随着现代工业的快速发展和人们日常生活的需要,在城市和工厂的各个角落都安装使用着大量的管道。特别是近现代,管道作为一种重要的物料输送设施,给人们的生活和生产带来了极大的便利,因此得到了更为广泛的应用。随着管道使用年限的增长,需要定期对管道质量状况进行检测与维修。但是大量管道系统受到空间的限制或者安装的特殊环境要求,无法直接进行检测与维护。对于这样的管道,传统的检测维修方法造成了资源的巨大浪费。于是管道机器人代替人工进行管道的检测维修能够大量节省管道的维护管理费用和减少管道材料的浪费,具有重要的现实意义和社会实用价值。相对于很多传统的管道机器人,本文提出的管道机器人结构形式具有一定的新颖性,打破了传统小型管道机器人需要采用小型驱动装置的一贯思路。本文将驱动单元与机器人功能单元分离,让驱动单元安装在管道外部,通过弹簧将两部分连接在一起。这样的结构形式使得驱动电机尺寸不受管道管径大小限制,可以选择功率较大的电机,从而提高机器人的工作效率。本文从机器人的运动原理、弯道通过性、管内障碍物通过性和管道自适应机构四个方面进行了管道机器人系统特性研究。1.管道机器人运动原理阐述了本文提出的管道机器人结构形式的工作原理；2.机器人的弯道通过性研究建立了管道机器人功能单元体的尺寸约束条件、行走轮的运动轨迹方程和管道机器人匀速运动的平衡方程；3.机器人管内障碍物通过性研究,通过建立机器人翻越障碍物的力学模型,建立了预紧弹簧劲度系数κ和轮子与管壁距离x之间的关系方程；4.通过对常见的几种管道机器人自适应机构的结构形式、工作原理作及适用场合作对比,同时分析各自的优缺点,确定机器人采用弹簧升降调整机构。对管道机器人单元体进行了虚拟样机仿真研究,通过ADAMS运动学仿真软件,建立管道机器人功能单元体简化虚拟样机模型以及管道模型,通过仿真分析来验证机器人系统的一些特性。1.机器人单元体过弯姿态仿真研究,通过测量各个行走轮的受力变化和弹簧作用力的变化来评价不同过弯姿态参数下机器人的弯道通过性能。得出当姿态参数ψ=90°时,机器人单元体具有最佳过弯性能；2.管道机器人变径管道移动仿真研究,通过对三种不同参数变径管道进行仿真分析,确认机器人单元体能够在变径管道内顺利移动；3.机器人单元体翻越管内凸台障碍仿真研究,验证了机器人单元体能够翻越一定厚度的障碍物,并且在一定条件下,减小弹簧的刚度系数能够增强越障能力。同时,对管道机器人进行了结构设计、整机装配调试以及控制系统硬件连接安装,并且根据机器人控制系统的功能要求,在Windows系统环境下,采用Visual C++ 6.0工具,将控制系统的视觉监视功能、驱动电机的控制和机器人在管道内位置的实时反馈三个功能集成在一个窗口界面上,使得用户使用更加方便快捷。本文对管道机器人系统进行了深入研究,设计开发了管道机器人样机及其可视化控制系统软件,并且经过验证样机符合技术指标要求。