水下机器人在海洋环境测量、资源勘探与开发中发挥着重要作用,随着海洋开发进程的加快,对水下机器人在不同环境、不同作业任务下的整体性能提出了更高的要求。如何提高水下机器人的适应性,成为水下机器人研究领域的一个重要课题。模块化设计是解决系统多样化的有效方法,基于模块化设计思想研究水下机器人的体系结构,从功能上将水下机器人分解成一系列相互独立的单元模块,针对不同的作业任务和应用环境,选择相应的单元模块进行组合,构成一系列满足不同任务需求的水下机器人系统,为提高水下机器人的适应性,实现功能的多样化,提供了一种可行的方式。通过分析国内外模块化水下机器人的研究成果,总结它们的优点和不足,本文对水下机器人的功能需求进行了分析和分解,利用设计矩阵建立水下机器人设计的模块化表达方式。通过分析设计矩阵的形式,对水下机器人系统进行模块划分,针对划分结果中单元模块存在耦合的问题,采用功能整合的方式进行解耦处理,最终确定了符合模块化设计原则的单元模块划分方案。为了实现不同模块之间的快速组合,本文设计了标准化、通用化的模块接口。根据模块划分结果,对主控单元、重心调节单元、浮力调节单元、舵机单元及推进器单元等主要单元模块的本体结构和控制系统进行了设计,研制了“海梭Ⅱ”号模块化水下机器人实验平台,为水下机器人的模块化技术研究提供了实验载体。针对不同作业任务对水下机器人的功能和结构形式要求也不同这一特点,对水下机器人的重构技术进行了研究,总结出基于任务需求的水下机器人重构方案设计方法和流程。基于“海梭Ⅱ”号模块化水下机器人实验平台,设计了针对典型作业任务的水下机器人重构方案,为实现水下机器人重构提供技术基础。基于“海梭Ⅱ”号水下机器人流线型重构方案,对模块化水下机器人的不同运动形式进行了动力学分析,建立了动力学模型。为了对水下机器人做无动力升沉运动时的俯仰姿态进行控制,本文提出了重心调节单元与浮力调节单元协调控制的方式。针对单推进器水下机器人在运动过程中由于水流的反向力矩使机器人产生横倾运动这一问题,提出了利用重心调节单元对其进行横倾补偿的方法,进行水下机器人横倾姿态控制。对上述两种控制方式进行水池实验研究,验证了利用重心调节单元控制水下机器人运动姿态的有效性和可行性。对“海梭Ⅱ”号模块化水下机器人进行了单元模块调试、组装及水池实验研究,实验结果表明本文研制的模块化水下机器人实验样机性能指标满足设计要求,验证了本文提出的模块化设计方法用于提高水下机器人作业能力的可行性。