随着我国核电、风电以及海洋石油天然气开采的迅猛发展,针对水下大型装备关键部件性能的在役定期检查与分析逐渐成为研究热点,海洋及核电等极端环境中的无损检测作业难度大、危险性高,是公认的技术难题。本文为了提高水下关键部件的无损检测效率,降低作业风险,研制了水下无损检测作业机械臂,并围绕对机械臂作业性能影响较大的运动学、动力学及控制方法等问题进行了理论分析、仿真验证和实验研究。本文通过对水下无损检测作业机械臂的研究,设计了一种轻量化、模块化机器人关节结构。关节采用分体式力矩电机和谐波减速器作为传动机构,使关节结构紧凑功率密度比高,设计了电磁铁加制动盘的失电制动机构,提高关机在紧急状况中的安全性。作业机械臂整体由模块化关节和轻质连杆组成,可快速拆卸与组装,便于故障维修与快速布置;分析了作业机械臂的运动学,并通过编写MATLAB程序验证;针对陆上及水下环境对作业机械臂动力学建模分析,通过ADAMS仿真验证动力学模型正确,编写MATLAB程序验证电机减速器选型满足设计要求。针对水下综合无损检测作业方案要求,研究了基于主从控制引导避障和离线轨迹规划检测的半自主遥控策略。介绍主臂选型并分析了其正运动学模型,采用蒙特卡洛法对主、从机械臂的作业空间进行仿真分析,提出笛卡尔增量式主从映射方案,介绍主从控制具体实现方案;通过S型曲线速度规划对作业机械臂进行直线、圆弧位置规划、姿态规划,使期望轨迹位置、速度、加速度连续平滑,作业机械臂运动平稳,减少对关节电机的冲击。为了高质量、高效率地完成水下无损检测作业任务,本文提出了基于实时以太网总线的分布式实时控制系统,并从硬件和软件两方面进行了介绍;对具有强耦合非线性特点的作业机械臂轨迹跟踪控制进行研究,分析了分散和集中控制方案优缺点,考虑水下作业环境,设计了基于等效重力补偿的模糊PID控制策略,并通过搭建MATLAB/Simulink模型进行仿真,证明该方法可改善关节动态响应,提高轨迹跟踪精度。为了使操作者更加直观地控制作业机械臂,高效完成检测任务,本文基于“LabView Robotics+MATLAB”平台,采用模块化编程思想设计开发了上位机仿真交互控制程序,实现了作业臂离线运动仿真与在线状态监视仿真、单关节控制、离线轨迹编程、主从遥控等功能。搭建了实验平台,进行了离线轨迹规划写字实验,验证轨迹规划算法运动平稳,重力前馈控制策略能够提高轨迹跟踪精度;进行了主从控制跟随试验,证明了主从遥控策略可使从臂按照映射要求跟随主臂运动。