矩形盾构具有空间利用率高的特点,常用于地下空间有限的隧道施工中。管片拼装机是盾构施工中重要子系统,其工作性能直接影响着盾构施工的质量和效率。2P5R串联拼装机器人是一种新型管片拼装机,应用于矩形盾构施工中的管片拼装。本文对其运动学、轨迹规划、运动控制和实验测试等方面进行了研究。为矩形盾构管片平稳快速的自动化拼装提供理论基础和技术支持。在运动学方面,推导了七自由度拼装机器人驱动空间与笛卡儿空间的转换关系。根据改进DH参数法建立了拼装机器人运动学模型,推导了从驱动空间至笛卡儿空间的运动学正解,并采用固定角参数表征拼装机器人机械手姿态。针对运动冗余问题提出了回转模式和伸缩模式两种运动模式,并推导了两种模式下的运动学逆解。然后分析了拼装机器人工作空间,明确了其施工范围。在轨迹规划方面,提出了一种安全平稳的管片拼装轨迹规划方法。使用线激光传感器检测管片抓取位姿和安装位姿,给出了其计算方法并分析了算法精度。建立了基于轮廓关键点的空间余量优化模型计算安全避碰的路径。得到了抓取、递送和安装三种工况下的安全路径。使用B样条曲线对安全路径点进行平滑插值,采用摆线速度轮廓对路径时间率进行优化布置,获得安全平稳的运动轨迹。在运动控制方面,搭建了包含液压驱动和多体结构的拼装机器人动力学模型。选取传统PID和速度加速度前馈PID(FFPID)对动力学模型进行运动控制仿真,结果表明FFPID具有更好的轨迹跟踪能力。提出了基于末端轮廓误差补偿的控制算法,该方法通过雅克比矩阵将末端轮廓误差转换至驱动空间,仿真结果表明此算法能够有效减少拼装机器人的抖动,更快消除运动误差。在实验测试方面,选用美国Delta公司RMC控制器搭建拼装机器人运动控制系统。实现了单动、联动和轨迹跟踪等控制模式,对轨迹跟踪控制和轮廓误差补偿控制进行了实验分析,结果表明拼装机器人运动精度符合预期。