爬壁机器人具有高空壁面行走、负载等能力,将其作为平台,可以实现多种高空极限作业。本文通过对国内外爬壁机器人技术及结构优化设计研究现状的分析,研制出一种新型爬壁机器人,并对其机身主体关键结构件以轻量化、合理化为目的进行了优化设计,具体开展了如下几个方面的研究:(1)爬壁机器人总体方案设计。通过对国内外爬壁机器人研究现状进行总结分析,设定爬壁机器人的装置要求与性能指标,从吸附方式、移动方式、驱动方式及负载能力等方面制定了全新的爬壁机器人结构方案,采用了内、外层机构交替移动的方式,对各部分机构进行设计和三维建模,分析并提出机身主体结构的优化需求。(2)爬壁机器人机身主体关键部件拓扑优化。引入拓扑优化理论方法,通过算例优化对比了变密度法与渐进结构法的拓扑优化形式,分析变密度法中SIMP和RAMP两种材料插值模型,建立拓扑优化数学模型并进行求解,选取爬壁机器人主体关键部件并通过ANSYS Workbench优化软件,以结构实体材料所占体积为约束条件变量,对机器人主体关键结构部件进行多方案结构拓扑优化,并对优化前后结果进行质量、应力与变形量对比分析,确定最终优化结果。(3)爬壁机器人样机制作与实验研究。制作爬壁机器人原理样机,对爬壁机器人的移动能力,负载能力进行实验测试,验证本文所提出的爬壁机器人整体结构设计方案的可行性与可靠性。理论分析和实验结果表明:本文研制的爬壁机器人具有吸附能力强、行走灵活稳定、负载能力强的特点,通过对机器人机身主体关键部件的拓扑优化设计,可以更好符合结构设计轻量化、合理化的标准。