大型钢结构设备,如大型储油罐、风电塔筒、船舶等,长期处在恶劣的自然环境中,表面容易出现锈蚀、裂纹等情况。其次,像起重机这类机械设备作业强度大,疲劳失效、结构断裂等故障时常发生。目前,这些缺陷的检测主要依靠人工,劳动强度和危险系数极高,因此迫切需要研制爬壁机器人代替人工对大型钢结构的巡检作业。大型钢结构高度多达几十米甚至上百米,因此在控制方面要求爬壁机器人具有远程遥控功能。此外,像船舶外板等钢结构外表面面积较大,进行人工遥控需长时间操作,工作效率较低。爬壁机器人在此类壁面上实现自主移动可进一步解放劳动力。因此,本文提出了将SLAM技术应用在爬壁机器人上,使机器人具有自主作业能力,提高其智能化程度。主要研究内容如下:（1）爬壁机器人结构设计及受力分析。根据大型钢结构巡检实际工况,分析并采用永磁吸附、轮式移动的方案,进而设计了爬壁机器人本体结构。针对机器人的失稳形式:沿壁面滑移及纵向、横向倾覆,建立了机器人空间位姿模型和静力学模型,求解可靠吸附时的吸附力。为了满足机器人灵活行走的要求,进行运动状态受力分析,使机器人自重、电机扭矩、吸附力互相匹配。（2）永磁轮磁场分析与优化设计。对永磁轮材料进行选型,根据永磁铁充磁方向和磁性材料布置方案设计了永磁轮磁路。基于Maxwell电磁场理论利用COMSOL软件分析不同磁路的磁场特性,选用更具优势的永磁轮磁路。为了提高磁能利用率,分析结构参数对永磁轮吸附力和吸附效率的影响,确定了最优结构尺寸。优化后永磁轮吸附力达到241.03N,吸附效率提高了20.5%,且机器人具有在大型曲面钢结构上可靠吸附的能力。试验结果表明机器人能够在钢铁壁面上稳定吸附,验证了永磁轮优化设计的可行性和正确性。（3）爬壁机器人远程控制系统设计。在样机制造的基础上,设计手持遥控终端和机器人车载端两级分布式的远程控制系统,完成了系统硬件电路设计及选型。对Wi Fi模块中Open Wrt系统进行配置开发,并利用Android客户端作为手持遥控终端,实现了基于TCP协议、Socket套接字的指令传输和基于HTTP协议的视频传输。最后开展了机器人车载端主控芯片的程序设计。试验结果表明在100米左右距离手持遥控终端能精确控制机器人动作,且机器人在钢铁壁面上运动灵活;视频传输延时为0.22s～0.45s,在100米左右距离视频画面清晰、传输稳定,基本满足大型钢结构巡检需要。（4）爬壁机器人自主式移动研究。建立机器人运动模型、航迹推算模型和激光雷达观测模型,并研究了基于RBPF的Gmapping和基于图优化的Cartographer两种SLAM算法。基于move＿base导航框架,运用AMCL定位算法、D*Lite全局路径规划算法和DWA局部路径规划算法实现机器人自主导航功能。针对机器人自主移动平台,进行相关硬件电路设计及选型,完成了底盘驱动及ROS系统节点程序的开发。搭建实验场景进行SLAM建图,结果表明Cartographer算法建图相对误差在0.24%～2.67%之间,比Gmapping算法的建图精度和鲁棒性更高;开展机器人导航试验,验证了机器人的路径规划能力,以及将SLAM技术与爬壁机器人相结合应用于大型钢结构巡检的可行性和合理性。