煤矿矿井下含有大量的积水需通过排水管排出。矿井水中含有较多的悬浮物和盐成分,排水管路经过一段时间的运行,悬浮物质会在管道内壁上沉积形成结垢,导致管径减小,造成管壁腐蚀,从而影响排水作业效率,同时给安全生产带来隐患。因此定期检测、清理和维护排水管路是确保煤矿排水系统安全、高效运行的关键环节。煤矿主排水管路内部结构复杂,环境恶劣,空间狭窄,不适合人工维护和清理。因而,研制适应在该类型管道内运动,可携带水射流喷头的移动爬行机器人完成管路的清理和维护具有重要意义。本文在河南能源化工集团焦煤公司的资助下,开展煤矿主排水管路除垢爬行机器人机构的设计和研究。通过调研发现,在管内进行清理作业需具备两种能力:(1)、能够在立体管路中运行,可通过弯管或L型管,具备主动转向的能力;(2)、具有清理作业中大牵引力,与管道内壁摩擦力大、移动平稳的能力。本文开展新型管内爬行机器人的机械结构设计、力学分析、机构性能分析、运动学和动力学分析,然后完成样机系统的搭建和实验分析。论文的主要研究内容包括:1)在查阅文献资料的基础上,分析不同种类的管内移动机器人的运动方式和驱动原理,结合排水管路除垢作业的实际要求,确定了适合排水管环境机器人的运动和驱动方式。提出一种新型仿尺蠖蠕动爬行的运动结构。为使机器人具有管径自适应的稳定支撑能力,提出一种由液压缸驱动的滑块式变径夹持机构,当管径或管道截面形状改变时,可确保有效的稳定支撑。该支撑机构结构紧凑,具有较高的强度。此外,基于旋量理论和机构型综合法,提出一种以UPR+2-SPR构型的具有两个转动自由度和一个平移自由度的并联机构作为机器人的中部腰部关节。该腰关节使机器人具有轴向伸缩和径向转动的运动能力,可以扩展机体的运动空间和提高牵引力,并使机器人具有主动转向功能。应用旋量理论分析了该并联机构在不同位型时的约束螺旋系、自由度以及转轴的方位,结果表明该机构的自由度不会随位型而改变,自由度具有全周性。2)应用矢量法建立了腰关节并联机构平台位姿与驱动支链的长度关系,推导了正向和逆向运动学模型。采用Sylvester Dialytic Elimination方法分析了机构驱动支链输入位移与平台输出位姿的关系,通过正反解的相互验证,得到解析法计算的输出位姿与给定值一致,验证了运动学模型的正确性。根据机构的几何约束和速度传递关系,构建了速度解耦与速度约束矩阵。利用推导的输入和输出速度雅克比矩阵,分析了奇异性问题并给出发生奇异的条件。以运动学为基础,应用搜索算法求解该机构的工作空间,获得不同结构参数对应的工作空间云图,分析了结构参数对工作空间的影响。其次,求解了该机构的灵巧度和静力承载性能指标,探讨了性能指标与结构参数的关系。3)建立了机器人机械本体的静刚度模型,提出一种计及构件重力、关节反力及弹性的刚度建模方法。基于该方法的模型表征了机体外力及构件重力与关节反作用力的映射关系,同时建立了考虑构件重力和弹性的关节变形模型,结合各构件的刚度模型得到机体静刚度模型。基于上述模型可求解重力和外力作用下的机体变形在运动空间内的分布结果,分析不同构件重力对变形的影响程度,为设计提供理论依据。4)基于坐标齐次变换矩阵,构建了机器人运动过程中的整体位姿模型。应用旋量互易理论和李代数se(3)的Klein型运算,研究了腰关节并联机构各刚体的运动变换关系。根据D’Alembert’s原理,得到各运动构件的受力模型,应用旋量理论和虚功原理推导了腰关节机构的动力学方程。对腰关节并联机构的运动学和动力学进行理论和仿真分析,得到机构运动过程中驱动力的变化曲线,理论计算与仿真模拟结果一致,验证了所建模型的正确性。旋量理论可从整体上描述系统中刚体的运动,其互易积可独立于坐标系,具有不变性。应用旋量理论进行运动学和动力学分析,建模过程简洁,编程容易,适合多刚体系统的分析。此外,示出了机器人运动时夹持单元与管道内壁呈现的不同接触状态,分析不同状态下夹持机构的动力学特性。结合腰部关节和夹持单元的动力学分析结果,得到机器人蠕动运动时的整体动力学模型。基于虚拟样机技术,建立机体的三维模型,对弯管和直管的运动过程进行仿真,得到了机器人通过直管和弯管时驱动支链位移、速度及驱动力的变化曲线,另外通过仿真验证结构参数的合理性,结果表明机器人在管内运动平稳,无侧倾和翻滚等现象。5)根据前述机构性能分析、运动学和动力学的分析结果,并结合设计要求,完成了排水管道清理机器人的机械本体结构、液压驱动系统和控制系统的设计和搭建。对样机进行运动学和动力学试验,得到腰关节并联机构中液压油缸的位移和驱动力变化曲线,将实验数据与理论计算和仿真模拟结果做对比分析。