城市燃气是城市能源结构的重要组成部分。随着清洁能源的广泛使用和城镇化建设步伐的加快,城市燃气迎来了发展的黄金时期。城市燃气管道作为城市燃气的主要输送载体,由于使用年限增加以及物理、化学因素破坏等原因,其使用安全性正面临着前所未有的挑战。因此亟需开发一种适用于我国燃气管网的智能载体,对管道进行定期检修作业。本文总结和分析了国内外现有管道机器人的特点。支撑轮式管道机器人具有运动效率高、管道适应能力强、易于携带检测仪器等优点。因此,本文选用支撑轮式管道机器人作为设计蓝本,优化设计了一款用于搭载CCD摄像头和电磁超声检测设备的燃气管道机器人。机器人整体采用模块化结构,通过二自由度转向关节将两个驱动模块和一个中间转向模块串联,有效改善了机器人的负载能力和管道适应能力。同时通过理论分析和仿真实验相结合的方式重点分析了变径机构动力特性,并设计实现了机器人关键机构、组件。对于机器人零部件的优化设计引入了多学科优化理论,通过试验设计分析理论确定了行走轮架的关键结构优化参数、采用二阶响应面回归模型分析了行走轮架的质量、最大等效应力及固有频率的空间特性,最终通过多岛遗传算法和序列二次规划法的组合算法完成了行走轮架的轻量化设计。论文还研究了模块化机器人的管内运动特性,基于刚体运动学理论建立了机器人在受限管道空间内运行的动力学方程及模块化机器人在弯道处各行走轮的理论速比,为机器人运动控制提供了参考。根据优化设计结果,本文加工了一台机器人样机,并对样机进行了行走轮速度测试、变径机构变径范围标定、转向关节转角标定、牵引力测试及机器人管内运行等实验。对实验数据的分析结果表明,设计优化后的机器人达到了预期设计指标,相比一代机器人功能更加完善、管道运行更加平稳。