随着市场需求的牵引和科学技术的推动,水下机器人已经成为人们认识、开发和利用海洋的重要工具。传统的水下机器人(亦称水下航行器)通过螺旋桨产生主推进力,并通过舵面进行自身姿态的调控,虽有一定的便利性和实用性,但也存在若干不足。例如,这种动力驱动方式和姿态调控途径很难使水下机器人在低速、大攻角机动航行时实现复杂的运动,且螺旋桨工作时的噪音还会在一定程度上降低水下机器人航行时的隐蔽性。为解决这些问题,本文基于喷水推进原理,研究了一种新型喷水推进式水下机器人,该机器人采用四个均匀布置的喷水推进器代替螺旋桨,并在可灵活改变推力方向的关节式三自由度推力臂上加装稳定鳍片来代替传统舵面进行自身姿态操控,同时引入四矢量推进系统布局,巧妙解决了传统水下机器人运动姿态单一,隐蔽性和操纵性差的缺点。为进一步提高该新型喷水推进式水下机器人潜航时对潜水深度的操控效果,利用“可伸缩琴箱式”压缩筒结构来控制机器人整体浮力,实现了对机器人潜航深度的准确控制。本文通过一、二、三代喷水推进式水下机器人的研制,在设计开发一种通过协调四个矢量喷水推进系统推力大小和推进方向,以实现任意给定姿态在水下灵活运动水下机器人方面进行了系统研究和深入探索,主要工作及成果如下:(1)完成了新型喷水推进式水下机器人四轴对称式三自由度推力臂的结构设计与技术实现,对保障机器人顺利实现潜航深度可调的“可伸缩琴箱式”压缩筒结构以及鳍状结构进行了设计与制作,包括防水设计、重力浮力计算等任务,保证结构的合理性与可靠性;(2)建立了新型喷水推进式水下机器人的运动学与动力学数学模型,阐明了该机器人的空间运动在固定坐标系与运动坐标系之间的转换关系,给出了其空间六自由度运动方程;(3)完成了新型喷水推进式水下机器人控制系统的硬件设计与软件设计,并给出了相应的运动控制方案;(4)对所设计的新型喷水推进式水下机器人的典型运动方式进行了相关虚拟仿真验证的研究。本文围绕新型喷水推进式水下机器人进行的系列研究,在其关键技术方面取得若干突破,成功解决了水下机器人潜航深度的准确控制和航行方向的灵活操控,这对改善水下机器人的工作性能具有重要作用。本文完成的研究工作对后续研究的进行可提供理论参考和技术支持。