随着我国基建水平的不断提升,越来越多的巷道工程项目得以实施,而岩爆等动力灾害又严重威胁着施工安全,因此研制锚杆支护设备保障巷道工程施工安全是十分有必要的。本研究课题来源于国家自然科学基金重大科研仪器研制项目:深部巷道/隧道动力灾害物理模拟试验系统,编号:51427803。此系统模拟现实岩爆等自然动力灾害,对巷道工程从加载、开挖、支护到检测的整个过程进行模拟试验,对更进一步揭示巷道/隧道岩爆等动力灾害的形成机制和规律具有重要应用价值和理论意义。本课题研究的小型锚杆推进机器人是整个模拟试验系统中的支护环节必要的设备,旨在完成支护环节的锚杆安装任务。本文首先介绍了国内外工程实践中所使用锚杆的分类及其锚杆支护技术的发展历程,进而引出锚杆支护技术的研究现状。通过对比国内外锚固技术研究现状,参考国内最新的锚杆钻机,结合具体项目试验系统的工况和技术要求,进行锚杆推进机器人总体设计。主要包括关键的定位机构、支撑机构、夹持机构的设计,驱动方案的制定,及相关驱动电机的选型计算。其次,对机器人运动过程进行描述,构建了锚杆推进机器人的结构模型及运动学方程,并进行了正向及逆向运动学问题分析,为后续机器人运动控制策略制定提供依据;对锚杆推进机器人的连接主轴进行了静力学分析,验证了连接主轴的机械结构刚度和强度满足设计要求;对机械手夹持机构进行了六阶模态分析,验证了机器人在正常工作状态下机械手夹持不会因电机振动而影响夹持稳定性;后对机械手夹持机构进行了仿真分析,并对比前文对此部分的力分析和运动分析理论计算结果,得出了仿真结果和理论计算结果相一致的结论。再次,根据运动学方程和所设计结构为锚杆推进机器人制定了运动控制策略,包括整体控制策略、上位机、下位机通信方式选择、电机控制等。其中,电机控制包括步进电机控制和舵机控制,在步进电机控制部分建立了步进电机S曲线传递函数,由传递函数分别对系统进行了传统PID和模糊PID控制,并利用MATLAB/Simulink进行仿真,对比后选取了模糊PID控制;在舵机控制部分,利用位置PID实现了舵机转速优化控制;基于Lab VIEW编写了上位机控制界面,同时完成了基于STM32的下位机程序编写,为实现机器人的无线通信控制奠定基础。最后,对所研制的锚杆推进机器人进行了现场实验,包括无线通信实验、整体行走精度实验、主轴旋转定位精度实验、机械手夹持实验、电机控制效果验证实验、推进效果综合验证实验,实验结果表明:该锚杆支护机器人能够满足设计要求,保证锚杆入孔推进过程顺利实现。