管道运输作为五大运输方式之一,依靠其运输量大、占地面积小、连续性强、建设周期短、相对安全可靠、耗能低、效益好等优点被广泛应用于石油、天然气、生活用水等工业领域和生活生产中,给人类生活提供了便利。近年来,管道问题日益凸显。采用管道机器人进行检测可提高检测效率。传统管道机器人在实际生产的工程化应用中依然存在一些不足的地方,比如管径适应性较差、驱动效率低下、过弯产生运动干涉、越障能力不足、控制难度大、续航能力不足等问题。针对传统管道机器人存在的不足,本文设计了一种具有自适应能力的新型管道机器人,完成了管道机器人本体结构设计、运动分析、性能分析。论文的主要研究内容包括以下几个部分:首先,本文基于设计要求,提出了总体方案。接着采用模块化的设计思想,将管道机器人按功能分为六个模块。分析结构设计中的微小型化、高效驱动性、管径适应性、弯管无干涉通过性等问题,通过分析比较各模块不同方案的特性,完成了管道机器人本体结构设计及优化,改善了机器人的各项性能,有效地解决了传统管道机器人存在的问题。其次,为实现管道机器人柔顺过弯、避免运动干涉,将三轴差速原理引入管道机器人中,首先分析和计算了传统驱动方式下的功率损耗,接着分析了三轴差速单元的工作原理。为了定量评价机器人的过弯时的自适应能力,对四个关键姿态角下各驱动轮速度关系进行了分析和计算;为了定量评价机器人的传动效率,建立机器人在弯管处传递效率的理论计算公式,并得到机器人传动效率的主要影响因素。最后,通过建立力学模型,研究了其力学特性,得到了正压力、封闭力、弹簧预紧力和最大牵引力的计算公式,分析得到了机器人相关参数与各种力之间的关系。针对越障问题,通过建立数学模型,分别研究了单轮越障和多轮越障的情况,得到了机器人最大越障高度Hmax的计算公式,分析了Hmax与机器人相关参数的关系和主动避障策略,绘制了了避障策略流程图。在此基础上,对不同位姿角下机器人通过性进行了分析,通过计算得到了驱动轮的转速比值与机器人所处的姿态的关系。建立了软轴跨距之间的关系模型,分析了连接软轴的运动失稳现象,通过近似模型分析,得到了其在直管和L型管中的失稳临界条件。结果表明,本文设计的管道机器人具有高效驱动能力、较好的弯管和变径管通过性、越障能力,其基本性能指标均已达到设计要求。