隧道掘进机（TBM）的应用已成为当下主流的隧道施工方式。而在掘进过程中,刀具在破岩时逐渐磨损,影响掘进效率,因此,更换磨损的刀具成为了施工过程中不可或缺的任务。目前,人工换刀效率低、风险大的弊端,引起重视;“机器代人”换刀成为了研究的热点。国内外机构对此进行了广泛的研究,提出了多种换刀机器人方案,但在物理实验和工程应用上取得进一步进展的较少。本文基于7.8m直径的TBM换刀机器人搭建了缩尺物理样机,进行了换刀范围、轨迹规划和运动控制的研究,并利用CANopen总线设计了控制系统,通过实验验证了各项设计指标,为换刀机器人的工程应用提供了设计依据。具体的研究内容,如下所示:1)基于原型TBM换刀机器人方案,利用相似理论,确定了缩尺机器人的结构参数与运动参数。根据结构参数,完成了缩尺机器人各零部件的结构设计;根据运动参数,完成了机器人各关节驱动源的选型。提出了缩尺换刀机器人的总体设计方案,并进行了换刀范围的分析,仿真得到,其可对81.8%的正滚刀进行更换。2)在关节空间对缩尺换刀机器人进行轨迹规划,基于冲击和时间的优化指标,提出了基于七次多项式和梯形速度曲线的混合插值算法。仿真得到,机器人在运行过程中,没有冲击和抖动;在不考虑装拆滚刀的情况下,单把滚刀的最大更换时间为137.44s,提高了换刀效率。3)利用改进的D-H法,对机器人进行运动学分析,得到了各关节坐标系之间的变换矩阵。进而,利用拉格朗日法,推导了机器人的动力学模型,为轨迹跟踪控制算法的设计奠定了基础。并在不考虑关节摩擦的前提下,仿真得到了各关节的力和力矩,为驱动源的选型提供了依据。4)为控制机器人跟踪目标轨迹,提出了两种控制算法,分别为基于重力与摩擦补偿的模糊自适应PD控制算法和基于计算力矩法的模糊自适应PD控制算法。基于两种算法,通过Simulink搭建了仿真系统,对两种控制算法的控制效果进行对比。结果表明,基于计算力矩法的模糊自适应PD算法具有更高的控制精度,各关节的轨迹跟踪误差均小于1mm。5)基于CAN总线搭建了缩尺换刀机器人的控制系统,对轨迹规划算法的有效性和换刀机器人的实用性进行实验验证。以更换刀盘半径方向上最后一把正滚刀为示例工况,进行实验。结果表明,机器人各关节轨迹跟踪误差小于1mm,运行过程没有冲击和抖动,满足高效稳定的要求,具有良好的实用性。