管道已成为工业设施中重要运输手段,它们通过焊接进行连接安装,焊缝部位最易出现损伤。因此需利用检测技术发现焊缝的质量问题,并进行磨削修整,使管道运输的安全性得到满足。本文结合中国核工业二三建设有限公司科研项目“管道机器人在管道施工中的应用研究”(项目号:CNEC-CNI23-KY-2015-03),以核工业中多尺寸、大口径厚壁管道内部环焊缝的处理为目标,进行了管内焊缝γ射线无损检测与自动修磨机器人系统的设计与研究,并完成了管道机器人系统样机的制造与试验。以管内环焊缝的无损检测与自动修磨为目标,设计了管道机器人系统的功能载体结构;采用了模块化的思想将系统分为移动单元、检测单元、修磨单元、电控单元四个主要部分。其中,移动单元为整个系统提供管内移动与定位的能力,检测单元对管内指定环焊缝按要求利用放射源进行中心透照或偏心透照,修磨单元完成环焊缝自动打磨,电气控制单元实现对系统工作的规划与控制并反馈图像资料及显示系统的状态信息。以全轮越障为前提,建立了衡量移动单元越障能力的数学模型;分析了决定检测单元射线偏心透照时偏心焦距取值的主要因素,研究了利用所形成的透照影像信息计算焊缝缺陷特征值的方法;最后,推导了修磨单元磨削力的数学公式。基于管道机器人系统后期具备弯管内运动能力的技术要求,进行了移动单元三轴差速机构的研究。对两自由2K-H行星轮系进行了构型综合,并得到了满足差速要求的多种构型;分析了各构型传动方程并揭示了机构具有最大输出力矩的构型条件。绘制了输出力矩最大的轮系在工作中的功率流向,计算了该轮系在两种工作状态下的传动效率。根据理论研究建立了三轴差速机构的实体模型,并与现有的该类机构进行对比分析。建立了管道机器人系统的三维实体模型,并对移动单元的牵引能力与越障性能进行仿真分析,明确了系统结构设计与理论分析的合理性。据此,制造了机器人系统样机,并开展了该系统爬行能力的试验研究,证明了管道机器人系统具有可靠的管内爬行能力,基本性能指标满足设计要求。