管网是天然气、石化和核工业等重要领域的基础设施,而管道机器人是实现管网智慧管理必不可少的设备。现有的轮式、腿式、履带式管道机器人,很难在输送腐蚀、易燃介质或直径较小的特种管道环境中工作,而动力系统完全密封、结构紧凑的惯性管道机器人更具优越性,研究具有高移动能力的惯性管道机器人对极端管网维护具有重要意义。为了提升惯性管道机器人的移动性能,提出了两种非圆齿轮驱动的双质体惯性管道机器人,并阐明了两种机器人的机构原理与行走机制。针对其内部非对称惯性激振系统,设计了一种新型的变速非圆齿轮,并且讨论了非圆齿轮为凸形的边界条件。为了研究机器人的移动规律,建立了干燥管道环境中两种管道机器人的两自由度动力学模型。分析了非圆齿轮不同阶数、系数以及相位角对管道机器人移动性能的影响。进一步,对两种类型机器人的动力学行为进行定量分析,解释了关键设计参数对移动性能的影响规律,发现如下结论:对于惯性管道机器人,平均移动速度随着电机转速、连接弹簧刚度的增大先增大后减小再增大,随着非圆齿轮偏心率的增大先增大后减小;对于冲击管道机器人,随着非圆齿轮偏心率以及电机转速在每个区间上增大而增大,随着碰撞间隙的增大而减小。通过对比,得出了双质体冲击管道机器人移动性能更好的结论。最后,设计并试制了双质体冲击管道机器人试验样机,测试了冲击管道机器人在不同转速下的平均速度,并与理论数值进行对比,二者整体的变化趋势相符,试验结果表明理论分析与试验基本吻合,从而证明了利用偏心块激发非对称惯性力和碰撞冲击提高机器人移动性能的可行性,同时验证了双质体冲击管道机器人动力学模型的正确性。