核电水池作为核电站重要的组成部分之一,承担着冷却、储存核燃料的重任,一旦发生泄漏而不能及时修复,将导致严重的核事故。而利用水下焊接机器人完成核电水池水下在线修复可以极大地提高修复效率,有效地阻止重大安全事故的发生。因此,系统地开展针对核电水池在线修复作业的水下焊接机器人及其关键技术研究具有重要而深远的意义。本文针对核电水池焊接修复任务的需求,提出具备水下灵活运动、池壁稳定附着定位及水下焊接修复功能的水下机器人系统设计方案,充分考虑核电水池环境的特殊性,对机器人的移动系统、焊接系统、控制系统进行完整的结构设计。在以上设计研究的基础上,研制一款可以实现核电水池裂纹在线焊接修复的水下焊接机器人原理样机,并对其进行移动系统性能测试、焊接系统功能测试实验,证明系统设计的合理性。为了解决核电水池等室内受限结构化水域内水下机器人定位难题,提出一种考虑误差校正的多区域水下划分定位方法。结合姿态航向参考系统信息与水下高度计测量数据实现水下机器人定位。建立一种基于多区域划分的定位算法,能够有效地实现水下机器人的实时位置解算。为进一步提高水下定位精度,分析高度计测量误差与边界效应带来的误差,利用误差校正与变置信度滤波融合对多区域划分定位算法进行优化,提高算法精度,并通过仿真和实验验证水下定位方法的准确性和鲁棒性。为解决近水面附近工作时水下推进器在类空化效应下的推力预测问题,提出水下推进器类空化推力预测方法。首先,对水下推进器进行建模并提出基于贝叶斯估计的水下推进器推力模型,得到推进器推力、转速与输入电流之间的关系。在此基础上,建立基于高斯过程的推力损失预测模型,考虑类空化效应对水下推进器造成的推力损失,利用高斯过程对推力损失进行预测,与基于贝叶斯的推力模型融合实现对类空化效应下的推力预测。最后通过实验验证水下推进器类空化推力预测方法的有效性。针对水下焊接机器人在作业过程中变质心特性造成的位姿不稳定性影响,提出基于变质心模型的自适应滑模运动控制方法。建立机器人变质心动力学模型,精确地描述水下焊接机器人的变质心特性。随后,设计基于变质心模型的自适应滑模控制算法,实现高精度变质心补偿,提高机器人作业过程稳定性。通过实验验证运动控制方法的精确性和稳定性。针对水下焊接机器人多推进器矢量布局所带来的冗余推力分配问题,提出LSQP-Switch冗余推力分配策略。通过建立矢量推进系统的数学模型,获得水下焊接机器人推进器推力和作用于机器人本体上6自由度合力之间的关系。在此基础上提出LS-QP-Switch推力分配策略,在满足实时性和推力饱和约束的前提下,实现能耗最优的推力分配效果。仿真和实验的结果证明所提出的LS-QP-Switch冗余推力分配策略的有效性。综上所述,本文围绕核电水池水下修复作业的应用背景,采取理论分析和实验研究相结合的技术路线,系统地开展水下焊接机器人系统设计、水下机器人定位技术、推进器类空化推力预测、变质心运动控制和冗余推力分配等关键技术研究,为后续核电环境水下机器人的研究奠定基础。