爬壁机器人是移动机器人领域中的一个重要分支。通过在机身上安装设备,爬壁机器人可以完成检测、救援等任务,极大地拓宽了移动机器人的应用范围。但现有的爬壁机器人大多只实现了在壁面上的单方向爬行,尚无法适应更复杂的管道环境。因此,本文拟研究一种爬壁机器人,重点解决其在复杂管道内运行时存在的吸附困难和无法自由爬行等问题,使之能够适应各种复杂管道环境,尤其是在高压GIS设备内进行巡检。首先,为解决机器人在管道内吸附困难问题,针对爬壁机器人在管道内移动可能发生侧滑以及倾倒等失效情况,分析爬壁机器人在静止状态下的受力阈值,得出机器人在稳定运行时所需的最小吸附力。在对比分析基础上,结合流体力学仿真技术,对机器人机械结构进行优化设计,提出采用涵道风扇与仿生黏附垫相结合的结构设计方案。并进一步建立爬壁机器人的三维模型,实现了整体机械结构设计。其次,在爬壁机器人吸附控制算法方面,通过分析涵道风扇动力学结构,得到吸附装置数学模型。分别采用模糊PID与常规PID算法对吸附装置数学模型进行对比仿真研究,仿真结果表明模糊PID算法更适合吸附控制。针对机器人自由爬行控制,分别采用滑模变结构控制算法与常规PID算法对机器人运动学模型进行对比控制研究,仿真结果表明滑模变结构算法更宜于机器人的自由爬行控制。最后,针对爬壁机器人控制系统软硬件进行设计。硬件电路包括嵌入式主控、电机驱动和传感器接口电路等。软件模块主要包含传感器数据采集、控制算法、视频传输和上位机程序等。本文所设计的机器人尺寸为150*80*40mm,重量为345g。在模拟环境下进行了一系列实验验证,主要包括管道适应性能、吸附性能、续航时间以及控制系统性能实验。实验结果表明所研制的爬壁机器人能够实现强吸附和自由爬行,具有很强的壁面适应能力,满足在高压GIS设备内进行巡检的需求。