煤矿井下探测与搜救机器人能够在事故发生后辅助或替代救援人员进入灾区进行事故处理，降低灾害损失，减小救援的危险性。本文基于煤矿事故发生后井下探测与搜救机器人使用策略和作用的分析，考虑煤矿事故发生后井下的地形环境和气体环境，结合国内外煤矿救灾机器人、危险环境作业机器人的研究现状，对煤矿井下探测与搜救机器人机械系统进行设计与研究，采用机构创新与推衍、机构学分析、理论研究与建模、虚拟样机建模仿真和物理样机测试等研究方法，分析煤矿救灾机器人机械系统的移动机构、支撑机构、操作机械臂和驱传动装置等功能系统与部件。工作主要从以下几个方面展开：首先，结合陈家山煤矿瓦斯爆炸事故及其救援情况分析了救灾机器人的使用策略及作用，分析了煤矿救灾机器人所需要面对的井下地形环境与巷道中的气体环境，提取井下地形几何要素和特征参数，建立煤矿救灾机器人ADAMS虚拟通过性测试场地。针对障碍特征要素，归纳出煤矿救灾机器人的性能参数表，以供设计煤矿救灾机器人时针对具体环境而完善后作为设计任务书用。其次，在对煤矿救灾机器人工作对象分析的基础上，根据移动机器人运行的地形条件，综合考虑爬越障碍、地形适应、主体平稳等因素，提出新型6轮导杆联动式悬架。论述了悬架的组成和工作原理，建立主体在路面上运行时车轮、地面与悬架组成的机构学模型，并从自由度计算的角度分析悬架的地形适应性。运用Pro/E软件建立悬架参数化模型，并导入Pro/Mechanism中进行了单轮、双轮提升车体平稳性仿真试验，测出前、中、后轮高度独立和共同变化时车体的欧拉角；然后在ADAMS中仿真了悬架在综合地型下的通过性。还对移动机构通过凸起地形时各个车轮的载荷分配特性进行了仿真分析。综合仿真方面的研究工作，对移动机器人性能的评价和分析方法作了归纳和总结。再次，基于移动机构平面运动学模型求解的基本假设，建立了单侧导杆联动悬架的平面运动学模型。分析了在固定曲线上作纯滚动刚体的运动学求解方法，得出接触点弧坐标变化率的表达式。结合车轮在地形上纯滚动的情况，用积分定义递推求解算法准确地求出车轮与地面接触点的坐标与时间的函数关系。用法向轮径偏移法推导了轮心坐标与接触点坐标的关系，使轮心轨迹方程得以确定，在机构求解中作为一个约束方程出现。将导杆联动式悬架分成后轮腿和其余两部分求解，列出机构约束方程进行计算，用MATLAB非线性方程组求解算法在积分定义递推求解循环中对各个运动量进行求解，完成参数的后处理，并用ADAMS仿真结果验证理论模型的正确性与计算结果的准确性。还推导了三轮心组成定圆曲率评价悬架地形适应性的指标方法，对悬架的地形适应性作了进一步分析。然后，根据被动摇臂悬架连接车体与左右两侧悬架的支撑机构的设计要求，提出一种对称的空间连杆式均角平衡机构，从自由度计算的角度分析机构的输入输出关系，给出车体位姿与摇臂位姿的关系表达式。然后运用旋转变换的方法建立均角平衡机构车体与左右摇臂的俯仰角位移方程。运用Pro/Mechanism仿真的方法验证了理论模型的正确性，并运用验证后的模型分析了部分参数对该均角平衡机构线性均化特性的影响和部分关节摆角范围以指导结构设计。最后，根据煤矿井下探测与搜救机器人到达任务地点后执行任务的操作要求，提出一种前级能抱举较重物体，而后级又能精确执行操作的机械臂结构，提取了机械臂的主要参数并对前级抱举机构抱起80kg物体过程中所需的驱动扭矩进行了计算。然后对救灾机器人机动平台驱传动系统的结构进行介绍，并展示了机动平台的物理样机测试情况，使用样机进行了爬坡、越障性能试验，测试结果表明：基于该悬架的移动机器人地形适应性强，各轮载荷分配均匀，能够爬越350mm的垂直障碍。再针对煤矿井下探测与搜救机器人机械系统的组成和可能产生的点燃源对机械系统的防爆设计要求和防爆设计方法与措施进行了探讨。最后总结所有研究工作，对煤矿救灾机器人的总体方案作了构思设计。