管外爬行机器人主要功能是携带相应设备在管壁上作连续或间歇爬升运动,它不仅可以用于小管径工业输送管道、生活用管道,还可以应用于斜拉桥缆索、圆柱型桁架结构的检测、维修或喷涂等作业,因此具有广阔的应用前景。本文设计的管外壁爬行机器人采用轮式驱动、重力自锁抱紧的方式,机器人能自适应负载重力变化和管径变化,通过两个驱动轮的速度差可实现机器人在管壁全方位爬行。PGR-Ⅲ型爬管机器人的驱动机构采用双倾斜驱动轮对称安装在底座上,可以根据不同管径调整驱动轮的安装角度和倾斜角度,通过对机器人整体的静力学分析,建立了机器人在管壁上自锁的平衡方程,推导了机器人爬升时驱动力大小,选择了合适驱动电机。通过对抱紧机构的力学分析,进一步推导了抱紧机构调节弹簧的预紧力和抱紧轮正压力关系,为爬管机器人的动力学仿真奠定理论基础。在理论分析的基础上,本文通过Solid Works软件完成了机器人本体的三维建模和虚拟装配,并对主要零部件进行了有限元分析和优化设计。本文在ADAMS/View中建立了爬管机器人的虚拟样机模型,对机器人进行动力学仿真分析。首先通过机器人的自锁性能的参数化设计研究,对机器人系统重心、调节弹簧预紧力和安装角度进行优化。其次对机器人竖直爬升性能、螺旋爬升性能进行仿真分析,得到机器人在爬升过程抱紧轮和管壁的接触正压力变化和系统重心位移、速度、加速度变化曲线,最后对机器人适应管道弯曲和管径变化情况进行仿真,仿真结果表明:机器人能够稳定的自锁,有效的完成爬升任务,并对复杂管道具有良好的自适应性。论文最后对爬管机器人的控制系统要求进行了分析,设计了控制系统的硬件平台和控制策略,并对控制系统进行ADAMS和MATLAB联合仿真,仿真结果表明采用模糊控制理论能实现机器人系统对管径变化自适应地调整驱动力和抱紧力大小,使机器人顺利越障或者停止运动。