水下机器人的矢量推进技术是一种新兴的水下推进技术,能够提高机器人的运动灵活性和敏捷性,对于海洋资源勘探具有重要意义。本论文旨在克服传统多桨推进或鳍舵操纵方式存在的控制复杂、低速失稳等缺点,通过设计一套结构简单、便于操控的矢量推进机构方案,并应用于无鳍舵型水下机器人,将水下机器人的导向操纵装置和推进系统合二为一,实现水下机器人单机构多姿态的运动模式,提高水下机器人的操纵性能。论文首先通过对球面并联机构的构型综合研究,设计了一种新型水下矢量推进机构运动方案,并对机构进行了运动性能的理论分析,验证机构运动方案的可行性与正确性。然后对新型矢量推进水下机器人进行了运动学与动力学建模,预测了其运动学行为,分析并评价了其操纵性能。通过对矢量推进水下机器人粘性流场的仿真计算,研究了水下机器人与矢量推进器的水动力性能。最后研制了矢量推进水下机器人原型样机,并进行了水池试验和湖试试验,进一步验证了矢量推进水下机器人良好的操纵性能。本文研究包括:（1）创新设计了一种2-RPc&2-RPcRU新型球面并联机构。基于螺旋理论计算并验证了其二维转动自由度,采用坐标变换和空间解析几何相结合的方法构建了位置和速度的正逆解模型,使用运动影响系数法求解了雅克比矩阵,利用牛顿-欧拉法对矢量推进机构进行了动力学建模并给出数值算例,结果表明了机构的运动正确性、解耦性和无奇异的特点,同时其驱动力和力矩简单易解、变化连续平稳。（2）实现了无鳍舵式水下机器人单机构多姿态的矢量推进方式。建立了旋量形式的六自由度运动学模型,数值模拟表明安装有并联矢量推进器的水下机器人能够完成俯仰和偏航等多姿态的运动方式;计算了无鳍舵壳体的水动力系数,引入了比例因子的概念,构建了矢量推进水下机器人的非线性动力学模型,动力学方程的求解结果表明了矢量推进方式的灵活性。（3）建立了矢量推进水下机器人纵向和横向运动的扰动模型,提出了矢量推进的稳定裕度指标,分析和评价了矢量推进水下机器人的操纵性能。稳定裕度的计算结果证明了矢量推进方式的动态稳定性,纵向和横向扰动模型的仿真结果证实了矢量推进水下机器人运动参数的响应性和收敛性。（4）研究了矢量推进水下机器人整体流场的数值计算方法。基于计算流体力学CFD（Computational Fluid Dynamics）方法,利用雷诺平均方程和SST k-ω湍流模型构建了水下机器人在不同矢量推进偏摆角下的粘性流场模型。流场的数值计算结果发现,矢量推进螺旋桨在尾部湍流中较大偏摆角时能够产生相对较多的推力,同时也需要较大的转矩;随着矢量推进偏摆角度的增大,螺旋桨叶片压力分布的不对称性和弦向压差分布的不均匀性逐渐增大,同时桨盘面前的压力有逐渐降低的趋势。这对矢量推进水下机器人的结构设计和操纵性能的提高具有指导作用。（5）研发了单机构多姿态矢量推进水下机器人原型样机,并进行了水下推进试验。对硬件模块进行了单元测试和整机联调,设计开发了控制器软件,并进行了水池试验和湖试试验。直航试验显示了运动稳定性和航向保持性;水平回转运动体现了较好的回转性能;Z形操纵试验证明了矢量推进方式具有良好的运动响应性能。水池试验和湖试试验证明了理论分析的正确性,同时证明了矢量推进水下机器人操纵运动的稳定性和灵活性。