微型水下航行器在海洋资源勘探、生态监测、民事救援及军事侦查等方面可发挥重要作用。模仿水生生物设计的水下航行器具备生物一些运动及形态特性,除具有体积小、成本低、便携等特点外,还具有推进效率高、机动性强、噪声低等特点。因此,针对微型水生生物开发相应的微型水下航行器具有重要意义和实用价值。金边龙虱具有优异的游泳能力且能在陆地较快爬行,是设计微型潜水机器人的绝佳素材。龙虱的身体结构与其游泳特性有密切关系,探究龙虱结构的流场特性及龙虱足部的运动特征对设计新的微型仿生水下机器人十分重要。本文以成年金边龙虱为研究对象,分析了龙虱游泳足的运动和受力情况,并对龙虱躯体及游泳足的受力特性进行了数值模拟分析,根据分析结果设计了仿龙虱水下机器人的实物样机。具体内容如下:1、对生物原型的形态结构及运动特征进行观察分析。通过高速摄像机拍摄了龙虱游泳时游泳足的运动变化特征,观察到龙虱在不同运动状态下游泳足的划水频率及幅度不同,逃生时划水频率高、幅值小,巡游时速度较平缓且摆动幅度较大;通过观测龙虱游泳足各关节,得到了生物原型的游泳足结构参数及游泳刚毛特征。2、建立游泳足运动及受力模型。对龙虱游泳足进行简化,建立足部机构简化模型,分析了游泳足运动时的受力与结构关系,对欠驱动两杆机构间的影响进行了仿真分析。使用D-H参数法建立了龙虱游泳足简化机构的运动模型并给出其运动轨迹,该轨迹与生物原型的运动轨迹能够较好吻合。根据游泳足特征,设计了结构简单、可随水流阻力变化而自动伸展和闭合的欠驱动仿生划水足结构。3、对生物躯体及游泳足进行数值模拟,分析流场特性与结构之间的关系。扫描了龙虱的三维模型,提取了生物的水平及侧面切面的边缘轮廓。通过流场仿真分析,表明了龙虱躯体的减阻及可在尾部生成垂直涡流的特性。对游泳刚毛不同的缝隙特征进行了分析,发现小缝隙可明显对水流起到阻滞作用。对比了无缝板与不同缝隙的有缝隙板的流场特征,当缝隙大小与刚毛缝隙一致时,该有缝隙板与迎流面更大的无缝板的流场特征吻合度极高。分析了游泳足推进与恢复阶段的流场特征。运用有限元方法分析了游泳足跗节上亚节间的间隙对跗节柔性的影响,亚节间的缝隙能加大跗节的柔性。4、设计并制作了仿龙虱潜水机器人。建立了水下机器人受力模型;根据游泳足特征,设计了可实现多种运动的潜水机器人的四足分布方案;制作了实物样机,搭建了实验平台;对游泳足进行了水下运动实验,其运动特征符合设计预期。