矿用救援机器人是一种辅助或替代矿山救护队员进行灾区环境探测和搜救工作的应急救援装备，其应用可以有效地加快搜救速度，及时发现被困矿工，快速定位遇难人员，减少人员伤亡。煤矿井下空间狭小、地形复杂，尤其是煤矿事故后，矿用救援机器人的作业环境和作业对象是变化的、未知的非结构化环境；此外，煤矿井下通信条件极差，特别是煤矿事故后，矿井通信系统遭到破坏，而应急通信系统带宽有限，难以满足矿用救援机器人遥操作的要求。因此，要求矿用救援机器人是一种具有环境认知、行为决策、运动控制等能力的智能移动机器人，以保证其在恶劣环境中正常运行。矿用救援机器人关键技术主要有适用于煤矿事故后复杂危险环境的移动平台、矿用救援机器人智能控制系统以及三维环境建模和识别三个方面。本文主要围绕这三方面开展研究工作。（1）从履带行驶机构的接地压力、行驶动力学、转向动力学和越障机理四个方面对履带式机器人移动平台的设计原则进行了总结。通过对履带行走机构的运动学、行驶动力学研究，确定了履带移动平台的驱动形式，以及履带行驶机构直线行驶时的平地行驶、斜坡及不同地面行驶时所需的驱动力矩。研究了双电机独立驱动履带行驶机构的转向动力学，考虑电气制动和机械制动作用下的，不同转向半径时，两侧履带驱动速度和驱动转矩的关系。并通过研究凸台、壕沟、台阶三种典型障碍的越障机理，确定了履带行驶机构外形尺寸的设计原则。（2）为了满足平地高速度和爬坡大扭矩两种工况的需求，按照履带式机器人移动平台的设计原则，设计了带有自动变速的移动平台。根据履带行驶机构动力学计算，1m/s平地运动时和60%坡度时所需要的扭矩比为1:5，因此在驱动电机和减速器之间加入具有1和5两种速比的变速器，且可以根据指令进行变换。自动变速器采用行星轮组形式，其结构紧凑，效率高；通过电磁制动器和电磁离合器使行星轮组的三个部件进行组合，实现空挡、速比1、速比5三个档位的调节。减速采用谐波齿轮减速器，其体积小，结构紧凑，速比范围大，因此将其与驱动链轮结合为一个整体。将履带行驶机构、驱动链轮、防爆驱动电机、自动变速器装配为模块化履带单元。将左右履带单元、防爆机身通过空间连杆平衡机构连接形成矿用救援机器人移动平台，通过虚拟装配，验证各部件尺寸设计合理。（3）通过在机械动力学仿真软件RecurDyn环境中利用高速履带HM模块建立矿用救援机器人移动平台虚拟样机。设定了履带部件间相互作用力模型，并确定了接触力和销轴轴套力参数。通过在平地和斜坡两种地形上的运动仿真，计算得到的驱动转矩与理论计算值接近，验证了带有变速器移动平台能够满足最大速度和爬坡扭矩的驱动性能要求。通过凸台、壕沟、连续台阶越障仿真试验，证明该移动平台的越障能力满足要求。（4）将被动适应式空间平衡连杆机构与履带行驶机构相结合，根据对角线对称布置和中心线对称布置两种空间平衡连杆机构，分别设计了两种矿用救援机器人悬架。通过基于多刚体运动学的理论分析和运动仿真试验证明所设计的两种矿用救援机器人悬架平衡机构均具有差动性能，相比于采用中心对称的空间平衡连杆机构，采用对角线对称的空间平衡连杆机构设计的悬架平衡机构还具有线性均化能力。（5）研究了基于惯性测量单元轨迹跟踪原理和无迹卡尔曼滤波的推导，通过无迹卡尔曼滤波对惯性测量单元的数据进行滤波，减小基于惯性测量单元运动轨迹跟踪的误差；然后通过轨迹跟踪试验，使用Optotrak三维运动捕捉系统获取机器人实时运动轨迹，与基于捷联惯导系统的运动轨迹推算结果进行比较，证明该方法可以有效地对移动平台进行运动轨迹跟踪。（6）在分析矿用救援机器人行驶动力学的基础上，将防爆电池组的重量和体积对动力系统的影响考虑进去，建立了机器人动力系统模型。根据该模型，确定了续航时间长、整机重量小目标函数和12个决策变量，根据机器人的动力性能要求确定了5个约束条件，从而建立了矿用救援机器人动力系统参数匹配多目标优化模型。使用了多目标粒子群优化算法，确定了其动力系统参数匹配合理的区间。根据其取值区间，进行了实例计算，确定一种续航时间长、整机重量小的动力参数匹配方案，总重量降低了24.36%，续航时间增大了1倍，从而有效地解决了矿用救援机器人动力系统参数匹配问题。（7）总结了三维机器视觉环境距离信息的获取方法。以点云库作为工具，研究了基于深度图像的边界提取；研究了基于深度图像的NARF关键点的提取，通过试验确定了基于NARF关键点提取算法的最佳参数；研究了基于NARF点的FPFH描述子方法；并基于FPFH描述子实现两幅点云图的初始配准，然后以ICP算法实现两幅点云图的精确配准，经过多幅点云图的两两匹配环境的三维建模。该方法基于深度图像实现环境三维建模，不需要其他辅助信息参与建模，适用于矿井低照度环境下使用。（8）根据矿用救援机器人的要求设计了基于以太网控制系统，该系统具有很好的开放性、可扩展性和网络功能；并设计了一种有线无线混合以太网通信系统，该通信系统可以由机器人组网，从而解决煤矿事故后井下通信问题，并对其进行了原理性试验；研究了光纤盘参数的计算，并设计了一种由内圈抽放的光纤释放装置；设计结构紧凑的中继释放装置；采用惯性测量单元作为位姿传感器，并基于OpenGL技术设计了机器人姿态实时显示程序；设计了便携式防爆远程控制终端，以便于机器人的控制；基于C/S框架设计了远程监控端的人机交互程序。分析了履带机器人差速运动学模型，然后引入滑动效应参数，建立了更为精确的滑动运动学模型。