爬壁机器人将移动机器人技术和吸附技术相结合,通过携带相应的设备能代替人工在极其危险的环境中完成特定的作业任务,在石化行业、造船业、核工业、建筑行业等领域都具有极高的使用价值。本文以石化行业使用的大型储罐为背景,针对轮式磁吸附爬壁机器人吸附力小和履带式磁吸附爬壁机器人灵活性差的缺点,采用足式移动和永磁吸附相结合的方式,设计了一种四足磁吸附爬壁机器人,它具有吸附能力强、负载能力强、机动性好、易于越障等优点。足式爬壁机器人含有空间闭链结构且关节数目较多,其运动学和动力学都比较复杂,因此为足式爬壁机器人建立正确的运动学和动力学模型具有一定的理论深度和研究价值。本文将机器人视为并联机器人,应用空间机构学的相关理论对机器人进行了运动学和动力学分析,为机器人后续的步态规划和控制等研究提供了理论基础。本文主要完成了以下几个方面的工作内容:(1)结合石化行业现场使用罐体的情况分析了爬壁机器人的设计技术要求。从移动方式和吸附方式入手,确定了采用四足磁吸附爬壁机器人的总体结构方案,并对机器人的机械结构进行了设计。(2)建立了机器人运动学数学模型。运用修正的Grubler-Kutzbach(G-K)公式对机器人进行了自由度分析;采用D-H法建立了机器人行走腿的连杆坐标系,分析了行走腿的正逆运动学;将机器人视为并联机构,分析了运载平台的正逆运动学,给出了逆运动学的解析解,并提出了一种基于牛顿法的求解含有冗余方程的数值算法得到了正运动学的数值解;使用Matlab根据所建数学模型编写计算程序,并与Adams仿真结果做对比验证了所建数学模型的正确性;采用空间搜索的方法,利用逆运动学得出机器人运载平台的作业空间,为机器人的步态和路径规划提供了设计依据。(3)推导了机器人的雅克比矩阵。使用求导法和螺旋理论法分别求取了运载平台速度到关节速度的雅克比矩阵,分析了两种方法的特点,并说明了螺旋理论法的优越性;使用基于螺旋理论的雅克比矩阵结合Grassman线几何理论分析了机器人的正运动学奇异性和逆运动学奇异性,验证了一种非冗余驱动时的一种正运动学奇异性,利用逆运动学奇异性说明了机器人的一种无功耗静止位形;使用螺旋理论推导了运载平台速度到各个构件速度的雅克比矩阵,计算了各个构件的速度和加速度,为动力学建模做好铺垫。在Matlab和Admas中速度和加速度仿真结果的一致性表明了计算推导的正确性。(4)使用虚功原理推导了机器人的静力学方程,并结合达朗贝尔原理推导了机器人的动力学方程。四足机器人在冗余驱动时关节驱动力的求解是一个超确定输入问题,需要通过一定的算法对驱动力进行分配,本文根据优化理论提出了驱动力优化分配的二次规划方法,使用最小功率原则计算了关节驱动力,并验证了关节驱动设计的合理性。(5)基于机器人的逆动力学,使用Adams和Matlab联合仿真的方法,在Simulink中搭建了一种前馈式分散PID控制方案,仿真结果表明了该控制方案具有较高的跟踪性能和控制精度,并验证了冗余驱动下动力学求解的正确性。