当前管道运输作为一种高效、安全、环保的物资输送方式被人们所广泛应用。管道在使用过程中不可避免的出现老化、腐蚀、开裂等问题,为了满足对管道进行维护和检测的需求,管道机器人随之产生,它广泛的应用于管道内部清理、异物探测、缺陷探伤等诸多方面。随着管道的应用领域的不断拓展,对管道机器人管内作业的要求也逐渐提高。因此设计环境适应性强、驱动效率高、运行灵活的管道机器人成为机器人研究的一个重点。为了实现机器人在管道内部的高效作业,设计了一种采用单电机进行驱动并具有自主差动特性和自适应变径特性的管道机器人系统。管道机器人采用差动式速度输出结构,使机器人在弯管中行进时,可以经由差动机构自主调节各个驱动轮的转速,进而消除驱动轮与管壁之间由于位移差所产生的相对滑动;机器人将外部支撑轮与弹簧机构相配合,组合成可变径的机械结构,当机器人在管道内部运行中遭遇障碍物或有一定尺寸的管径变化时,机器人能够利用变径机构来适应外部环境的改变。机器人拥有的六个轮子,采用前三轮辅助支撑、后三轮驱动的配置方式同时作用于管壁,进而保证机器人在不同结构类型的管道环境中作业的稳定性。本文通过对机器人结构的分析,理论推导管道机器人变径机构工作状态受力方程,得出机器人运行时驱动轮与管道内壁之间的力学关系。构建机器人在管内的运动位姿模型,研究机器人在不同位姿条件下通过弯管时的整体运动特性和内部传动特性,得出模型运动过程中驱动轮角速度与其他变量之间的对应关系。分析各个差动轮系输出轴之间的力矩关系与转速关系,进而说明差动式自适应管道机器人通过弯管时能够实现相应的自主差速,并且没有寄生功率产生。运用三维设计软件完成差动式自适应管道机器人的三维实体设计,进行结构的合理性分析,使用机械动力学分析软件建立机器人在弯管和变径管中运行的虚拟样机模型,通过仿真分析对机器人的自主差动特性和自适应变径特性进行验证。说明理论推导及结构设计的正确性。