随着城市轨道交通、城市地下管廊、公路铁路隧道等建设中大量中、长隧道的开挖,具有挖掘速度快、施工周期短、自动化程度高等优点的盾构法施工得到广泛应用。盾构机的换刀作业是盾构施工过程中一个重要环节,现有的人工换刀方案严重影响了盾构机的施工效率与施工安全,如何利用机器人进行“高效、安全”的盾构自动化换刀已成为业界的研究热点。然而,盾构机内空间狭小、障碍众多,对换刀机器人的结构设计、路径规划和轨迹规划等技术提出了新的挑战,成为亟待解决的技术难题。本课题以大型泥水盾构机为应用对象,展开对盾构换刀机器人路径规划、轨迹规划等关键技术的研究。首先,在对换刀环境和换刀机器人需求分析的基础上,提出了换刀机器人的作业方案和设计方案,并完成了换刀机器人的本体结构设计。其次,利用D-H参数法建立机器人的连杆坐标系,推导了机器人的运动学模型,实现了换刀机器人的位姿描述,并基于可视化仿真验证了所建运动学模型的准确性。第三,为了提高换刀机器人的操作过程中的避障能力,基于碰撞检测算法和改进A*算法进行了换刀机器人避障路径规划算法研究,利用改进A*算法实现机器人末端移动路径的规划,运用碰撞检测算法来判断机器人移动过程中的碰撞情况,并在仿真平台上验证了避障路径规划算法的有效性。最后,在关节空间采用五次多项式轨迹插值的方法进行换刀机器人轨迹规划的研究,并通过搭建虚拟样机验证了换刀机器人运动平稳、轨迹平滑。本课题所研究的盾构换刀机器人路径规划和轨迹规划技术能够显著提高盾构换刀作业的效率和安全性,对提高盾构机的技术水平和整机性能具有一定的应用价值和理论意义。