能源危机和环境污染问题日益凸显,促使人类不断探索新能源,核能作为一种清洁、高效的新能源走入了人们视野。在过去几十年,世界各地兴建了数以千计的核电站,但从2011年日本福岛核事故后,核电安全引起世界各国的广泛关注。核电水池是电站的核心部分之一,一旦发生破损,易引发核事故。以往都是采用人工方式对核电水池进行修复,不仅效率低,而且容易对作业人员造成伤害。因此,开展以应急状态下水下焊接为主,日常巡查为辅,可以适应核电水池环境,能够代替人工的水下机器人设计及相关技术研究,具有深远的现实意义。针对核电水池应急状态下的焊接作业和日常的巡查任务,设计了一款包括控制子系统、机械本体子系统和线缆收放子系统的全方位运动水下机器人系统。该机器人的本体子系统作为核心部分,采用开架式结构,内部搭载以三自由度移动机构为主体的焊接装置和观测设备等;在本体上矢量布局八个推进器,在其作用下机器人具备水下全方位运动功能,进而实现了多障碍环境下的水下巡查检测,并能够依靠顶层推进器产生的推力实现池底和池壁的附着定位,以便进行更加准确的检测或焊接作业。另外,机器人在水下运动时,通过调节三自由度移动机构运动,可以减小恢复力、恢复力矩对机体的影响,有助于机体实现翻转运动;在机器人附着定位时,通过控制三自由度移动机构的运动,可以通过观测设备与焊枪,完成目标跟踪和焊接作业。机器人系统中的尾端线缆用于信号传输,以及为机体和作业装置供电,能够满足水下焊接大电流供电的需要。水下机器人本体的控制器设计和操纵性研究,均是建立在机器人本体动力学模型基础之上的。为了建立准确的动力学模型,对机器人本体的主要扰动因素进行了深入分析。机体在水下运动时始终处于悬浮状态,导致机体运动稳定性随之降低,因此,水动力、线缆力成为影响机体控制和稳定性的主要扰动因素。为了准确揭示机器人本体运动,尤其是翻转运动时的水动力特性,建立了核电水池环境下的水动力模型。在模型中,不仅包括广域的水动力系数,还包含了因壁面阻碍而产生的近壁水动力因素。借助CFD仿真计算,虚拟仿真了机器人本体的直航运动试验、斜航运动试验、平面运动机构试验和悬臂运动试验,求解了相关的水动力系数,并提出了一种近壁水动力的仿真计算方法,完成了在机器人近壁运动时受到的水动力求解。尾端线缆会对机器人本体的运动和定位产生明显的扰动作用,因此,有必要对尾端线缆的力学特性进行计算分析。根据水池环境的特殊性,利用线缆微元法,分别建立了稳态运动、动态运动下的线缆三维力学模型。通过数值仿真计算,分析两种工况下机器人尾端线缆上各点的力学特性。并根据绞盘车与线缆连接点受力变化情况,为绞盘车的控制器的设计提供了参考数据。之后进行了无缆状态下和有缆状态下机器人本体的运动仿真计算,对比分析了水下机器人系统中线缆对本体的影响作用。根据前述设计,研制了水下机器人系统的原理样机,在室内水池内,开展了机器人运动性能测定试验,验证了水下机器人系统设计的各项指标。搭建了测试系统,借助循环水槽,开展了机器人的水动力测试试验。通过试验,测算了动力学模型中的水动力系数和近壁水动力特征参数,并与仿真计算结果对比,证明了CFD仿真计算的可信性。之后搭建了线缆力测试平台和制备了试验模型,在循环水槽内,开展了尾端线缆力学特性的试验研究,得到了不同水流流速下,线缆的稳态力学特性、动态力学特性参数曲线,验证了线缆力学模型和数值计算方法的正确性。