生物学研究表明,鱼体刚度及其分布特性对身体/尾鳍游动模式鱼类的游动特性有重要影响。目前学者们虽然取得了大量关于鱼体刚度特性的研究成果,然而与鱼体刚度分布特性有关的深层次游动机理却缺乏深入研究。本文研制了具有刚度分布可控性的张拉仿生机器鱼,以帮助生物学家和仿生学领域学者探索刚度分布对游动特性的影响规律。将从机器鱼的原理设计、刚度模型、张拉柔性关节设计方法、游动模型和游动实验等方面进行研究。在分析鱼类身体结构的基础上,本文明确了鱼类的刚度分布特点,给出了变刚度机器鱼的仿生功能需求。对现有两种典型机器鱼的变刚度方案进行了评估,结论如下:基于静液压力骨骼的变刚度机器鱼存在主被动刚度耦合以及刚度分布控制困难的问题;而基于离散刚性结构的变刚度机器鱼虽然具有主被动刚度解耦的优势,但受刚性关节机械效率的限制,难以实现宽频域连续平滑游动。为解决以上问题,利用基于运动奇异构型预应力弹性系统的变刚度原理,构造了具有低阻尼特征的变刚度张拉关节,进而提出了基于多级变刚度张拉关节的张拉仿生机器鱼设计方案,以实现机器鱼体刚度分布的可控调节。张拉仿生机器鱼本质上属于张拉整体机器人的一种,其刚度模型对张拉仿生机器鱼刚度特性的设计与稳定性分析有重要意义。张拉整体机器人是受压单元为刚体的广义张拉整体结构。针对基于节点空间的张拉整体结构刚度模型无法有效运用于张拉整体机器人刚度设计的问题,通过推导绳索空间、节点空间与机器人特有的体空间之间的映射矩阵,本文建立了张拉整体机器人的运动学,推导得到了张拉整体机器人在体空间下的解析刚度方程。通过两种等效的绳索伸长量加速度表达式,推导得出了海森矩阵的解析表达式,而后从几何刚度中进一步提取得到了不定刚度项,揭示了几何刚度中的不稳定根源。分析了几何刚度中不定刚度项的正定性充要条件,提出了结构的稳定性判据。与其他学者提出的刚度模型进行了对比验证,并给出了三种典型张拉整体结构的刚度算例,阐述了稳定性条件及其几何意义。张拉柔性关节是张拉仿生机器鱼的核心元件,为使张拉仿生机器鱼可以模拟鱼类的摆动动作,张拉柔性关节必须等效为一个刚性旋转关节。基于广义张拉整体结构的刚度模型,本文分析了张拉柔性关节的虚拟转动中心与解耦中心的关系,通过刚度各向异性设计获得了关节的自由度,采用轴漂作为关节等效性判据和优化目标,提出了张拉柔性关节的等效性设计方法。该方法可将张拉关节设计为绕特定转动中心的转动关节、虎克铰和球铰。在关节等效性设计的基础上,结合运动奇异构型下的预应力弹性系统变刚度原理,将平面张拉转动关节转化为具有刚度高可控性潜力的变刚度张拉关节。分析了变刚度张拉关节实现刚度高可控性的理想条件,为使该条件满足机器鱼设计的实际应用,考虑了关节的虚拟转动中心变化率、预应力弹性系统的刚度占比和机器鱼的身体长度变化率等物理约束,提出了变刚度张拉关节的刚度高可控性设计方法。张拉仿生机器鱼的静水游动模型对机器鱼的身体刚度设计具有重要指导意义。张拉仿生机器鱼的身体动力学模型与环境水动力学模型的建立与集成是游动特性分析的关键。本文给出了体空间下嵌入约束的广义张拉整体结构的动力学模型,建立了涵盖柔性鱼尾与鱼皮的张拉仿生机器鱼动力学模型。结合大摆幅细长体理论,分析了机器鱼在游动过程中身体各处受到的升阻力和流体附加质量等因素的影响,采用水动力等效节点映射方法,建立了张拉仿生机器鱼的平面游动模型,解决了水环境与张拉仿生机器鱼的模型集成问题。仿真分析了刚度分布、驱动力矩大小、尾鳍关节刚度和鱼皮刚度对游动特性的影响,仿真结果表明,刚度分布的合适调整对机器鱼的游动特性有重要影响。本文研制了两台张拉仿生机器鱼实验样机,分别命名为Ten Fi Bot-Ⅰ和Ten Fi Bot-Ⅱ-BSV,用以验证张拉仿生机器鱼模态激励驱动方案,研究刚度分布变化对游动特性的影响。Ten Fi Bot-Ⅰ可以激励出C形与S形振动模态来模拟鱼体波,获得高效率稳态游动。实验结果表明,其斯特鲁哈数范围在0.45～0.55之间,行波系数在0.4～0.7之间,接近同尺寸鱼类生物学数据。实验数据表明,张拉关节可以提高游动的机械效率和改善阻尼特性。对于Ten Fi Bot-Ⅱ-BSV,分别在空气中和水环境中,通过八种刚度分布组合验证了刚度分布可控性。Ten Fi Bot-Ⅱ-BSV的游动实验表明,刚度分布变化可以极大影响机器鱼的游动特性。在1～3Hz的驱动频率范围内,同等频率下,通过调整刚度分布参数最大可以提高约59%的游动速度与53%的步长。实验发现,均匀与非均匀刚度分布的机器鱼都可以实现最大0.87 BL/s的游动速度,最大约为0.54 BL/cycle的步长,斯特鲁哈数范围在0.35～0.5之间,达到最优游动特性的刚度分布参数存在多解。