管道机器人是一种可沿管道内部自动行走,具有一种或多种传感器及操作机械(如机械手、喷枪等),在操作人员的遥控操作或自动控制下,能够进行一系列管道作业的机-电-仪一体化系统。它常用于石油、化工、核工业、城建等多种工程管道的质量检测、焊接、维修等。本文首先对管道机器人的国内外科研进展情况进行较为全面和详实的介绍,指出当今管道机器人的研究及使用中存在的主要问题,阐述研究管道内表面处理机器人的意义,并对管道内表面处理机器人系统结构设计提出具体要求。明确本课题的研究方向。针对课题要求,就管道机器人自适应管径的调节方式,本文阐述蜗轮-蜗杆、升降机及丝杠螺母副三种调节方式的总体设计方案,并做详细的静力学分析,且计算驱动力和移动速度。在保证管道机器人牵引力F_q=125kg的前提下,从结构及性能上对以上三种机构做对比分析,最终确定管道机器人调节机构设计方案,并借助Matlab动力学分析软件进行仿真,找出管道机器人自适应管径的范围。本文设计的管道内表面处理机器人,采用三组SD系列交流伺服电动机与蜗轮蜗杆传动装置,通过控制三组电机顺序协调动作,实现机器人的前进与后退。在实现机器人最终运行速度在80mm/s的前提下,利用Pro/Engineer及AutoCAD-2006软件设计、校核主要的机构,并构建管道机器人虚拟样机,同时研究机器人在管道中运动时的驱动负载受力情况,以及支撑结构适应管径变化的力学调节特性。最后,在分析影响机器人管内运动稳定性因素的基础上,建立机器人管内受限接触力学模型,并尝试将机器人在管内运动的稳定性转化为矩阵及微分代数方程组的解的问题,并通过科学计算软件Maple6.0进行计算以及Matlab动力学分析软件进行仿真,找出机器人在管内运动稳定性的特性。通过本课题的研究,为更进一步开发管道内表面处理所需的重载作业机器人提供理论基础。