隧道掘进机是集机、电、液、光多方面技术的大型隧道掘进设备。而伴随着国内的地铁和地下空间基础设施的建设热潮及其他轨道工程建设的快速发展,隧道掘进机在使用领域上逐渐拓宽,在大直径和煤矿巷道的需求上也不断增加。管片拼装是盾构施工中的关键技术,管片拼装机器人承担着隧道掘进过程中管片铺设的工作重任。本文围绕管片拼装机器人的机构设计、管片自动识别、管片拼装位姿和拼装精度、运动路径及轨迹规划等关键科学问题展开以下研究工作:在机构设计方面,根据对管片拼装机器人工作原理的分析,基于现有混联管片拼装机的基础上将混联管片拼装机的微调机构设计为一种3自由度的串联微调机构,设计出了一个6自由度机械臂式管片拼装机。根据改进D-H参数法建立合适坐标系,根据各个参数建立管片拼装机器人改进模型的运动学模型,并解算出了运动学正解和逆解,得出了管片拼装机器人在管片拼装过程中抓取机构末端中心位置变化曲线。在管片自动识别技术方面,给出了基于机器视觉的管片自动识别方法,通过对应用特征匹配算法对管片的自动识别结果分析,得出SIFT特征匹配算法受拼装环境的影响,不适合应用于管片的自动识别方法。根据管片拼装的施工环境,提出了一种基于机器视觉的管片自动识别的方法,对管片图像进行预处理,采用OTSU阈值分割算法对预处理后的管片图像进行二值化处理,确定二值化图像中的具体位置。再对确定管片位置的管片图像进行图像剪切,剪切出合适尺寸的管片螺栓图像,对管片螺栓图像进行灰度处理和二值化,计算出管片螺栓图像中螺栓的质心,根据不同坐标系转换得到待夹取管片的世界坐标。在管片拼装位姿和拼装精度方面,提出了基于线结构光双目测量系统的管片拼装位姿测量方法,通过运用三维空间点的坐标重心化和罗德里格矩阵的最小二乘法求解出管片位姿变换旋转矩阵,求解出管片拼装点实际位姿。随机进行多组检测点的位姿计算误差的比较,验证了该方法能精准快速测量管片拼装位姿,该方法减小或抵消了由机构本身结构误差和夹取误差引起的管片位姿误差,提高管片拼装精度。在管片运动路径及轨迹规划方面,介绍了管片拼装机器人的管片夹取、运送和拼装三个不同阶段的运动路径。对比指数形加减速曲线算法、T形加减速曲线算法和S形加减速曲线算法三种加速控制算法,选用S形加减速曲线算法。采用基于NURBS曲线S形加减速算法在测量到管片拼装位姿后对管片拼装机的夹取阶段和拼装阶段进行轨迹规划,生成光滑平稳的轨迹,减小对管片拼装机器人的关节磨损。