隧道掘进机（TBM）是开发地下空间的核心隧道工程装备。滚刀作为其隧道掘进的关键部件,面对复杂恶劣的掘进工况磨损严重,人工换刀险、换刀难的行业难题是制约隧道施工安全与效率的瓶颈。面对巨大的市场需求,实现高效安全的机器代人换刀作业模式势在必行。狭小空间下换刀机器人大范围作业区间与局部的高精度作业必然矛盾,导致机器换刀末端存在定位误差,带来换刀机器人末端多目标高精度定位难的工程问题。因此,研究机器换刀末端定位误差同时设计适用于换刀机器人末端的容错机构,满足可达性和灵巧性作业需求意义重大。本文具体内容如下:（1）末端容错机构功能需求的明确,要求获得机器换刀末端准确的定位误差。机器换刀作业末端误差来源于视觉测量、机器人本体和刀具,其中实现紧固系统组合联动的快速拆装式滚刀作为引导对接拆卸的目标其装配结构也变得复杂,因此,基于公差建模理论对机器换刀末端综合定位误差建模。首先针对机器视觉、换刀机器人、滚刀进行误差来源分析。其次以具有并联结构的卡耳摆动式刀具系统装配体为例,基于雅可比旋量模型建立末端综合定位误差模型。对缩尺滚刀进行三维测量,对测量拟合结果与理论模型对比,实验拟合紧固螺栓六角头端面中心点位置在理论建模偏差范围内;中心轴线角度大于理论建模0.10365°,相对误差为18.83%,一定程度验证了所建模型的准确性。（2）TBM刀盘尺寸大、刀具布置位置复杂,作业空间狭窄且障碍多,机器换刀末端定位难,因此设计刀具引导性定位接口容错机构。基于机器换刀过程,定义了换刀过程末端与滚刀之间理想相对状态。对对接误差分类,调研总结成熟的引导装置特点,针对不同类型误差弥补的功能需求设计了引导锥、柔性连接结构和万能套筒结构,进行组合,设计了万能锥套筒刀具引导性定位接口。基于末端误差模型,以末端综合误差包络圆作为设计输入,对万能锥套筒接口进行参数化建模及优化设计,确保实现容错功能。（3）万能锥套筒接口性能验证。以缩尺卡耳摆动式刀具系统作为拆卸对象,基于万能锥套筒接口参数化设计方法设计适配的接口,分析其结构性能并基于子模型法进行拓扑优化,结构安全系数为1.8,优化的零部件减重原来的8.11%,整个接口总重0.517kg,并基于ADAMS进行引导对接虚拟仿真验证。模拟实际工况搭建实验平台,设计不同误差类型的实验组进行引导对接,结果表明所能容纳最大径向误差为7.85mm,引导对接包络圆域半径为15.35mm,大于误差域1.87mm,能够在7°的角度偏差下成功引导对接,满足末端误差容错功能需求,同时验证了接口参数化建模方法及其容错性能。