意义。