随着城市需求和工业发展,管道已经成为不可替代的运输工具,管道使用的特殊性,使其很容易受内部流体和外部环境的影响,逐渐老化、腐蚀甚至损坏。管道机器人作为可以在管内行走的检测设备载体,使其在维护检修管道工程中取得不可替代的作用。现有资料的管道机器人都有一定的缺点,比如无法满足长距离管道运动的能量供给问题,机器人对管道内径改变不能充分应对问题等。通过调研前人的研究进行总结,对比现有各类管道机器人的运动特点,结合本课题机器人所针对的长距离输水管道特殊工况,确定了所研究管道机器人采用管内流体驱动的运动方式,并对流体驱动的两种不同能量转换结构进行讨论,确定伞式流体能量转换机构作为机器人接收流体能量单元。以伞式流体能量转换机构为基础,对机器人机械结构进行设计,主要包含混合适应变径机构,运动计程机构,姿态调节机构。分析计算各个功能单元,确定各部分构型方案及管道机器人整体结构并完成了机器人的三维模型的建立。为使机器人能在管道内流体驱动下行进工作,分析长距离输送管道内的流体力学特点,讨论了流体作为机器人动力源的条件要求,建立了管道机器人在管内几种典型状态的运动力学方程。针对机器人在管内运动通过蝶阀障碍需要姿态调整的工况,通过分析得出其姿态调整过程的动力学方程。讨论管道机器人在管内正常运动时所受其他阻力,分析各阻力主要影响因素。根据机器人工作环境的特点,提出满足要求的总体控制系统方案并对其所需的控制硬件进行选型设计。为使管道机器人具有根据管道内径变化情况进行主动变径自适应能力,提出基于预设速度的主动变径控制。为实现机器人对管内蝶阀的通过性,提出基于视觉感知的主动调姿控制。为验证所设计机器人在一定弯曲角度的管道通过的流畅性,将简化后的机器人装配体及管道模型导入ADAMS中进行仿真分析,确定了在400mm内径90和60弯曲管道通过的流畅性。在FLUENT中进行机器人水平管道运动的流固耦合仿真分析,得出管内流体在伞式流体驱动管道机器人运动时流场特性变化,验证了水平管道内流体对机器人产生的运动和力学影响及伞式流体驱动管道机器人在管内运动的可行性。