爬壁机器人是指能够在竖直或倾斜壁面上移动并执行作业任务的自动化机械装置,其主要特点是在保证可靠吸附的同时实现运动和作业,在建筑、交通、石化、核能、消防及造船等许多高空极限作业领域,完成诸如监测、检查、维护和工程施工等危险的工作。从上世纪90年代开始,国内外科学家和工程师研发了多种适用于不同领域的爬壁机器人,其中采用负压吸附方式的履带式爬壁机器人具有适用范围广、运动性能好和承载能力强的优点,具有广阔的应用前景。本文结合国家自然科学基金项目“多履带行走装置机电耦合动力学及自适应控制”（No.51775225）,面向经济社会发展需要,对履带式爬壁机器人的动力学性能及导航控制技术进行了研究。建立了履带式爬壁机器人的动力学模型,分析了爬壁机器人安全工作条件和设计参数对机器人动态性能的影响;提出了吸附装置叶轮的优化设计方法;设计了爬壁机器人轨迹跟踪控制系统,并基于UWB/INS组合导航进行了轨迹跟踪控制实验研究。首先对国内外爬壁机器人的发展历程和研究现状进行了综述,提出了爬壁机器人现阶段在应用方面存在的问题和面临的挑战。根据爬壁机器人的结构特点和运动特性,分析了吸附系统的受力情况,建立了包含吸附装置、驱动装置和壁面参数的动力学方程。为了验证爬壁机器人动力学模型的准确性,设计并制造了爬壁机器人实验平台,通过比较模型仿真计算结果和实验结果,验证了模型的准确性。基于经过验证的动力学模型,分析了爬壁机器人的安全吸附条件和各项设计参数对机器人壁面行驶动态性能的影响。为了提高机器人吸附装置工作性能,满足其壁面行驶自适应负压控制的任务需求,提出了吸附装置叶轮的优化设计方法。采用计算流体动力学（CFD）仿真方法获得爬壁机器人工作时吸附装置内部流体的运动和受力情况,建立了叶轮设计参数与吸附性能之间关系的克里金模型,使用遗传算法进行优化获得最优设计参数。设计了爬壁机器人轨迹跟踪控制器,提出了根据机器人的位姿实时调整吸附装置的负压,使机器人在满足安全吸附条件的低能耗状态下跟踪参考轨迹。以爬壁机器人的位置、速度、姿态、负压和参考轨迹作为控制器输入,两侧履带驱动轮和吸附装置风扇的转速为控制器的输出,控制爬壁机器人沿参考轨迹自适应行驶。根据机器人的实际位置、速度、姿态与参考轨迹之间的偏差,基于模糊-计算力矩法计算运动机构的控制量。为了验证所提出的轨迹跟踪控制器的效果,分别针对直线参考轨迹和圆形参考轨迹进行了仿真分析。仿真结果表明所设计的自适应负压轨迹跟踪控制器能够根据机器人的位姿实时调整负压大小,快速、稳定、准确地跟踪参考轨迹。设计了基于UWB/INS组合导航的爬壁机器人轨迹跟踪控制实验平台,分别对多种直线参考轨迹和曲线参考轨迹的跟踪效果进行了实验研究。实验结果表明,所设计的爬壁机器人导航控制系统能够实现爬壁机器人的轨迹跟踪运动,并具有较高的控制精度。综上所述,本文建立了爬壁机器人动力学模型,提出了爬壁机器人的轨迹跟踪控制方法,并通过实验验证了动力学模型的准确性和控制方法的有效性。论文的研究工作为履带式爬壁机器人的设计和控制提供了参考。