受应用环境及工作空间限制,工人无法直接对煤气管道进行检修维护作业,管道容易发生腐蚀、破坏,一旦煤气泄露将会带来生命财产损失及环境污染等为题。作为管内智能移动的平台,管内机器人可携带各种传感器、检测仪器和维修装置,定期对管道进行检修与维护工作,延长管道使用寿命,具有良好的应用前景。本文在深入分析管内机器人国内外发展现状及工作原理基础上,应用虚拟样机仿真技术及可靠性工程理论,完成了机器人驱动单元的设计、研究与分析工作。根据机器人性能指标要求,对机器人驱动单元与检测单元进行了机构设计。在查阅相关文献及分析现有机器人基础上,结合具体管道环境及检测作业要求,确定了轮式驱动及无缆作业方式,设计了弹簧——丝杠螺母副混合预紧变径机构、弹簧缓冲机构及行走机构,使机器人具备环境自适应性,避免了刚性冲击,可应用于内径为Φ270mm~Φ380mm的煤气管道。设计采用了差速转向驱动方式,使机器人具备主动转向能力。对丝杠螺母副进行了力学特性分析,并得出其工作特性曲线。建立了管道约束方程,对机器人在管内运行时的运动特性及力学特性进行了分析研究,分析并讨论了机器人在管内运行时受到的各种阻力,结果表明牵引力满足要求。运用Pro/E建立了机器人驱动单元三维样机图,通过接口模块Mechanism/Pro实现了对机器人驱动单元在管内的基于Pro/E与ADAMS的联合动力学仿真,得出驱动轮直径与机器人牵引力、弹簧预紧力与牵引力等关系曲线,实现了弹簧预紧力、弹簧刚度系数、丝杠导程等参数的设计研究。基于故障树分析理论,对机器人驱动单元进行了可靠性分析及研究。建立了驱动单元结构故障树及其数学模型,对最小割集进行了定性和定量两方面分析,找出影响系统可靠性的关键薄弱环节,为机械结构设计及物理样机研制提供理论依据,奠定实用化基础。