本文针对核管道内部人工作业困难的问题,设计了一种大变径模块化管道作业机器人,解决了攀爬大变径的垂直管道和通过直角过渡的T型管道的难题,所适应管径的变化范围为最小管径的0.8倍,同时所适应的弯管最小转弯半径可达到1.5D。并基于本文所设计的管道机器人得出弯管中避免内耗的理论转速,本文所设计的管道机器人采用“模块化”的设计方式,该“模块化”指针对特定的功能设计出独立的模块,且各模块之间可快速拆卸和安装,提高工作效率的同时节约了大量的成本。为了攀爬垂直管,管道机器人需要大于本身自重的牵引力,设计出轮式与履带式相结合的方式完成了动力系统设计;针对管道内部可能存在的焊缝缺陷、异物问题,设计了对应的作业系统;各模块之间利用双十字万向节和快换元器件相连接,实现模块间的快速拆卸和安装,并保证其弯管的通过性;针对管道内部的作业情况,将作业方式分为了六种,并对其进行总装和性能参数的整理;针对所设计的驱动方式分析了楔形角效应、支撑机构的封闭力和转向模块的驱动力。建立了大变径模块化管道作业机器人的物理模型,对其牵引力、模块间的受力关系进行分析,并得出在管道内部发生偏转的原因;针对不同的管道,得出管壁对线缆的摩擦力公式,结合牵引力大小可判断机器人在管道内部的行驶距离;分析了不同管道对管道机器人的几何约束关系,并得出弯管、T型管道的通过性;对管道机器人在管内的运动特性进行分析,得出过渡阶段和转弯阶段时管道机器人的轮与管壁接触点的轨迹,得出机器人转弯时不发生内耗的轮部转速;针对T型管道的几何组成进行讨论,分析了管道机器人通过T型管道的运动策略;分析机器人在管道中的越障能力,得出影响越障能力的因素和提高越障能力的方法。基于虚拟样机技术,对管道机器人的牵引力进行仿真验证,并验证了楔形角增压和弯管中轮部转速与转弯半径的关系;利用管道机器人通过直角过渡的T型管道的策略进行仿真验证,并得出正确性;对打磨机械手在作业时旋转中心的变化量进行仿真,同时针对砂轮的摩擦力大小进行仿真验证;针对吸扫机械手进行轨迹仿真;仿真验证了双十字万向节连接的大变径模块化管道作业机器人在250mm弯管中的通过性。