管道作为油气资源的重要运输方式之一,已经发展了近百年。改革开放以来,我国已形成遍布全国并连接国外的油气输送管网,其中陆上长输管道约12万公里,城镇油气输配管道长达60万公里。目前,我国在役的长输油气管道有80%进入了事故多发期,高频次的管道泄露和爆炸事故带来了巨大的经济损失。因此,开展管道缺陷检测是消除安全隐患、实施管道完整性管理的重要手段。目前,大直径长输管道已采用智能管道猪进行管内检测,而小尺寸的城镇油气输配管道尚缺乏合适的管内检测设备。城镇人口密集、油气管网分布复杂,油气输配管道若存在安全隐患,则可能诱发灾难性事故。为确保城镇油气输配管道的安全运营,避免灾难性事故的发生,开展适用于城镇油气管道检测、维护的装备意义重大。为此,论文提出了系列螺旋管道机器人,并开展了该类机器人的基础理论及关键技术研究,主要研究工作包括以下几个方面:(1)开展了螺旋管道机器人的工作原理研究。阐明了螺旋管道机器人的概念,分析了该类机器人的结构组成。根据驱动轮的驱动方式,分别对主、被动螺旋管道机器人的工作原理进行了论述。重点研究了螺旋管道机器人驱动螺旋角的问题,给出了驱动螺旋角定义并建立了驱动螺旋角与管径、机器人结构参数的关系模型,该模型是揭示管道机器人工作机理的重要理论基础。(2)研究了螺旋管道机器人运动行为。建立了螺旋管道机器人通过直管与弯管的运动学模型,研究了螺旋管道机器人过弯的影响因素,提出了变螺旋角过弯理论及其实现方式。分析表明,管道机器人过弯采用变螺旋角方式内耗更少、运动更平稳。建立了螺旋管道机器人越障运动学模型,对主、被动螺旋管道机器人越障进行了对比分析。研究表明,主动螺旋管道机器人具有良好的越障性能。研究结论为后续机器人的结构设计和样机开发提供了理论依据。(3)研究了螺旋管道机器人力学行为。建立了螺旋管道机器人牵引力分析模型,并开展了螺旋管道机器人牵引特性的仿真分析。通过理论建模与仿真分析,验证了牵引力分析模型的正确性和有效性,并揭示了螺旋管道机器人牵引力随螺旋角变化的规律。此外,开发了一种新型蠕动式螺旋管道机器人,开展了该类机器人的速度控制模型研究,提出了速度按正弦变化的运动规律,研究了在正弦变化规律下蠕动式螺旋管道机器人的牵引特性。(4)完成了螺旋管道机器人的结构设计。结合螺旋管道机器人运动和动力性能的要求,开展了螺旋管道机器人传动系统、支撑系统和控制系统的原理设计和结构设计。在上述研究的基础上,结合行星轮传动的思想,将驱动轮与管道融合构成行星传动系统,实现了主动螺旋管道机器人、模块化主动螺旋管道机器人的结构设计。针对被动螺旋管道机器人易打滑、越障性能不佳等缺点,提出并研制了新型履带式螺旋管道机器人。基于仿生学原理,模拟蠕动生物的运动,提出了蠕动式螺旋管道机器人,研制了模块化蠕动式管道机器人样机。(5)开展了螺旋管道机器人实验研究。对所研制的系列螺旋管道机器人进行了牵引力特性实验研究,揭示了螺旋管道机器人牵引力与螺旋角的变化规律,展示了主动螺旋管道机器人相对于被动螺旋管道机器人性能上的优势,验证了螺旋管道机器人牵引力分析模型的正确性。开展了变螺旋角过弯理论的验证实验,研究表明了变螺旋角过弯理论的适用性和有效性,体现了变螺旋角螺旋管道机器人具有良好的过弯性能。(6)开展了螺旋管道机器人应用研究。结合螺旋管道机器人的工作特点和性能优势,提出螺旋管道机器人在管道检测、维护等方面的应用优势。重点开展了螺旋管道机器人在管道测量领域的研究,提出了螺旋测量方法,开发了螺旋测量装置,在此基础上进行了仿真分析与实验研究。研究表明,螺旋管道机器人用于管道螺旋测量具有可行性和优越性。通过论文的研究,建立了螺旋管道机器人牵引力分析模型,提出了变螺旋角过弯理论、主动螺旋驱动理论和螺旋测量方法,形成了螺旋管道机器人的力学行为和运动行为分析方法,研制了系列螺旋管道机器人样机并展示了该类机器人在管道作业中的优越性。研究成果为管道机器人领域提供了新的理论和方法,所研制的管道机器人在管道检测与维护领域具有良好的应用前景。