隧道喷浆机械臂在各类公路铁路隧道和各类矿山中具有极其广泛的应用,针对目前市面上各类喷浆机械臂在使用过程中存在自动化程度低、人工操作复杂和工人作业存在潜在生命健康危险等问题开展隧道自动喷浆机器人研究。本文首先对机构进行了运动学分析,其次结合喷浆工艺和施工技术规范对喷浆沉积速率模型与隧道喷浆轨迹生成算法进行了研究。针对一种八自由度机械臂分析机构其自身的运动特点和运动学特性,基于D-H方法建立了机构的正运动学模型,基于矢量积方法建立机构的速度雅可比矩阵。为分析机构的逆运动学问题,提出了一种两次计算法对其进行逆运动学求解,首先基于避关节极限优化函数的加权最小范数法得到一组优化的数值逆解,在此基础上通过关节角参数化方法推导得到了逆解的解析解,最后通过直线运动轨迹对逆运动学和避关节极限进行了仿真验证。针对喷浆过程中混凝土涂层沉积厚度预测问题,对喷浆过程的影响因素进行了分析并做出相关合理假设,提出采用β分布模型用于描述涂层厚度分布形状并建立了平面喷浆沉积速率模型,对实际喷浆常用的直线和圆弧轨迹建立了动态喷浆模型并给出算例进行仿真验证,考虑实际待喷表面情况,基于平面喷浆沉积速率模型建立了复杂自由曲面的喷浆沉积速率模型,针对多轨迹喷浆相邻轨迹喷浆问题进行了建模并以区域平整度为目标对相邻轨迹重叠间距进行了优化求解。针对隧道自动喷浆作业问题,结合喷浆工艺和施工技术规范提出了隧道自动喷浆策略,基于此策略对隧道待喷表面点云模型进行了分区段、分层和分片处理,重点研究了分片区域内部的喷浆轨迹生成算法,采用包围盒切片法对点云模型进行切片,通过点云投影法得到切片内的原始轨迹点,为实现轨迹点的插值拟合研究了空间直线轨迹、圆弧轨迹和B样条轨迹的插补算法并给出算例进行了仿真验证。最后进行样机的整体设计,对重要关节和关键零部件进行驱动力仿真和应力仿真,搭建了以Trio控制器为核心的控制系统并进行实验,对机械臂能按规划轨迹进行自动喷浆的能力及运动学算法进行验证。