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随着水下资源的开发利用，水下潜器-作业臂系统在水下勘测、救援、设备维护、环境保护等方面作用越来越大。本文针对水下仿生潜器-作业臂系统的系统设计、自主作业控制、实时轨迹规划及多水下仿生潜器-作业臂系统编队协作等问题展开工作，主要内容如下: 一、基于模块化设计思想，将水下仿生推进系统和水下作业系统结合，提出一种轻量化的水下作业臂设计方案和水下作业机器人控制系统设计方案，并研制开发了具有波动鳍仿生推进器的水下仿生潜器-作业臂系统。 二、研究了水下仿生潜器-作业臂系统中作业臂的自主作业控制方法，给出一种基于双目视觉定位的作业臂自主作业控制方案。该方案由目标识别与定位、目标位置的滤波处理、作业臂的逆运动学解算、角度变换以及伺服电机的控制等几部分组成。通过作业臂水下自主作业实验和水下仿生潜器-作业臂系统移动趋近、自主抓取实验，验证了本文提出的自主作业控制方案的有效性。 三、针对水下仿生潜器-作业臂系统的轨迹规划方法展开研究，提出一种实时动态Dubins-Helix轨迹规划与平滑方法（RDDH方法）。在考虑水下仿生潜器-作业臂系统的物理约束基础上，结合Dubins曲线和Helix曲线，设计空间平滑的运动轨迹，并分析轨迹长度与其设计参数的关系。仿真结果表明，本文提出的轨迹规划方法是有效的，而且具有良好的实时性。 四、针对水下仿生潜器-作业臂系统自主趋近移动作业目标问题展开研究。通过分析移动目标沿直线或圆弧匀速运动两种情况，给出了水下仿生潜器-作业臂系统与移动目标同时到达的模型描述，基于RDDH方法估计了水下仿生潜器-作业臂系统与移动作业目标同时到达的位姿信息，为水下仿生潜器-作业臂系统实时生成一条趋近移动作业目标的可行轨迹，保证两者实现预设的相对位置关系并同速运动，为水下仿生潜器-作业臂系统实现移动目标的抓取奠定基础。仿真结果验证了所提方法的有效性。 五、提出一种基于时空Bezier曲线的同时到达规划方法，用于多水下仿生潜器-作业臂系统的编队协作。将时间变量引入到Bezier曲线中，构建时空Bezier曲线，并生成一条满足机器人物理约束的时空Bezier曲线，给出以多水下仿生潜器-作业臂系统同时到达为目标的时空Bezier曲线参数搜索方法。仿真结果表明所提方法是有效的。