管道是天然气、水等重要物质的运输通道,其给国家带来了巨大的经济效益,并极大地方便了人们生活。但管道在使用过程中往往受到内部流体和外部环境的影响,使其存在老化、泄露等隐患,因此,对管道定期检测是提高其可靠性和延长使用寿命的基础。随着管网的建设和机器人技术的发展,机器人检测技术因具有高效、准确等优点,克服了传统检测方法的不足,此外,全方位移动平台提高了机器人在狭小空间的工作能力,因此,适应管内环境的检测机器人得到了广泛研究与应用。但其在应对复杂管道环境时还存在一些问题,为解决这些问题,本文设计了一种基于曲面全方位轮系的管道机器人,并分析了其在管内的运动机理。本文主要研究内容如下:1.基于TRIZ中“有害转化为有益”的发明理论,通过切割球体表面,增加自由转动辊子的方法,将车轮滑移转化为了被动越障能力,设计了一种曲面全方位移动轮系。在力学层面上,该全方位轮将滑动摩擦力转化为滚动摩擦力,从而建立了曲面滑移和被动越障之间的联系。然后,采用空间曲面点接触运动学对全方位轮在不平曲面上的运动状态进行了分析,并建立了其在管道曲面上的运动方程。2.应用虚位移原理建立了封闭力与轮腿收缩角之间以及管径自适应能力的数学模型,并在Matlab中利用曲线图表明其变化趋势。为保证封闭力稳定并提高管径适应能力,采用遗传算法中的权重系数变换法建立了自适应管径机构的评价函数,并采用多维无约束优化方法中的坐标轮换法对影响其性能的设计参数进行了优化。最后,在ADAMS中对管道机器人适应管径过程中封闭力的变化进行了验证。3.分析了管道机器人平台的运动性能,建立了其通过圆弧弯道和T形管道以及姿态调整能力的数学模型,然后,采用ADAMS软件分别建立仿真模型,对其在转弯和姿态调整过程中的运动能力进行验证。4.通过数学建模,分析了管径变化、弯管、管内障碍对管道机器人结构和运动的约束,并对比不同行走方式的优劣,从而确定本文所设计机器人的行走方式;采用模块化设计方法,对被动自适应管径机构、机器人转弯方案和被动越障轮系进行初步研究,最后,建立了曲面全方位管道机器人整体结构方案,并加工了样机。