石化储罐、民用船舶等大型金属立面的维护作业是保障其安全运营的重要举措。传统的人工作业方式安全性差、作业效率低、资源浪费严重。因此,研发全天候、多方位、智能化金属立面维护作业机器人已成为金属立面设备领域研究的重要方向。现有金属立面维护作业机器人普遍存在运动性能差、作业精度低等缺点。针对金属立面维护作业机器人工程应用中的不足,通过对金属立面维护作业机器人运动机理和轨迹跟踪控制方法的研究,研制出高性能、自适应的轮足式磁吸附爬壁机器人系统样机。本文主要研究内容及创新性成果如下:1.在深入调研和总结现有金属立面维护作业机器人研究现状的基础上,分析石化储罐、民用船舶等非结构化设备作业环境的特点和功能需求。设计轮足式磁吸附爬壁机器人的移动越障机构和吸附机构;规划机器人复杂金属立面主被动越障步态;建立基于CAN总线的软、硬件智能控制系统,研制出高性能、自适应的轮足式磁吸附爬壁机器人系统。2.基于虚拟连杆原理和自由度特征量理论,提取机器人多维约束条件与独立坐标变量,建立机器人耦合干扰运动学模型;基于拉格朗日第二类方程法,建立机器人融合时变力场参数的广义动力学模型;进一步分析机器人立面移动及越障运动状况,获得机器人抗倾覆安全作业条件,为轮足式磁吸附爬壁机器人金属立面精准、高效、安全作业提供理论依据。3.针对轮足式磁吸附爬壁机器人作业过程中本体参数不确定性和外界干扰导致的位姿误差问题,基于机器人运动特性及力学分析,建立自适应虚拟速度控制器、扩张观测器和滑模力矩控制器,提出自适应扩张观测器滑模控制器轨迹跟踪控制方法。采用李雅普诺夫理论证明所设计控制器的稳定收敛性。通过仿真实验,对比所提出轨迹跟踪控制方法与传统轨迹跟踪控制方法,证明所提出轨迹跟踪控制方法的有效性和优越性。4.完成轮足式磁吸附爬壁机器人系统集成,搭建金属立面实验平台,开展机器人运动性能与轨迹跟踪控制方法实验。验证了轮足式磁吸附爬壁机器人设计的合理性和理论分析的准确性。