随着经济的快速发展以及基础设施建设和资源开发的逐渐深入,越来越多的隧道开始施工建造,但是隧道安全问题并未得到改善,隧道倒塌的事故频繁发生。锚喷支护是保障隧道强度的重要方式,而喷浆支护是锚喷支护的关键一环,能够有效的减少隧道倒塌的发生。本课题来源于国家自然科学基金重大科研仪器研制项目:深部巷道/隧道动力灾害物理模拟实验系统,本文的隧道喷浆机器人是整个模拟实验系统中研究喷浆支护的主要装置,隧道喷浆机器人的研究及设计对保障隧道安全具有重要的意义。首先,本文对国内外喷浆机器人的研究现状进行阐述,并以实现隧道表面涂层均匀的目的作为主要研究思路,根据模拟隧道的环境、喷浆机器人的设计指标以及对隧道表面涂层均匀的要求,对隧道喷浆机器人的整体结构进行设计,包括支撑结构、喷枪结构、旋转结构以及行走结构的设计;规划了喷浆机器人的工作任务,为喷浆机器人的整体控制系统的搭建做准备。其次,根据所设计的喷浆机器人整体结构,对隧道喷浆机器人进行了正运动学以及逆运动学建模与分析,并使用MATLAB软件模拟喷枪的工作空间;对喷浆机器人的挠度变形进行理论计算,然后使用ANSYS Workbench软件对喷浆机器人的整体结构进行静力学仿真,通过理论和仿真结果的对比分析,验证了喷浆机器人的结构满足刚度要求。再次,结合文献资料,分析喷枪的速度和运动轨迹的间距对隧道表面涂层的均匀度的影响,通过构建涂层的双β分布模型,对喷枪的移动速度、转动速度进行匹配,同时对喷枪运动轨迹的间距进行分析;通过MATLAB软件对喷枪的运动进行仿真与分析,验证了所设计喷枪的速度匹配关系以及喷枪的运动轨迹间距能够实现涂层均匀;使用Fluent软件对喷枪喷射的流体进行仿真与分析,根据仿真与分析结果得到流体流动稳定,以及构建的涂层的双β分布模型与仿真喷涂区域相吻合的结论。然后,根据所设计的喷浆机器人的整体结构及工作任务,对隧道喷浆机器人整体控制系统进行设计;通过对电机定位误差的分析,构建电机的负反馈系统;通过基于蚁群算法的PID控制算法对负反馈系统进行MATLAB仿真与分析,并与基于基本PID控制算法的电机控制系统进行对比,得出基于自适应蚁群算法PID控制算法的电机控制系统响应时间短、振幅小的结论。最后,对喷浆机器人样机进行实验并对采集的数据进行分析。通过喷浆机器人的视觉实验,验证了视觉系统可稳定传输清晰图像;通过喷浆机器人的运动实验,获得电机转速变化规律以及喷浆机器人的定位结果,验证了所设计的喷枪旋转速度与位移速度匹配关系的准确性;通过喷浆机器人的喷涂实验,根据喷浆机器人在单位时间的喷涂流量以及喷枪的喷涂形状,验证了流体的稳定性及涂层的析沉积模型与实际的喷涂形状相吻合;通过喷浆机器人的挠度实验,得到了喷浆机器人的实际挠度变形,其挠度变形在允许范围内。