目前,核能在许多国家的能源领域中所占比例越来越大,由此带来的核能安全问题也被提升到一个新的高度,利用先进的机器人技术解决核电站中的设备检测、管道维护、水下焊接等作业任务已成为工业机器人发展的一个热点。特别是核电站的反应堆和乏燃料水池等具有高放射性,且关键设备多处于水中工作,水下检测、堵漏和焊接等工作更是增加了工作人员的风险,因此研究一款主从式水下作业机械手具有重要安全和实用价值。本文通过研究主从式机器人、水下机械手的发展现状,针对中小型核电站反应堆的水下检测、焊接作业要求,设计了一款主从式水下机械手,并在此基础上开展了机械手的运动学分析、主从尺度映射关系分析、机械手刚度分析、机械手末端误差分析及单关节运动控制分析等,并通过dsPACE半物理仿真平台开展了主从式机械手的两关节仿真运动试验研究,为主从式机械手控制方法研究提供了依据。针对水下作业环境的任务要求,开展了主从式水下机械手的详细结构设计,分别设计了 6自由度的主手和从手同构机械手结构。其中,对于主从手分别从构型、外形尺寸、关节转角、关节结构及关键零件方面进行了设计分析,并利用三维建模软件开展了主从式机械手虚拟建模研究。分析了从手的运动学及动力学。其中运动学通过经典D-H坐标系法求解,利用MATLAB Robot工具箱进行运动学建模和仿真研究,结果验证了正、逆运动学方程的正确性和机械手结构设计的合理性;动力学通过拉格朗日法进行近似建模,进一步证实了从手各关节驱动的合理性。最后通过分析机械手工作空间,对比主从映射方法和映射系数大小,对主从尺度映射关系进行了分析,为主从式控制方法研究提供了基础。通过ANSYS软件分析了主从手在运动过程中的受力及变形,并利用模态分析理论进行模态分析后,本文针对分析结果利用ANSYS中优化模块对比较薄弱的关节连臂进行了优化,之后又对整机模态分析,改善从手模态性能。针对机械手末端的重复定位精度,本文通过微分法求解,采用MATLAB编程计算,最后得出各误差因素如长度、角度、运动变量的影响大小,综合误差结果后来验证机械手的末端精度。针对主从式机械手的结构特点,开展了机械手运动控制系统研究,构建了主从式水下机械手的控制系统硬件结构、设计了控制系统工作流程等。同时,在机械手单关节驱动机构数学模型的基础上,针对水下作业任务和环境的多变性,设计了一种模糊PID控制器,通过仿真实验表明,该控制方法相比PID控制具有更好地环境适应性。最后,本文基于dsPACE半物理仿真平台,搭建主从式两关节结构,开展了机械手的主从跟随运动实验研究,验证了控制算法的正确性和结构设计的合理性。