长期航行于大海之中的船舶都会被大量的海洋生物附着于船底,这些生物不仅加快了金属的腐蚀,还增加了船舶航行阻力,提高了油耗并降低了航速,而且也有可能会带来外来物种的入侵,打破当地的生态平衡,所以定期对船体清刷是至关重要的。目前,国内对船体附着物的清刷基本上都是在干船坞中进行,这种清刷方式成本高、效率低,缩短了船舶的作业时间。因此,进行水下船体清刷机器人的研究具有巨大的商业前景,同时也是海军建设所需要的。对于船体清刷机器人的总体设计,本文从结构和控制两方面进行设计。结构方面主要做了如下工作:分析了骨架与壳体的强度和耐腐蚀性问题并进行了骨架有限元静力分析;分析了现有清刷机器人的吸附模块、清刷模块、行走模块的结构,优化设计一种集成电机的清刷轮和集成化更高的空化水负压吸附模块,并进行了旋转喷头的运动分析;根据机器人在水中需要进行的位姿变化要求,设计了一种五推进器欠自由度结构;计算了缆线模块的重力并进行了浮力配置,减小了由于缆线重力对清刷机器人运动的干扰;根据计算后的重、浮心坐标进行浮体配置,实现了重、浮心重合且相等的设计目标。控制方面主要根据清刷机器人需要执行的操作,设计出整体的控制方案与人机交互界面。对于水动力性能问题,进行了壳体结构的流体阻力值分析并优化了壳体。通过建立数值计算模型,运用Fluent软件计算出壳体优化前、后所受的流体阻力,对比得出优化后的模型在1m/s速度下可以减小17.534N的阻力。并对优化后的模型运动分析,得出在靠近壁面运动时最大速度应小于0.74m/s,在壁面上运动时最大速度应小于1.2m/s。对于清刷机器人运动控制问题,本文设计了一种轨迹跟踪控制方法,实现在曲面上的运动控制。该方法通过建立轨迹运动控制、动态控制以及自适应参数控制,把曲面的变化角度参数作为控制参数的输入量,解决了因曲面形状所带来的运动误差问题。通过仿真曲线分析,该方法明显优于采用深度传感器的控制方法,并且鲁棒性好。除了理论分析外,本文还对部分研究进行了样机验证试验。通过重、浮心测试试验,验证了重、浮心重合且为零浮力结构;通过吸附力测试试验,验证了吸附力稳定性,在吸附距离为2cm时可以达到305.3N的吸力;通过姿态控制试验,验证了推进器布置的合理性;通过拉力测试试验,验证了流体仿真的计算值;通过样机实船清刷试验,清刷质量可以达到HPW2级,清刷效率达到1440 m2/h。