管道在输送物料中扮演着至关重要的角色,给人类的生活提供了便利,然而,管道一旦发生泄漏或遭到破坏,对人类生命财产安全造成的危害是不可估量的。为了维护管道安全,提高管道使用寿命,各国学者开展了对管道机器人的研究工作,研制出不同种类的管道机器人,并应用于管道清理、裂缝检测、维修等场合。随着科学技术的进步,管道机器人技术也得到飞速发展。但目前的管道机器人大部分停留在实验阶段,有些应用于实际生活中的管道机器人,也因为能源供给等因素限制了其作业范围。本文结合浙江省公益技术研究社会发展项目——基于捷联惯性导航的深埋油气管道位置探测关键技术研究(项目号2016C33025)的需要,对应用于直径为φ600mm~φ700mm油气管道机器人进行机构设计及运动控制研究。首先,通过分析现有管道机器人的工作原理,依据课题技术指标,设计了支撑式自适应管道的机器人结构,并详细介绍其变径和传动原理。其次,建立了管道机器人在管道空间的运动学方程,分析了机器人姿态偏转问题,列出机器人静力学平衡方程,对机器人通过管道时各行进轮的速度进行分析。再次,采用ADAMS的参数化建模及二次非线性规划算法优化机器人的变径机构,通过对比传动方案,优化了传动机构;借助虚拟样机技术,对机器人的变径范围、行进速度及牵引力进行仿真分析,得到机器人的变径范围可达到φ600~φ700mm,行进轮速度可达到1.196m/min,牵引力为109.0N,验证了设计的合理性。最后根据结构特点,将控制系统分为变径和传动两部分进行设计研究,并研制了第一代实验样机。