自20世纪80年代以来，机器人技术作为20世纪人类最伟大的发明之一，在信息技术、控制技术等其他学科迅速发展的支持下，其应用领域已远远超出制造业，已被广泛应用于非制造领域。

随着人们对特种机器人技术智能化本质认识的加深，特种机器人技术开始源源不断地向人类活动的各个领域渗透，尤其是在替代人从事劳动条件艰苦、对人危害大的工作方面的发展比较迅速。隧道施工是一项潮湿、多粉尘、振动与噪声污染严重、劳动强度大的工作。从在北京举行的2002年国际隧道研讨会获悉，我国修建的铁路隧道数量和长度已位于世界首位，近两年则以每年200公里左右的速度增长，其发展趋势是隧道数量相对在减少，而单个隧道的长度有所增加。我国公路隧道有了长足发展，也有同铁路隧道一样的发展趋势。目前，在隧道施工方面，我国已拥有了世界上所有的先进设备，并掌握了其施工操作方法和技术。隧道施工中，钻爆法施工一直占据着主导地位，它的特点是能适应地质条件的变化和不同的隧洞断面大小及形状。因此，至今世界上70% 左右的隧洞仍采用钻爆法。钻爆法不仅更适合于我国的国情，而且特长隧道的钻爆法施工前景越来越广阔。钻爆法正向着全断面、大断面掘进迅速发展，从而使钻爆法施工机械也向着大型化、高效率方向发展。

自20世纪70年代末以来，液压凿岩机与液压台车形成了高效节能、劳动条件好的液压凿岩设备，在世界发达国家岩矿采掘作业中率先取代手持式气动钻孔机具。液压凿岩台车作为大型工程施工设备，广泛应用于国家重大建设项目，为矿山、水电、交通等各种重大工程服务，在国民经济建设中的作用日益明显。凿岩机器人是自动化技术与机器人技术在凿岩台车上的应用，具有高精度、少“超欠挖”、高经济性、高效率、低污染、低劳动强度等优点。70年代末，许多国家开始了凿岩机器人的研究，目前瑞典、芬兰、法国、美国、日本、挪威等近20个国家的厂商已开发了高性能的凿岩机器人。而凿岩机器人的控制系统相对来说要复杂得多，因此，1998年以前，世界各国大多采用挪威Bever公司与挪威大学合作开发的 Bever系统。1998年以后，世界最大的凿岩台车生产厂家瑞典的 AtlasCopco公司和芬兰的Tamrock公司才推出了各自的控制系统。国内，1986年原中南工业大学开始从事再现式凿岩机器人的实验室研究工作。在国家“863”计划的资助下，1998～2000年，中南大学仅用两年半的时间就出色地完成了基础研究、工程设计和样机试制三项难度和工作量都相当大的研发工作，成功开发出了国内第一台计算机控制凿岩台车样机，达到了国际先进水平。本书以该样机的研制工作为基础，在运动学求逆、孔序动态规划、自适应控制等方面进行了更深入的研究。本书的特色与主要创新有：本书研究的隧道凿岩机器人本体为国内首创，与国外产品相比具有其独特性———采用宽度可调的门架，司机室可升降，既解决了运输不超宽超高的问题，又做到了转场时不需大的解体拆装工作；采用直接定位式可伸缩的钻臂结构，尽管存在控制上的难点，但提高了工作稳定性与可靠性；关键部件推进器翻转装置采用了自行设计的螺旋液压缸，提高了安装的方便性；提出了一种分配式电液比例控制技术，在提高系统可靠性的同时，大幅度降低了制造成本；在控制系统设计上，采用上、下位机的结构，通过RS232进行通讯，减轻了控制器的负担，提高了控制的实时Ⅱ隧道凿岩机器人性；开发了一套全方位集成控制手柄，很好地满足了钻臂定位要求。建立了机械臂的运动学方程，深入研究了车体定位方法。针对具有六个转动关节、三个移动关节的多冗余度强耦合机械臂，进行了运动学求解研究，这是当前该机器人领域的一个难题。

本书首次提出了试探性爬山法的求解方法，并在该隧道凿岩机器人机械臂运动学求逆中得到应用，针对本身固有的结构特点应用试凑基础上的解析法、线性近似解耦基础上的迭代法等方法进行运动学求逆的研究。在理论上探讨了伪随机数的产生方法，首次提出使用乘同余方法产生伪随机数，能较好地解决伪随机数的周期性和独立性问题，并应用到采用数值法求解凿岩机器人工作空间的过程中。针对两个或多个机械臂在同一工作空间完成离散的工作任务时各机械臂工作进度可能不一致，为充分利用钻臂资源，避免机械臂的干涉，保证各臂完成各自最后任务的时间基本同步，研究了如何给各钻臂分配任务、如何安排各臂工作任务的先后顺序以及工作过程中如何动态调整工作任务等问题，这些是本书研究的难点。

本书创新性地提出的方法有：① 纳入分界孔和平衡孔概念，应用“质点删减法”进行孔序任务静态与动态规划；② 基于遗传算法的孔序任务动态规划，首次以各关节运动变化的加权总量作为目标优化函数，设计了遗传算法的适应度函数，首次采用遗传算法优化规划了凿岩机械臂的钻孔孔序，对于解决多机器人多任务动态分配问题具有重要的理论意义。隧道凿岩机器人钻臂定位过程的计算机控制技术是本书的关键技术之一。一个钻臂重2吨多，伸出长达10多米，为使钎杆在定位过程中保持平移运动，并走直线路径，使运动路程最短，双三角平行联动机构各油缸的负载分析与运动速度比例策划是关键。本书进行了双三角钻臂对称并联五边形液压空间平行联动机Ⅲ前 言构的机理建模与参数估计的研究，实现控制算法的解耦。根据双三角钻臂变幅机构非线性和时变的特点，采用自适应控制策略进行钻臂直接定位运动速度控制。这样易于在线估计和实现自适应控制，因而能有效补偿非平稳随机扰动引起的静差。凿岩过程的计算机控制技术在国内外都是一个难题。Atlas最近推出的 RCS 控制系统具有钻孔过程检测功能 MWD（MeasureWhileDrilling）。MWD钻孔控制功能包括钻进过程自适应控制、自动防卡钎等功能，但还不能取代传统的钻孔勘探，且数据分析还只能凭专家的经验。

本书从岩石破碎原理入手，研究凿岩过程的计算机控制，实现了凿岩过程的自动控制功能，对凿岩控制中的难点———防卡钎处理进行了深入研究，以软件方法解决防卡钎处理难题，而且又降低了凿岩控制的成本。隧道凿岩机器人计算机控制系统的实施也是本书的关键技术之一。多年来世界各国大都是采用挪威Bever公司与挪威大学合作开发的Bever系统，由此可知控制系统开发的难度。作者在国内外没有相关资料的情况下，自主开发了 SUNWARD 隧道凿岩机器人控制系统。其操作界面采用中文系统，更好地适合了本土化的要求。编写本书的初衷是及时反映隧道凿岩设备智能化技术研究的一些最新成果和动向，以期对工程机械智能化与特种机器人的研究有所促进。但是，由于隧道凿岩机器人是一个机电液集成的复杂系统，而且凿岩过程控制具有极大的复杂性，本著作中，有些问题还有待继续深入研究和探讨，加之作者水平有限，书中定有不妥之处，敬请专家和读者赐教指正。

本书的研究工作主要得到国家“863”计划智能机器人主题重大 项 目 （863 - 512 - 9806 - 01） 和 引 导 资 金 项 目（2002AA001019）的支持以及科技部中小企业技术创新基金（01C26224300194）的资助。谨向国家“863”计划先进制造与Ⅳ隧道凿岩机器人自动化技术领域委员会、科技部中小企业技术创新基金管理中心表示衷心的感谢。作者指导的博士研究生谢习华、周友行、李力争、郭勇等为本书的撰写做了大量工作，周宏兵、曾桂英、吴凡、贺湘宇、方向等在硕士研究生期间为本课题做了许多前期研究工作，周宏兵讲师校对了部分章节，谢习华讲师校对了全书书稿，在此一并表示感谢。本书还得到了清华大学张钹院士、贾培发教授，北京科技大学高澜庆教授的热情帮助，在此表示衷心感谢。

作者
2004年9月18日