海洋观测是海洋科学发展的基础。以海底观测网和海洋空间站为典型代表的综合性海洋观测手段，是实现人类探索和认识海洋的重要途径之一。作为重要的海洋技术装备之一，自主式水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle)在海洋观测领域发挥了巨大作用。然而，由于其自身能源有限，通常情况下需要人工进行回收、能源补给并再次布放。这大大限制了其工作效率、增加了使用成本、破坏了海洋观测的连续性和稳定性，频繁的布放回收对AUV的安全性也带来了隐患。为解决上述问题，水下对接技术应运而生。通过水下对接平台，AUV可直接在水下完成能源补充以及信息的上传和下载，为其长时间、高效率和大范围海洋观测提供了可能。　　本文结合当前我国海洋观测的科学需求，围绕海底观测网和深海空间站的技术发展和建设，以提升AUV水下对接成功率，降低对接过程中因碰撞等因素可能带来的设备损坏风险为目标，提出一种利用机械手主动捕捉式水下对接技术的解决方案，并通过理论分析与计算，针对与之相关的若干项关键技术进行了研究，最后利用实验室条件搭建了基于水池环境的水下对接测试系统，对导向罩式对接和机械手主动捕捉式辅助对接两种模式进行了试验，验证了本文所提出的技术方案和研究方法的有效性，为便携式AUV系统有效融入深海空间站、海底观测网等海洋基站系统提供了一种可靠、实用和先进的水下对接技术手段和思路。本论文主要研究内容如下:　　(1)论文首先以水下对接的基础平台，即导向罩式对接装置为研究对象，在分析并构建对接对象的模型基础上，对其水下对接过程进行分析，研究对接过程中的碰撞和对接效率问题，据此以碰撞力大小和对接时间为评判指标，开展导向罩式对接平台的结构优化设计，为本文研究的机械手主动捕捉式水下对接提供理论依据和基础平台条件。　　(2)面向水下对接的机械手运动学分析与优化设计。受当前AUV导航定位精度、可操纵性以及海流的影响，AUV单次对接成功率通常并不高。针对该问题，本研究借鉴空间站机械手辅助对接的方法，提出利用机械手主动捕捉AUV实现水下对接的方案，以水下对接系统对机械手的要求为出发点，在对机械手操作空间分析的基础上，本着机械手轻量化设计的原则，以杆长和关节角范围为设计变量，工作空间最大化为目标，进行机械手的优化设计。最后以可操作度作为运动灵活性评价指标，分析其在整个工作空间内的最佳作业范围，并将其安装在对接平台上合理的位置以发挥其最佳工作能力。　　(3)开展基于机械手轨迹规划的主动捕捉式水下对接方法和策略研究。对于机械手主动捕捉式水下对接，在对接系统可以检测到AUV运动信息的前提下，针对AUV超出导向罩对接范围的情况，当AUV进入机械手工作空间时，机械手主动捕捉该AUV，并逐步将其放入导向罩对接范围，使之可以实现对接。整个过程中，机械手末端的运动可作做从起始点经过中间点运动到终止点的过程，然后用轨迹规划来实现。最终使AUV到达导向罩对接范围的一个理想的位姿，从而顺利完成对接。　　(4)针对上述研究方案和方法，开展基于虚拟样机和水池试验平台的综合实验研究。首先，使用ADAMS软件对导向罩式水下对接和机械手主动捕捉式水下对接分别进行仿真，结果显示机械手主动捕捉式可以提高对接成功率，使超出导向罩对接范围的部分AUV成功实现对接。然后，利用已有的设备搭建一套简易的水池对接系统，分别开展导向罩式和机械手主动捕捉式对接，经过实际实验可知，机械手的加入提高了对接成功率，说明了机械手主动捕捉式对接方案和方法的有效性。