水下机械臂广泛应用于水下机器人的资源勘测和科考任务等中,是提高水下机器人作业效率的重要载体。本文基于轻工业级水下机械臂作业效率低、结构复杂、成本高及通用性差的缺点,设计一款用于小型水下机器人样本采集和资源勘探的模块化水下机械臂,并对其进行运动学和水动力学分析与仿真。主要研究内容如下:首先,确定水下机械臂的技术指标和总体设计方案,展开模块关节、手爪、连接件的结构设计;通过计算各关节需要的最大力矩,来确定模块关节的动力布局及详细参数;利用ANSYS Workbench对关节外壳、输出轴以及最大负载下的机械臂强度进行校核,验证了本体材料选择及结构设计的合理性;通过模态分析,获取机械臂的固有频率和振型特点,避开水下机械臂低阶频率引起的共振。最终完成模块化水下机械臂样机的装配。然后,采用D-H参数法建立水下机械臂的运动学模型,搭建MATLAB/Simulink模型验证了运动学正确性;在此基础上,利用蒙特卡洛法分析水下机械臂的工作空间,结果表明机械臂连杆参数及关节转角范围设置合理;利用五次多项插值法对机械臂采样过程进行轨迹规划,保证了各驱动关节运动的平稳性,为水下机械臂的水动力学仿真提供理论基础。最后,通过对机械臂单个连杆的水动力学分析,利用Fluent软件和Morsion方程建立水下机械臂的水阻力数学模型,仿真得到水阻力对机械臂连杆作用力大小;利用ADAMS软件对机械臂进行动力学仿真,得到各关节的动能和驱动力矩随时间变化的曲线。仿真结果表明各关节运行过程平稳,没有产生大的震动,符合设计要求;各关节在水环境因素影响下最大驱动力矩均小于模块关节驱动力矩,验证了水下机械臂模块关节动力布局和设计的合理性,保证水下机械臂工作的可靠性。