随着我国城市地下轨道交通建设的兴起,盾构机掘进技术得到了广泛应用。但由于长距离的掘进和遇到较硬地层等原因,盾构机刀盘上的刀具会不可避免的产生磨损,制约掘进效率,因此需要进行刀具更换。传统刀具更换方式为工作人员进舱进行人工作业,其工作环境恶劣,安全风险极高,且效率低下。采用机器人代替人工换刀可以降低成本,提高工程效率,解决隧道掘进过程中带来的人员安全问题,因此盾构机换刀机器人的研究设计成为了提升盾构机性能的重要研究方向。本文以项目组设计的换刀机器人为研究对象,目的是为其设计一套适合其特点、具有良好性能的控制系统,最终能够部分代替人工完成盾构机刀盘上特定刀具的更换。论文首先对换刀机器人机械结构和液压系统组成、机器人工作状态、关键元件工作原理进行分析总结,根据以上内容规划了机器人完整换刀工作流程。其次结合当前机器人设计特点和对控制系统的要求,提出了以FCS为控制结构,IPC、嵌入式控制器和I/O模块为硬件核心,Visual Studio工作环境为软件开发平台,CAN总线为通信方式的换刀机器人控制系统解决方案,并给出了各部分控制方案的明细图。然后对控制系统电气硬件部分进行设计,主要包括计算各电气硬件参数并确定型号,设计供电电源回路等电气图纸,确定控制柜外部尺寸和内部布局等。接着对控制系统软件进行设计,分析机器人系统对控制软件的需求,划分软件基本功能模块,利用C#和Windows Forms,在Visual Studio开发环境下编写实现系统总线通信和软件基本功能的程序,给出各部分程序流程图,并设计了软件的人机交互界面。最后结合MATLAB、SolidWorks和LabVIEW等软件对机械手进行半实物仿真实验研究,并实现了手动和自动两种操作方式下的机械手基本功能,一方面验证控制系统设计的可行性和可靠性,另一方面为实体样机建立后的后续研究工作提供了平台。