随着现代工业的快速发展以及人们日常生活的需要,在城市和工厂的各个角落都安装使用着大量的管道。其中,排水管道的应用更是给人们的生活带来极大的便利。然而随着地下排水管道系统的发展,排水管道的一些问题也逐渐凸现出来。尤其是管道内部淤积甚至堵塞这一问题,严重影响着居民正常生产生活。因此针对解决排水管道清淤问题,提出一种管内行进速度快、提供牵引力大、管道自适性强、运行稳定可靠的管道清淤机器人,具有重要的理论意义和实用价值。本课题依据设计工况条件,设计出了一种适用于500mm管径的管道清淤机器人轮-爪式行走装置。本文主要对管道清淤机器人轮-爪式行走装置的整体方案设计、轮式行走机构、卡爪式推进装置步进单元机构、卡爪式推进装置卡爪夹紧机构进行研究,通过对各组成部分的深入研究,为动力匹配、弹簧系统设计等提供依据,为获得更好的工作特性打好基础。首先,通过查阅管道清淤相关规范,确定管道清淤机器人行走装置的工况,明确排水管道清淤机器人行走装置的设计要求,得到行走装置性能指标参数。通过对国内外现有研究的对比,设计一种管道清淤机器人轮-爪式行走装置。轮-爪式行走装置是由轮式行走机构和卡爪式推进行走装置复合而成的行走装置。轮式行走机构带动机器人在阻力不是很大的情况下行走,具有速度快的优点;卡爪式推进行走装置是在阻力较大的情况下工作,具有大推力的优点,两者结合应用,能适应不同的工作环境,提高工作效率。然后,对轮式行走机构的变径弹簧系统弹簧预紧力和前进动力进行研究。根据工况条件,采用理论建模方法,对选定轮式行走机构进行受力分析,得到轮式行走机构的前进动力和驱动电机转矩之间的关系、前进动力和变径弹簧系统的弹簧预紧力之间关系,选择了驱动电机和预紧弹簧。基于ADAMS动力学仿真软件,对轮式行走机构的工作性能进行仿真分析,验证了轮式行走机构满足预期工作要求,确定了驱动电机和预紧弹簧选择可行。接着,对轮-爪式行走装置中推进行走装置的步进单元机构进行了静力学和动力学研究。采用理论建模的方法,对选定的步进单元机构进行受力分析,得到步进单元中滚珠丝杠副的转矩和转速,进而选择了滚珠丝杠和驱动电机。基于ANSYS Workbench的静力学仿真软件,对滚珠丝杠副进行仿真分析,得到滚珠丝杠副的强度、刚度等力学特性,验证了滚珠丝杠副的选择满足工作要求。基于ADAMS动力学仿真分析软件,对步进单元滚珠丝杠副进行动力学分析,得到步进单元的运行速度和加速度,分析了其工作特性,进而验证了滚珠丝杠的选择满足预期设计要求;对丝杠螺母接触限位板的碰撞力进行仿真分析,结果发现碰撞力过大,因此对限位板进行了优化改进,优化改进后效果明显。最后,对推进行走装置的卡爪夹紧机构进行静力学和动力学研究。采用数学建模的方法,建立卡爪夹紧机构的运动学模型和静力学模型,得到卡爪夹紧机构的工作空间范围、运动特性、夹紧力大小,确定了电动推杆行程、伸缩速度以及推力大小,进而选择了电动推杆。基于ADAMS的运动学仿真分析,得到了卡爪夹紧机构张开和收缩时的运动特性和工作空间范围,验证了卡爪夹紧机构的工作空间范围和运动特性满足预期的设计要求,电动推杆行程、伸缩速度选择合理。基于ADAMS动力学仿真分析,得到卡爪夹紧机构的夹紧力大小,验证了卡爪夹紧机构提供的夹紧力满足预期的设计要求,说明电动推杆推力大小选择合理。为避免因为构件碰撞造成的机构故障,得到卡爪夹紧机构的接触头在触碰管壁的瞬态下的碰撞力,结果发现碰撞力过大,故而对卡爪接触头进行了优化改进。基于ANSYS workbench静力学仿真分析,得到卡爪夹紧机构的应力、应变、总变形参数,验证了卡爪夹紧机构各构件的设计满足预期强度、刚度设计要求。