仿生水下机器人模仿自然水下生物的游动模式和生理结构,在水下资源勘察与开发、水中侦察与预警、水下设备修复和水下生态环境保护等科学及军事领域有着广阔的应用前景。仿生水下机器人与传统的采用螺旋桨等方式驱动的水下机器人相比较,在水下环境中具有更好的适应性,能穿过环境复杂、空间狭窄的水域,且游动过程中隐蔽性能高、噪音低。目前国内外设计的仿生水下机器人主要采用鳍/躯干运动推进或喷射推进的游动模式,广泛应用于各种科学及军事领域,但目前采用喷射推进方式游动的仿生水下机器人仍然存在喷射推进力小、响应速度慢和转向游动不灵活等问题。因此,本文基于管状折纸结构设计了一种仿乌贼游动方式的水下机器人,主要内容如下:基于管状折纸结构仿乌贼游动方式设计了一款水下机器人,该水下机器人的自由运动由脉冲喷射机构和鳍波动机构实现。脉冲喷射机构通过驱动管状折纸结构进行轴向伸缩运动,带动管状折纸结构的内部体积产生变化,将腔内的水向外喷出,实现脉冲推进功能;鳍波动机构通过驱动呈半圆形的刚性鱼鳍结构在水下作往复摆动,实现鳍波动推进功能。对水下机器人的脉冲喷射推进力和鱼鳍推进性能进行分析,并搭建实验测试平台,制作水下机器人样机进行性能测试。实验结果表明,脉冲喷射机构产生的最大推进力为0.8 N,在电压12 V,频率0.2 Hz,占空比为50%的驱动条件下,水下机器人的平均运动速度为2.8 cm/s;水下机器人采用鳍波动机构驱动进行转向运动时,转向半径最小为10 cm,转向角速度最大为36°/s;水下机器人采用复合游动方式时,运动速度最大为10.5 cm/s。针对基于管状折纸结构的仿乌贼水下机器人在运动过程中仍然存在推进力小、储水量少等问题,对水下机器人的性能和管状折纸结构的设计参数之间的关系进行分析,并建立管状折纸结构的储水量模型。分析管状折纸结构的折叠运动过程,采用响应面法建立反映管状折纸结构性能的估计模型。将管状折纸结构的设计参数作为变量,基于管状折纸结构的存储水量模型和性能估计模型建立多目标优化模型,采用MOGA遗传算法求解得到Pareto最优解集,从Pareto最优解集中选出对水下机器人性能最优的管状折纸结构设计参数。采用优化设计后的管状折纸结构设计参数制作水下机器人样机,构建实验测试系统并进行性能测试,实验结果说明了对水下机器人的管状折纸结构进行优化设计思路的可行性和优化设计方法的有效性。为了提高仿乌贼水下机器人的转向性能和运动平稳性,基于柔性鱼鳍结构对水下机器人进行改进,并根据柔性鱼鳍结构的结构特点,对柔性鱼鳍结构的受力变形进行简化分析。柔性鱼鳍结构受惯性力和流体动力的影响,在水中摆动时会产生相应的柔性变形,这种柔性变形能影响并提高水下机器人的性能。制作样机并搭建实验测试系统,采用各种不同的材料、展弦比和外形形状制作柔性鱼鳍结构,对基于柔性鱼鳍结构设计的水下机器人转向性能进行实验测试,分析柔性鱼鳍结构设计参数对水下机器人转向游动性能的影响。实验结果表明,当水下机器人的柔性鱼鳍结构采用聚丙烯作为制作材料,展弦比选择在1.5-1.75之间,外形呈鱼鳍形时,水下机器人的转向运动性能最好。为了增强基于管状折纸结构的仿乌贼水下机器人的环境适应能力,基于气动软体驱动器设计了一种水下机器人。所采用的多腔体型气动软体驱动器在满足水下机器人运动性能的同时,使得水下机器人的整体结构更加紧凑、轻量。基于Yeoh本构模型和力矩平衡原理,建立多腔体型气动软体驱动器的弯曲变形模型。制作多腔体型气动软体驱动器,并进行性能测试分析,该气动驱动器可实现由伸直状态至180°弯曲状态的形态变化,可实现对水下机器人管状折纸结构的驱动。制作水下机器人样机,搭建实验测试平台,对水下机器人的性能进行测试,说明所提出的水下机器人设计思路的可行性。