对于铁磁材料壁面而言,磁吸附爬壁机器人的吸附能力优于其它吸附方式,且具有节能、不发热、无噪声、结构简单、安全可靠、成本低等优点,广泛应用于核工业、石化工业、电厂、造船业等行业中,执行制造和维护等特殊任务,并逐步替代人从事危险作业,因此,有着广阔的应用价值,并一直受到国内外各种研究机构的广泛关注。磁吸附单元是磁吸附爬壁机器人可靠吸附的核心部件,目前,对其存在的两方面的问题一直是研究的热点和难点：一是如何合理地设计最佳磁路以提高永磁利用率；二是怎样解决吸附力大而卸载难的问题。本文以永磁吸附单元为研究对象,以磁吸附爬壁机器人为研究背景,对最佳磁路结构的设计、数学模型的建立、优化分析以及实验研究等进行详细的探讨,旨在为解决上述两个问题和推动爬壁机器人的发展提供理论依据和实验基础。首先,针对应用背景提出一种非接触式磁吸附轮式爬壁机器人的基本结构方案,该机器人具有如下三个方面的特点：永磁吸附结构简单,且具有可靠的吸附性能；非接触吸附方式能够减小爬壁机器人的运动阻力,相应地增加其运动灵活性；轮式移动结构简单、运动灵活、控制容易。基于该模型对爬壁机器人附壁运动规律进行理论和仿真分析,研究爬壁机器人可靠吸附时磁吸附单元所需的最小许用吸附力和设计合理的磁吸附单元的总体要求。其次,根据最小许用吸附力和总体设计要求,同时基于聚磁技术和爬壁机器人磁吸附单元磁路结构必须满足的要求,并针对目前Halbach阵列的优点及研究中存在的问题,提出一种基于Halbach直线型阵列的新型磁吸附单元的基本结构。新型磁吸附单元由直线型Halbach永磁阵列、适量软铁和中心旋转轴组成。阵列弱磁侧和两端放置少量软铁作为磁轭改善其弱磁侧磁场非零和端部效应问题。当阵列强磁侧或弱磁侧与导磁壁面正面接触时分别产生“吸附”状态和“卸载”状态,这两个状态之间的转换通过中心旋转轴由电机驱动来实现,从而改变磁吸附力。第三,为了充分考虑材料的属性和漏磁因素,运用有限元法建立新型磁吸附单元的磁场模型,研究磁吸附单元的磁轭结构参数、阵列单波长分段个数和阵列结构尺寸对磁吸附性能影响的规律。通过与纯直线型Halbach阵列、传统永磁排列方式和变磁力吸附机构的比较分析得出新型磁吸附单元结构的磁性能优势。第四,针对求解磁吸附单元多目标优化问题的目的和免疫遗传算法的缺点,提出一种改进的多目标免疫遗传算法(MOIIGA),并运用MOIIGA算法对磁吸附单元进行了优化分析,得到了优化结构参数。最后,对磁吸附单元的空间和气隙磁场分布、磁吸附力和吸附性能的测量进行实验研究,进一步验证磁吸附单元理论分析和优化结果的正确性,以及基于新型磁吸附单元的爬壁机器人的实际可行性。