管道机器人可应用于管道内穿缆、检测等工作,属于特种作业机器人,在国内尚无相关产品投入使用,而国外产品的价格又相当昂贵。根据国内经济建设的需要,研究和开发具有自主知识产权的管道机器人具有重要意义。论文综述了国内外各种管道机器人的发展现状以及现代机器人技术应用的情况,提出了三轮腿式行走机构的管道机器人设计思想,设计了驱动装置、轮腿机构等本体结构,以及机器人的虚拟样机。对三轮腿式机器人进行了力学和运动学分析。从机器人的运动条件入手,重点研究了机器人在弯曲管道内转弯时的角度与行走轮离开管道曲面的距离关系,进而建立了运动学方程。设计了具有空间伸展能力的三轮腿式的机器人行走机构,行走机构的每只轮腿都具有独立的驱动能力,这使得该机器人具有在直管、弯管、歧管道、变径管道等不同管道的通过能力。通过对管道机器人在弯管的不同位置分析,列出了几何约束方程。建立了机器人在弯管不同位置处的数学模型。由于弯曲管道的形体(角度、变形工艺、粗糙度等)多种多样,同时机器人在弯曲管道处的初始姿态角度不同,驱动轮位置不同,使得机器人在通过这些部位时,将受到旋转角度的严重影响。建立的数学模型能够确切地表达机器人与这些部位的关系。该数学模型为管道机器人的弯道导航设计及相应结构设计建立了理论联系。采用虚拟样机技术建立了管道机器人的实体模型并进行了轮腿机构的仿真,为物理样机设计、控制系统设计以及深入研究奠定了基础。