常规的水下机器人大都是以浮游模式执行水下管道巡检任务,而水下环境复杂多变,存在各种不同的外界干扰使水下机器人产生摇晃,影响水下机器人执行任务的效率。本文基于章鱼触手的样式和工作方式,结合陆上四足机器人和水下机器人的机械结构,提出了一种既能够以浮游模式进行管道巡检,又能够以爬行模式沿管壁爬行巡检的双工作模式的水下爬壁机器人,在机械结构设计、水下爬行运动、管线跟踪控制算法设计等方面开展了相关研究。首先,对水下爬壁机器人的整体机械结构设计思想和预计功能性能进行分析研究。并在此基础上,对浮游模式下推进器的布局、爬行模式下柔性机械足的设计、控制舱的样式以及模式转换的原理进行具体的分析研究。其次,针对不同的模式分别进行运动建模。在浮游模式下,为保证模型的一般性,在模型中引入扰动和控制延迟,最终确定了二维动力学与运动学模型;在爬行模式下,基于D-H参数法对柔性机械足进行运动学分析,建立了关节角与足端位置坐标的对应关系并对关节速度进行了分析。再次,进行爬行模式下的步态设计与足端轨迹规划的研究。参考自然界生物爬行方式,提出一种针对水下管道的毛虫蠕动式的爬行步态并进行静态稳定性和全局稳定性分析以保证步态的可行性。为保证对爬行过程可以进行准确控制,对比常见的轨迹曲线,采用分段复合式轨迹曲线对足端轨迹进行规划。通过在运动过程中对轨迹的速度、加速度等关键因素进行人工控制,保证爬行过程的精准可控性。最后,对浮游模式下的二维轨迹跟踪控制算法进行设计分析。建立基于误差的数学模型并将误差数学模型转换成等效可控的线性模型。在此模型的基础上,改进反步控制法和滑模变结构控制法设计了指数反步-连续滑模控制律对轨迹进行跟踪控制。针对上述研究工作,为保证研究内容的合理性和可行性,分别对水下爬壁机器人的机械结构三维模型、单腿运动学、爬行步态、跟踪控制算法等在内的主要功能进行了仿真验证。研究成果对今后水下爬壁机器人的理论研究和设计应用具有借鉴意义。