管道运输已经广泛应用到国民生产，“三高”原油长距离管道输送中由于原油流动性差通常采用平行直导热管式加热炉加热输送，但由于燃烧控制不佳而导致的导热管结焦会严重影响热交换效率，本文在比较国内外管道作业机器人的结构和功能的前提下，设计了一种翻转式炉膛清扫机器人，适应加热炉内导热管平行分布且在管道间没有连接的特殊结构，能在平行管道间有完全借助自身的结构实现绕管道翻转换道和沿着管道行进，可用于平行直管加热炉炉膛内管道的自动清灰，将工人从高粉尘的恶劣清扫工作环境中解脱出来，大大降低了工作强度。本机器人包括行走机构、清扫机构和翻转机构三个模块。行走机构为轮式结构，包括夹紧和放松两种工作状态，夹紧状态时保证机器人的可靠定位及移动所需的力的支持；放松状态则为环管道翻转运动提供方便，不产生额外的翻转阻力，由于两种状态需要频繁转换，采用力封闭的支持方式提高转换的灵活性和可靠性。清扫机构从刷丝自身相关参数、刷子的操作参数等方面对影响刷子清扫效果的因素进行了讨论，以定量控制接触压力和清扫速度等因素，实现机器人的清灰面积率达到85%以上。翻转机构利用摩擦力实现环管道运动，采用双主动轮并联驱动方式的解决方案，克服了皮带打滑，并从动角特性和伸长量特性定量分析方案的有效性。本文对行走、翻转、清扫等主要工作状态进行了受力分析，为合力排布驱动源、优化控制系统结构及其适应性提供了基础。针对机器人出现的故障和问题，分析故障原因，并进行了优化和改进，经实验验证，证实了改进方案的有效性和冗余性，基本具备了自动清扫平行直导热管式加热炉的能力，可应用于实际生产中。