海洋管道是海上油气田的生命线,海洋管道管外检测机器人可代替潜水员完成海洋管道状态的实时监控和数据反馈,有助于工作人员对海洋管道运行情况的掌握。本文主要进行了海洋管道管外检测机器人的总体方案设计、主要零件的设计与校核、机器人的运动学和力学分析、主要结构的有限元分析以及控制系统的设计与研究,从而完成了对海洋管道管外检测机器人的自主研发工作。本文对海洋管道管外检测机器人的总体方案进行了设计。给出了机器人的总体结构形式和设计参数,并对机器人的水下推进器和电机进行了选型,最后对机器人的越障和过弯管方案进行了阐述。本文完成了海洋管道管外检测机器人主要零件的详细设计与校核。完成了越障装置的弹簧设计与校核,确定了弹簧的材料与结构参数,并进行了疲劳强度校核,静力强度校核。完成越障装置推杆的设计与校核,确定了推杆材料与结构参数,进行了危险截面强度校核、刚度校核以及压杆稳定性校核。完成了蜗轮蜗杆的设计与校核,确定了蜗轮蜗杆的材料与尺结构参数,对蜗轮齿根弯曲疲劳强度进行了校核,并计算了蜗轮蜗杆的传动效率。完成了蜗轮轴的设计与校核,确定了蜗轮轴的材料与结构参数,按弯扭合成应力对轴的强度进行了校核,并对轴的疲劳强度进行了精确校核。完成了蜗杆轴的设计与校核,确定了蜗轮轴的材料与结构参数,按弯扭合成应力校核轴的强度,并进行了刚度校核。完成了越障装置密封舱静密封、越障装置推杆动密封以及涡轮蜗杆轴动密封的设计。本文完成了海洋管道管外检测机器人的运动学和力学分析。论证了本文设计的机器人通过弯管的可行性。对机器人受到的浮力、阻力、摩擦力进行了分析,从而对机器人水下推进器和电机的选型进行了验证,保证了机器人能满足运行要求。本文完成了对海洋管道管外检测机器人主要结构进行了基于Ansys的有限元分析。主要包括:抱爪板地上和水下的静力学分析、减速器与机架壳体水下静力学分析、连接架水下静力学分析、连接架水下静力学分析、电子密封仓水下静力学分析以及机器人整体框架的模态分析。通过静力学分析得到了一系列等效应力云图和总应变云图,验证了各结构件在200m水下深度的可靠性。通过模态分析得到了各阶固有频率和振型图,为避免发生共振提供数据参考。本文完成了海洋管道管外检测机器人控制系统设计与算法研究。选用了 CAN总线作为其分布式控制系统的通讯总线,并对其分布式控制系统进行了总体设计。完成了海洋管道管外检测机器人各子系统的设计与实现。选用自整定PID控制算法作为机器人的运动控制算法,并对相关算法进行了研究。