城市及家庭下水管道的清理和疏通是一个庞大而复杂的工程,管道直径种类众多,走向四通八达,管道清理工作环境恶劣,大多数情况下人员不可进入、人手难以触及。因此,研发一种管道机器人来代替人工工作,提高工作效率的同时又可保障工人的人身安全和健康,在管道的清理、检测和维护方面具有广阔的应用前景。本文以本人创新设计的管道清理机器人为研究对象,分析验证其在管道内爬行的动作可行性,以及危险工况下的力学特性,对受力较大的零部件进行结构尺寸优化,具体研究内容如下:(1)管道清理机器人的工作原理与结构方案设计。根据下水管道实际工况,确定管道清理机器人所应具备的功能及性能,分析机器人的行走步态及具体运动步骤,选择斜楔伸缩步进式爬行的方案,进行三维建模,并验证设计方案的可行性。(2)管道清理机器人弯道通过性分析和运动学分析。结合机器人尺寸,分别从理论与仿真上分析90°弯管的通过性,在Adams软件中建立管道清理机器人的数字样机,得到机器人直管和弯管的运动轨迹,前、后支撑组件质心位移和速度,以及主要受力件的受力情况。(3)管道清理机器人静力学特性分析。运用有限元法分析机器人在上升、下降、水平移动、转弯多种工况支撑管壁和推进运动两种状态的静力学特性,分析得出最大应力和变形发生的具体位置,并验证管道清理机器人的刚度和强度符合功能要求。(4)管道清理机器人的结构优化。根据Workbench有限元分析结果,对机器人受力结构进行尺寸优化,得到前、后圆锥外壳以及推进螺母相关尺寸较优值,使推进组件总质量减少了约75.51g,减重比例达到11.60%。在满足刚度、强度的前提下,寻求前圆锥外壳设计空间内最佳单元分布方案,经拓扑优化,前圆锥外壳移除部分材料,在最大变形和最大应力基本不变的情况下,质量减少37.65g,减重比例达到24.04%,轻量化效果明显。通过结构优化,得到了截面合理的结构形状和尺寸,达到节省材料、减轻机器人重量的效果。